美标土体中灌注桩设计分析

潘文祥，胡樟生，李高会

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)

关键字：美标；灌注桩；侧阻力；抗浮；粘性土；砂性土；群桩效应

0 引 言

近年来，我国水利行业在不断向海外发展，而海外工程一般由欧洲人担任监理，对设计方法及标准的要求很严格，因此，按国外标准设计成了海外工程能否顺利推进的根本要求。海外项目地质条件往往较复杂，建筑许可不能轻易变动，所以，建筑结构基础经常会在限定的区域中布置于软土地基上，地基处理显得尤为重要。桩基制作灵活方便，适用性广泛，是软土地基处理的一种常用措施，但海外项目初期往往不具备对桩基进行静载荷试桩或者动载试桩的条件，根据土力学试验得到的土力学参数对桩基承载力特征值进行数值计算是不可避免的。本文结合某一海外水电工程进水口底板抗浮设计，介绍了混凝土灌注桩侧阻力按美标计算的要求及方法，为类似海外工程桩基设计提供了参考。

1 工程概况

某抽水蓄能电站引水系统采用一洞两机的布置方式，工程主要由上水库、输水系统、地下厂房、下水库和开关站等组成。上水库正常蓄水位为207.8 m，死水位为185.6 m。下水库正常蓄水位为-215.0 m，死水位为-235.75 m。输水系统总长3 269.86 m，包括引水系统长1 512.02 m和尾水系统长1 757.84 m。

下水库采用全库盆土工膜防渗，库底排水系统高程为-236.75 m。下库进/出水口位于库底，座落于Marl(粘性土)层中，进水口底板高程为-253.10 m，顶板高程为-237.00 m。底板以下约14 m范围为Marl层，Marl层以下为Sand with clay(砂层)。根据现场十字板剪切试验，Marl层不排水条件下的剪切强度Cu≈140 kPa(见图1、表1)。

图1 下库进出水口地质剖面

2 抗浮要求

根据业主要求，抗浮安全系数应满足如下要求(见表2)。

表2 抗浮设计要求

3 荷载计算

按照进出水口结构缝位置，抗浮设计荷载计算时将进水口分为Part Ⅰ～Part Ⅳ(见图2、图3)共4块进行计算。

经过计算，检修工况各块的抗浮安全系数列于表3中(见表3)。Part I和Part II抗浮安全系数不满足业主要求，需抗浮措施；正常工况抗浮安全系数均大于1.5，满足业主要求，无需抗浮措施。

图2进水口桩基平面布置

图3进水口桩基纵剖面

4 侧阻力计算

由于此进/出水口开挖体型已通过业主工程师审批且加大进/出水口尺寸需挖除部分大坝坡脚，故通过增加进/出水口自身结构重量来满足抗浮要求不现实，拟在进/出水口底板设置直径为900 mm的灌注桩来解决其抗浮问题。根据美标EM 1110_2_2906《Engineering and Design_Design of Pile Foundation》，桩侧阻力需取土体不排水(短暂工况)与排水条件(持久工况)的计算成果的小值，且侧阻力在无载荷试验论证时检修工况最小安全系数为2.25，极端工况最小安全系数为1.7。

表3 检修工况各块抗浮安全系数

4.1 粘性土体中不排水条件下桩侧阻力计算

对于粘性土，由桩与土间接触面摩擦力产生的侧阻力可按下式计算：

Qs=fsAs

(1)

式中，Qs为由表面摩擦力产生的侧阻力；fs为表面摩擦力平均值；As为桩与土接触面积。

fs=Ca

(2)

Ca=αC

(3)

式中，Ca为粘土与桩之间粘聚力；α为粘结系数，是土体不排水剪强度的函数，可按图4查得(见图4)；C为由快剪试验得出不排水剪强度。

图4α值与不排水剪强度关系曲线

根据不排水剪强度Cu=140 kPa (=1.46TSF, TSF为美标强度单位，1 TSF=95.76 kPa)查图4得α为0.5。

4.2 粘性土体中排水条件及砂性土中桩侧阻力计算

美标EM 1110_2_2906规定：灌注桩在粘性土中排水条件下的侧阻力与砂性土中侧阻力计算方法一致。

砂性土中桩与土间的摩擦力随深度线性增加至某一临界深度Dc后保持不变。临界深度Dc根据土体相对密度确定，一般为10到20倍桩径。临界深度Dc取值如下：松砂：Dc=10 B；中等密度砂：Dc=15 B；密实砂：Dc=20 B。

砂性土土中桩与土间摩擦力可按下式确定：

(4)

(5)

(6)

Qs=fsAs

(7)

表4 不同土体K取值

不排水与排水条件下桩侧阻力随桩长变化如下所示(见图5)。

图5不排水与排水条件桩侧阻力计算成果

5 抗浮桩设计

5.1 检修工况

从图5可看出，排水条件下桩的抗浮侧阻力更低，为控制工况。Part I～Part IV设计桩长、桩数以及群桩面积、单桩面积总和如下所示(见表5)。

表5 各部位桩长、桩数及桩土之间安全系数

从表5可以看出，群桩的侧面积比单桩侧面积大，故竖向侧阻力的群桩效应可以不计。

5.2 地震工况

竖向地震作用同时改变浮力及向下的荷载作用，故竖向地震作用对桩的抗浮设计无影响，但作用在进水口边墙上的附加土压力及附加水压力产生的弯矩会改变桩轴力分布。对于地震工况桩受力计算采用美国Ensoft公司Group软件计算，土体采用非线性P—Y曲线模拟。水平群桩效应通过P—Y曲线中P值折减考虑，P值按文献[5]研究成果，根据桩径、桩间距查图6确定(见图6)。计算模型如下所示(见图7，以Part III为例)，各排桩的P值取值及计算成果如下所示(见表6～7)，从表7知各分块桩与土之间的侧阻力满足规范要求。

图6不同位置桩基P值折减系数

图7 Part III计算模型

表7 地震工况各分块桩基计算成果

6 结 语

桩基设计包括桩基布置、桩基承载能力计算等内容。美标对桩基承载能力计算需同时考虑土体排水与不排水条件，不同排水条件侧阻力计算时需用相应的土体参数，最终取两者低值。在具体工程设计中，在桩基布置时需综合考虑桩长与桩间距，兼顾水平与竖直向群桩效应，以求桩距，桩长设计合理、经济。按照上述方法进行的桩基设计解决了该工程进水口抗浮问题，满足国外咨询审批要求。