大型水利工程基础管桩水平承载力特征值研究

李建华

珠海华昕开发建设有限公司 广东 珠海 519000

在水利工程运行的过程中，不分水闸因为原设计标准偏低或者是长时间运行之后老化严重等多种原因，出现了各种各样的安全隐患。为了能够确保水闸的安全运行，更好的发挥出水闸的作用，需要对水闸进行重建。而在水闸重建工程中，必须要对水利建构筑物基础管桩水平承载力值进行核算，并继续适当调整，以使得其能够满足相关要求。接下来就结合具体的工程案例，对水利相关构筑物基础管桩水平承载力进行研究，希望为类似工程提供有益借鉴。

1 项目概况

石角咀水闸位于珠海市境内前山河水道出海口处，是一宗挡潮、御咸、排洪、航运的综合利用大型水闸枢纽，始建于1958年。拆除新建内容包括水利和市政两部分，其中水利包括重建水闸，总净宽 180m，设计流量为 1738m3/s，大（2）型水闸；新建泵站，设计流量为50m3/s，大（2）型泵站；重建船闸，主体结构满足珠江干线1000吨级船舶通航要求，闸室净宽16m；市政工程包括新建市政道路和跨前山河桥梁等。

2 施工图设计方案

水闸采用桩径为φ600管桩，采用正方形布置。3#孔为一孔一联，布桩形式为6排×5排（顺水×垂直排数），共24根；其余闸孔为两孔一联，布桩形式为7排×9排，共63根。

泵站采用桩径为φ600管桩，采用正方形布置。进水池布桩形式为6排×9排，共54根；拦污栅闸布桩形式为3排×9排，共27根；泵房布桩形式为11排×9排，共99根；出水池布桩形式为9排×9排，共81根。挡潮闸与水闸桩基布置保持一致，采用桩径为φ600管桩，采用正方形布置。

船闸采用桩径为φ600管桩，采用正方形布置。上闸首桩间距为3.3m×3.1m，布桩形式为12排×10排，共120根；下闸首桩间距为3.3m×3.1m，布桩形式为12排×10排，共120根； 3#闸室作为代表段，其布桩间距为3.0m×3.3m，布桩形式为8排×7排，56根。

翼墙桩基础采用端承摩擦桩，选择压缩性较小的Ⅴ全风化花岗岩层作为持力层。翼墙采用桩径为φ500管桩，采用正方形布置，临水侧布设一斜桩，倾斜角度为15°。代表断面为右岸上游翼墙A和江心洲下游翼墙A，右岸上游翼墙A标准段长12m，江心洲下游翼墙A标准段长10m。

3 桩顶作用效应计算

在荷载作用下，作用于群桩中的单桩作用力计算公式如下：

式中：

经计算，江心洲翼墙水平桩顶作用效应计算成果详见表1。

表1 桩顶作用效应计算成果表

4 水平承载力检测成果分析

根据《单桩水平静载试验报告》（湖北正平水利水电工程质量检测有限公司2022年12月30日），单桩水平承载力特征值为88kN，水平临界荷载为88kN，临界荷载对应的水平位移为9.72mm。经内插法计算，加载位移为6mm时，荷载为68.37kN。

本工程主要建筑物（水闸、泵闸防洪闸、船闸上下闸首、船闸闸室、泵站进水池、泵出水池、泵站进水闸、泵房）单桩桩顶允许水平位移为6mm，次要建筑物（翼墙、导航墙等）单桩桩顶允许水平位移为10mm。以桩的水平静载试验反算桩侧水平抗力系数m值，根据工程允许位置情况计算以下两种工况[1]：①临界荷载，②桩顶位移为6mm：

式中：

m —— 桩侧土水平抗力系数的比例系数；

H0——水平静载；

x0——水平位移；

vx—— 桩顶水平位移系数，按《规范》表5.7.2取值，检测桩端约束为自由情况，vx=2.441；

bp —— 桩身的计算宽度，对于桩径d不大于1m，b0＝0.9(1.5d+0.5)。

经计算，桩侧水平抗力系数m反算值，临界荷载情况下（桩顶位移9.72mm）为7.8MN/m4，桩顶位移为6mm时为11.4MN/m4。可塑状黏性土预制桩对应单桩在地面处水平位置10mm时的m值为6～10，m反算结果在规范范围值内[2]。

当桩侧土层为分层地基时，考虑到仅地表以下一定深度范围（一般认为3～4倍桩径）内的土层对水平受荷桩的内力变形计算最具影响[3-4]，故本工程主要考虑2.4m范围内土层的m值。静载试验选取桩基检测时地面以下2.4m范围内地质情况依次为可塑黏土厚1.8m、软可塑淤泥质土厚0.6m，与工程其他建筑物桩基相似。

因此，根据静载试验成果分析结合工程地质情况，本工程主要建筑物（桩顶允许水平位移为6mm）桩基计算中地基土水平抗力系数的比例系数m选用10进行复核，次要建筑物（桩顶允许水平位移为10mm）桩基计算中地基土水平抗力系数的比例系数m选用7.8进行复核。计算过程详见表2。

表2 桩侧水平抗力系数m反算值计算表

5 基桩水平承载力复算

5.1 单桩水平向承载力特征值复算

选取具有代表性的部位如水闸闸室、船闸下闸首及江心洲翼墙进行单桩水平向承载力特征值复算。

桩身配筋率不小于0.6 5%的混凝土桩单桩水平向承载力特征值按下列公式估算（管桩桩身配筋率大于0.65%)[3]：

式中：

m——桩侧土水平抗力系数的比例系数，翼墙取7.4，水闸、下闸首取10。

b0—— 桩身的计算宽度，对于桩径d不大于1m，b0＝0.9(1.5d+0.5)。

5.2 群桩效应综合影响系数计算

群桩基础（不含水平力垂直于单排桩基纵向轴线和力矩较大的情况）的基桩水平承载力特征值应考虑由承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应[5]，可按下列公式确定：

Rh =ηhRha

ηh =ηiηr +ηl +ηb

式中 ηh —— 群桩效应综合系数；

ηi —— 桩的相互影响效应系数；

ηr —— 桩顶约束效应系数，ηr =2.05；

ηl —— 承台侧向土抗力效应系数；

ηb —— 承台底摩阻效应系数，不考虑底板与地基土的摩擦力，取ηb=0；

5.3 计算结果及分析

经计算，管桩基桩水平承载力详见表3，桩基设计水平承载力可满足要求，本工程桩基设计方案是可行的。

表3 桩顶作用效应计算成果表

6 管桩水平承载力调整值

对于受水平荷载较大的设计等级为甲级、乙级的建筑桩基，单桩水平承载力特征值应通过单桩水平静载试验确定[6]。因此，根据对本次静载试验成果的分析，对工程单桩水平向设计承载力特征值进行调整[7-8]，由110kN调整至68kN。调整后各部位承载力调整值见表4。

表4 管桩水平承载力拟调整值

7 结论

水利工程堤岸、闸等构筑物属于承受周期水平荷载或循环水平荷载为主显著的建（构）筑物，桩基水平承载力设计是重点。本文通过针对石角咀水闸重建工程水利相关构筑物基础管桩水平承载力研究，客观实际调整了设计特征值要求，满足了现场施工及验收要求，相关做法值得推广。