挡水墙桩基承载力探讨
时间：2023-05-30 16:25:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李津津，张晋锋，金学洋
（湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430070）
桩基承载力特征值一般采用《建筑桩基技术规范》公式进行估算，单桩极限承载力特征值根据桩侧土的极限侧阻力标准值和桩的极限端阻力标准值两个参数计算，由位移控制的单桩水平承载力特征值根据桩顶水平位移系数和桩侧土水平抗力系数的比例系数两个参数进行计算，这些参数一般先采用规范经验值，再根据试验桩进行验证，得出承载力特征值是否满足设计要求。
1.1 结构情况
某倒虹吸进水口挡墙采用底部混凝土外包管（3根）＋中间空箱＋顶部扶壁式结构，主要挡前池水，与前池分缝处设有止水，挡墙总高22.21 m，顺水流向长20.4 m，宽21.3 m。基础为矩形基础，桩型为钻孔混凝土灌注桩，桩直径120 cm，桩长25 m，挡墙基底顺水流方向布置6排桩基，每排布置6根，桩中心间距为3.6 m，共36根桩，灌注桩混凝土强度采用C25。
1.2 地形及地质条件
场地位于襄枣盆地腹地，岗、波状平原地貌，出露的地层为上更新统琚湾组冲积层（Q3jal），岩性主要为灰褐色、黄褐色、褐黄色、红褐色粘土，厚度大于40 m，土层物理力学参数见表1。
表1 挡墙基底土体物理力学指标
2.1 单桩竖向承载力特征值计算
根据《建筑桩基技术规范》，按土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，大直径桩单桩竖向承载力特征值，采用公式［1］：
式中：K为安全系数；
Quk为单桩极限承载力标准值；
Qsk、Qpk分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值；
u为桩身周长；
qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值；
qpk为桩径800 mm的极限端阻力标准值；
ψsi、ψp分别为大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数；
Ap为桩端面积。桩基最终沉降量按角点法计算。
根据经验公式［1］计算大直径单桩竖向承载力特征值为4 264 kN，在荷载4 100 kN时，沉降值为4.6 mm。
桩基上部挡墙结构整体刚度较好，体型简单，可考虑承台效应确定其复合基桩的竖向承载力特征值，偏安全考虑，此部分作为安全储备，在计算时没有考虑。
2.2 单桩水平承载力特征值计算
根据《建筑桩基技术规范》，桩的水平承载力由水平位移控制，且缺少单桩水平静载试验资料时，按照桩身配筋不小于0.65%的灌注桩单桩水平承载力特征值估算公式估算，计算采用公式［1］：
式中：EI为桩身抗弯刚度，对于钢筋混凝土桩，EI＝0.85EcI0，其中Ec为混凝土弹性模量，I0为桩身换算截面惯性距；
α为桩的水平变形系数，；
χ0a为桩顶允许水平位移；
νx为桩顶水平位移系数；
b0为桩身的计算宽度，圆形桩直径d＞1 m时，b0＝0.9（d＋1）；
m为桩侧土水平抗力系数的比例系数。
桩顶允许水平位移取6 mm［1］，桩顶约束按照实际情况取固结，桩侧土水平抗力系数的比例系数m值根据规范经验值［1］，取35和45两种，考虑到水平荷载为经常出现的荷载，乘以系数0.4降低使用，计算结果见表2。
表2 单桩水平承载力特征值
从计算结果可知，桩顶约束状态和m值均对单桩水平承载力特征值有影响。桩顶在固结条件下和桩顶自由条件下，计算值相差较大。
根据《建筑基桩检测技术规范》，在工程桩施工前，设置了2根试验桩：第一根试验桩通过单桩竖向抗压静载试验检测单桩竖向承载力，验证钻孔桩桩侧摩阻力、桩端阻力等岩土参数；
第二根试验桩通过单桩水平静载试验检测单桩水平极限承载力，验证土抗力等岩土参数。
3.1 单桩竖向静载试验分析
单桩竖向静载试验采用堆载平台作为加载反力装置，试验采用慢速维持荷载法［2］，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后再加下一级荷载，分级加至破坏。沉降杆沉降数据观测与单桩竖向抗压静载荷试验分级同步进行。单桩竖向静载试验成果见图1、图2。
试验加载到9 000 kN时，Q－s曲线平缓，无明显陡降段，总沉降量为9.63 mm，当达到9 900 kN时，Q－s曲线发生明显的向下弯曲，总沉降量为28.37 mm。根据规范，该桩单桩竖向抗压极限承载力取Q－s曲线发生明显陡降的起始点对应的荷载值为极限值［2］，即Qu＝9 000 kN，单桩竖向抗压承载力特征值按竖向抗压极限承载力的50%取值［2］，即为4 500 kN。单桩竖向抗压静载荷试验结果见表3。
