钢筋砼灌注桩在深厚砂土地基中应用浅析

　　摘要：文中以榆林采兔沟水库锦界工业园供水工程取水塔基础处理为例，介绍了深厚砂土地基情况下，塔体基础采用钢筋砼灌注处理的计算思路、施工方法。该塔体灌注桩基础桩径1.2m，深33m。计算时进行了水平、竖向承载力演算，并对桩体内力进行分析，得出桩基内力变化情况，为结构设计提供理论依据。
　　关键词：灌注桩；基础处理；设计计算；桩体施工；检验。
　　引言
　　采兔沟水库工程位于榆林市神木县瑶镇乡采兔沟村附近秃尾河中游干流上，坝址距下游榆—神铁路大桥1.0km、距神木县城35km，该水库以供水为主，主要枢纽建筑物包括大坝、泄洪洞、取水塔、引水管等，工程等别Ⅲ等，规模为中型，主要建筑物级别3级。取水塔位于大坝右岸泄洪洞进口，塔高41.8m，为矩形封闭结构，泄水、取水合并布置。取水塔塔基位于砂土地基，砂层厚31m，下部为砂岩、泥岩互层。该处地基处理采用钢筋砼灌注桩结构，桩径1.2m、桩长33m，桩顶设钢筋混凝土承台，厚度2.3m，根据取水塔对基础的要求，需进行基础稳定分析。
　　1地质条件
　　放水塔处于大坝右岸，地处漫滩，地层岩性上部①层为冲、洪积细沙，承载力低，承载力标准值120kPa，极限侧摩阻力标准值20kPa；②层细砂，稍密，厚9.5m，承载力标准值140kPa，极限侧摩阻力标准值30kPa；③层细砂，厚9m，中密，承载力标准值180kPa，极限侧摩阻力标准值40kPa；④层细砂，厚14m，密实，承载力标准值220kPa，极限侧末阻力标准值60kPa；以下为砂岩夹泥岩，强风化厚1.5m，弱风化厚2.6m，承载力标准值：强风化0.53Mpa，弱风化1.0Mpa，微风化1.6MPa，透水率为1.54～1.89Lu，属弱透水岩体。
　　2放水塔基础设计
　　2.1桩基布置
　　放水塔基底为矩形结构，垂直水流方向12.3m，顺水流方向11.3m，根据基底应力计算结果，基底最大应力473.2KN，基底最小应力369.7KN，均大于地基允许承载力，根据地质情况，必须对基础进行深度处理。采用扩大基础处理方式，砂土覆盖层厚度大，挖方量大，遇水不稳定，为此，基础处理选用钢筋砼灌注桩。桩基布置间距不小于2.5倍桩径，距承台边沿不小于0.5倍桩径【2】，桩分别在垂直、顺水流方向各4排、4列，共16根，桩间距顺水流方向3m，垂直水流方向3.1m，对称布置，桩径1.2m，桩深33m。桩基从左到右“Z”字形编号，①、②……至16#桩。桩基底布置示意图详见图-1。
　　
　　图-1
　　2.2桩承担的竖向荷载稳定分析
　　1）单桩荷载计算
　　施工完建情况为控制工况，取水塔竖向力值：
　　G=58579KN，∑Mx=7290.82KNm，∑My=6789.45KNm，X、Y方向均存在偏心，分析桩基承载力时，考虑双偏心受压，桩基受压公式采用以下计算【1】：
　　Qi=G/n+(Mxyi)/(∑yi^2)+(Myxi)/(∑xi^2)
　　Qi----第i根桩所受承载力；G----所有竖向力；
　　Mx----所有力合力对基底形心轴x轴力矩；
　　My----所有力合力对基底形心轴y轴力矩；
　　Yi---第i根桩距基底形心轴x轴距离；xi---第i根桩距基底形心轴y轴距离；
　　经计算，1#桩承担力最小3315KN，16#桩最大4007KN。考虑桩自重，桩承担最大轴向力5109KN。
　　2）单桩允许承载力计算
　　根据《水闸》（中国水利水电出版社、陈宝华、张世儒2003年第一版）【3】及《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJ024-85，采用端承摩察桩计算。采用以下公式计算单桩允许承载力：
　　[P]=(Uliтp+AσR)/2U---桩周长（m）
　　Li-第I层土厚度（m）тpi-第I层桩壁土的平均极限摩阻力(Kpa)
　　A-桩底横截面积（m2）σR-桩尖土的极限承载pa)
　　σR=2m0λ{[σ0]+k2γ2(h-3)}σ0-桩尖土的容许承载力(Kpa)
　　h-桩尖土的埋置深度（m）；k2—地面土容许承载力随深度修正系数；
　　γ2--(桩尖土以上的容重（KN/m3）；λ-修正系数；
　　m0-清底系数（沉土厚小于12cm，取1.0）；
　　[P]-单桩轴向受压容许承载力（KN）；
　　经计算，桩径采用1200mm，桩长采用33m，间距3m时桩的允许承载力5136.84KN，满足要求。
　　2.3桩承担的水平荷载稳定分析
　　1）水平荷载计算