表3 单桩竖向抗压静载荷试验结果汇总
桩身压缩产生的沉降始于加载初期，并伴随于加载全过程；
随着荷载的增加，桩身压缩产生的沉降减弱，桩底沉降与桩顶沉降近似一致，桩身完好，桩身弹性压缩量较小，桩身以侧摩阻力为主，端阻力为辅。
3.2 单桩水平静载试验分析
单桩水平静载试验采用千斤顶施加水平力，反力结构通过混凝土块传递到坑壁来实现，加载选用单向多循环加载法［2］，加载到破坏时，终止加载。单桩水平静载试验成果曲线见图3。
试验加载到780 kN时H－Y0曲线平缓，无明显陡降段，H－Y0曲线呈平缓规则排列，总位移量为9.63 mm，当达到910 kN时，H－Y0曲线发生明显的向下弯曲，总位移量为42.71 mm。由于桩顶水平位移允许值为6 mm，因此，该试验桩单桩水平承载力特征值取设计桩顶标高处水平位移6 mm所对应荷载的0.75倍［2］，即515 kN。单桩水平静载试验结果见表4。
表4 单桩水平静载试验结果汇总
通过单桩竖向静载试验测得单桩竖向抗压承载力特征值为4 500 kN，大于计算承载力特征值4 264 kN，4 500 kN荷载下，单桩竖向静载试验中，4 500 kN荷载下沉降总量为2.77 mm，小于设计荷载下计算值4.6 mm，试压桩桩身以侧摩阻力为主，说明襄枣盆地腹地（Q3jal）硬塑状粘土桩侧摩阻力大于42 kPa，计算取值偏安全，设计桩径及桩长满足竖向承载力及沉降要求。
单桩水平静载试验测得单桩水平承载力特征值为515 kN，大于桩顶自由条件下两次计算值，小于桩顶固结状态下两次计算值。经分析，试验桩桩顶是自由的，在相同的桩顶约束条件下，水平承载力特征值检测值大于计算值，说明实际桩侧土水平抗力系数的比例系数m值比计算时采用的m值（乘以系数0.4降低使用）大。
水平承载力试验特征值小于桩顶固结条件下计算值，所以产生差异的重要原因之一就是设计假定的边界条件固结与试验时的边界条件自由不同而造成，采用经验公式估算单桩水平承载力特征值时，桩顶的约束情况（自由，铰接、还是固结）对计算结果影响非常大，大约有2.6～3.2倍差异［3］。如果设计要求桩端与承台连接是固结的，那么一般工程设计单桩水平承载力设计值建议按桩顶自由端检测实测值的1.5倍取值［4］。
通过现场的单桩水平载荷试验，测定桩侧土体的m值为43，根据规范，对于灌注桩，可塑、硬塑状黏性土的m值参考取值范围在35～100，而通过本次分析可知，襄枣盆地腹地（Q3jal）硬塑状粘土可以取值35～43之间。
使用单桩水平载荷试验测定桩侧土体m值43，并乘以系数0.4后，重新计算承载力特征值，按照桩顶固结条件，计算得到单桩水平承载力特征值为771 kN，大于之前计算值，说明之前计算取值是偏安全的。
本次单桩水平静载试验时，没有考虑竖向荷载影响，根据《建筑基桩检测技术规范》，如果考虑桩顶竖向荷载作用，桩顶荷载是压力，其水平承载力增加［2］，根据有关研究，单桩水平承载力随着桩顶竖向荷载的增加而增大，呈现了幂函数增长关系［5］，在本工程设计竖向荷载下，单桩水平承载力临界值会增加64 kN，由于本工程单桩水平承载力特征值以设计桩顶标高处水平位移6 mm来控制，竖向荷载对单桩水平承载力载力特征值增加影响有限，此部分影响作为安全储备，在设计时不予考虑。
根据前述分析，为确保桩基实际承载力达到设计值，桩顶与承台之间的连接需要采用一些构造措施加强桩顶约束，保证桩顶的固结：①装头嵌入上部承台10 cm，加强桩顶与承台的固结；
②桩身纵筋全部锚入承台1 m长，加强桩顶与承台的固结；
③在承台底部设置纵横暗梁［4］，暗梁双向配筋，并配置箍筋，通过暗梁将深入承台内的基桩联系起来。通过上述措施可提高桩基水平承载力。同时通过后注浆，加固桩底和桩周一定范围的土体，提高土体的地基反力系数，从而达到提高承载力，减少变形的目的［6］，增强桩的质量稳定性。
同时承受水平力荷载和竖向荷载的桩基，通过规范经验值计算，可为桩基布置提供初步依据，再通过试验桩验证计算，为工程桩提供依据。单桩水平力承载特征值受桩型、截面、刚度、入土深度、地层岩性、桩顶容许水平位移和桩顶嵌固等因素影响。特别是试验桩进行水平荷载试验时，桩顶自由状态与工程实际桩顶的嵌固状态不一致，得出的承载力特征值需进行换算。通过采取工程措施，可加强桩顶约束，保证桩顶固结，提高桩周土体的地基反力系数，进而提高桩基承载力。
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