　　在计算桩基水平荷载时，对于该桩根数大于9个，按群桩计算【5】，各桩承受水平力按各桩平均分配计算，水平荷载计算时考虑顺水流方向和垂直水流方向两个方向水平力的合力，取其矢量和即为作用于群桩基础的水平荷载，然后根据桩个数，平均分配。经计算，该桩基承担的最大水平荷载1736KN。
　　2）水平容许承载力计算
　　根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-94计算桩基水平容许承载力，公式为：
　　[P]=αhd2(1+(0.5NG)/(γmftA))((1.5d2+0.5d)5)γ0H1<[P]
　　γ0—重要系数；H1—桩顶水平力设计值；
　　αh—综合系数；d—桩身设计直径（m）；
　　ft—砼抗拉强度设计值(KN)/m2γm—桩身截面模量塑性系数；
　　A—桩身截面面积(m2）；[P]—单桩水平容许承载力（KN）；
　　经计算，水平荷载小于单桩水平容许承载力，水平荷载满足要求。
　　2.4群桩桩尖基底承载力计算
　　对于深厚松软地基上的桩基，当桩中心距小于6倍桩径或边长、桩数超过9根时，应将群桩视为整体基础，演算桩尖基底面承载力和沉降量，并应不大于该平面处地基的允许承载力和允许沉降量。
　　群桩桩尖基底承载力采用以下公式计算：
　　Pmax=∑G+∑N/A+∑Mx/Wx+∑My/Wy∑G—所有竖向力；
　　∑N—承台及内摩擦角扩散范围内土重【4】与桩总重；
　　∑Mx、∑My—作用在桩基底面上的全部竖向力和水平向荷载对桩基底面形心轴x、y轴的力矩(KNm);
　　A—桩基底面的有效面积(m2)；W—桩基底面对其形心x、y轴截面抵抗矩(m3)；
　　经计算，群桩桩尖基底承载力结果如表-3。桩尖处于微风化层，承载力1600KN/m2，大于群桩基底计算最大应力832.25KN，群桩基底稳定性满足要求。
　　
　　2.5水平力作用下桩长及内力计算
　　水平力作用下桩长及内力计算根据《水工钢筋砼结构》下册（水利电力出版社）（1975.10第一版）桩的内力计算公式计算。桩长取33m，h>t+3.14/a,按弹性地有限长梁计算，系数m=n=1。
　　经计算，桩长取33m，桩顶水平位移0.15cm，桩顶位移控制在0.5cm范围内，满足要求。桩顶弯矩最大，365.9KNM，22m以下弯矩接近0。因此，桩配筋采用12φ20+12φ18钢筋，桩体承台以下22m范围可间隔截断，此处取27m，即12φ20拉通，12φ18至27m处剪断。
　　3施工注意的问题
　　考虑该处地基为砂土地基，成孔差，桩较深，施工难度大，故施工时采用泥浆护壁法钻孔成孔，对于1.2m直径灌注桩，属于大直径砼灌注桩，孔径偏差最大不超过-50mm，垂直度允许偏差1%，桩位允许偏差120mm。根据地下水位高程，护筒内泥浆面应高出水位1.0m以上，在受水位涨落影响时，泥浆面应高出最高水位1.5m以上，在清孔过程中，不断置换泥浆，直至浇筑水下砼；在浇筑砼之前，孔底500mm以内的泥浆比重应小于1.25；含砂率≤8%，粘度≤28s，孔底沉淀厚度不得大于10cm，孔中泥浆含砂量不得大于10%。
　　4检验
　　桩成孔质量检验主要包括成孔、清孔、钢筋笼制作及安放、砼施工等工序。即在砼施工前，首先应对成孔中心位置、孔深、孔径、垂直度、孔底清渣厚度、钢筋笼安放的实际位置进行检查，直至符合有关规定。由于该处地质条件复杂，成桩质量可靠度较低，对桩身质量检测时，可采用可靠的动测法，对于大直径桩基，可采用钻取岩芯、预埋管超声波检测法等。对于该处实际情况，在桩身质量检测时应对全部桩基进行检测。为确保实际单桩竖向极限承载力标准值达到设计要求，应进行单桩承载力静载试验，确保单桩承载力不小于5109KN。
　　5结束语
　　笔者针对深厚砂土地基情况下非对称结构放水塔桩基稳定分析提出了计算的基本思路和方法，在计算时，考虑不同方向受力情况，采用双偏心的计算方法，演算分析竖向承载力、水平向承载力对桩基稳定性影响，将群桩作为一个整体基础，分析整个桩尖基底的应力情况，分析是否满足群桩基底稳定性。目前该放水塔目前已建成，在基础处理过程中施工简单、方便，施工质量可靠，桩基施工完成后，经对桩基静载实验，能够达到设计各项承载力要求，应用效果良好。
　　参考文献：
　　【1】 《水工钢筋砼结构》（下册，水利电力出版社）（1975.10第一版）；
　　【2】 刘景政，《地基处理与实例分析》，北京；中国建筑工业出版社，1998；
　　【3】 陈宝华、张世儒，《水闸》（中国水利水电出版社，2003年第一版）；
　　【4】 张伯平，《土力学》，杨凌；西北农业大学，1998；
　　【5】 《建筑桩基技术规范》JGJ94-94。

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