邱 輝，侯繼平

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

圖1 樁基縱剖面與地質剖面圖

大治河排澇泵站工程位于杭州市蕭山區(qū)大治河和錢塘江交匯口處，泵站設計排澇流量100.0 m3/s，采用5臺立式軸流泵。本工程地質條件復雜，泵站底板以下土層依次為②-2砂質粉土、②-3粉砂夾砂質粉土、②-4砂質粉土夾粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、⑤粉質黏土、⑥含粉砂粉質黏土、⑧-1細砂、⑧-2 圓礫。其中壓縮模量小于10的土層厚度約40.0 m，在基礎不做地基處理的情況下，地基承載力和沉降量均不滿足規(guī)范要求。大治河泵站主體在承受豎向力以外，還承受垂直水流及順水流2個方向的水平力，為有效控制樁基水平位移和水平力、節(jié)約樁基投資，提出長短樁樁基方案。本工程泵站地基處理采用φ100 cm鉆孔灌注樁長短樁結合設計，樁基持力層為圓礫，以邊跨為例，樁間距2.9 m×2.7 m（順水流×垂直水流），樁長約43.0 m/23.0 m布置。樁基縱剖面與地質剖面見圖1，樁基平面布置見圖2，各土層物理力學參數(shù)見表1。

圖2 樁基平面布置圖

表1 各土層物理力學參數(shù)表

本文采用高樁承臺簡化法和M法有限元法對樁基內力與變形進行計算分析。

2 高樁承臺簡化法

根據(jù)SL265 — 2016《水閘設計規(guī)范》，樁的根數(shù)和尺寸宜根據(jù)承擔底板底面以上的全部荷載確定，對于摩擦樁，經論證后可適當考慮樁間土承擔部分荷載。在進行計算分析前，對樁基布置和邊界進行假定和簡化處理：

（1）上部荷載全部由樁基承擔，承臺、群樁、土體相互作用產生的群樁效應不計；忽略樁身與土體之間的黏著力和摩擦力對抵抗水平力的作用。

（2）長樁+短樁控制水平承載力和水平位移，按圖2布置計算水平承載力和水平位移；長樁承擔豎向承載力和豎向沉降，按圖3樁基布置計算豎向承載力和豎向位移。

（3）將土體視為彈性介質，其水平抗力系數(shù)隨深度線形增加（M法）。

（4）地基土水平抗力系數(shù)取10 MN/m4，可通過試樁單樁水平靜載試驗驗證。

式中：Fk為作用于承臺頂面的豎向力（kN）；Gk為樁基承臺和承臺上土自重標準值（kN）；Nk為樁基的平均豎向力（kN）；Mxk、Myk為作用于承臺底面，繞通過樁群形心的 x、y 主軸的力矩（kN · m）；xi、yi、xj、yj為第 i、j根樁至y、x軸的距離（m）；n為樁總數(shù)（根）；Hk為作用于承臺底面的水平力（kN）；Hik為作用于第i樁基的水平力（kN）。

圖3 豎向承載力和豎向位移計算簡化圖（剔除短樁）

2.1 計算工況的選定

樁基在不同工況下均承受垂直水流向、順水流向的力和彎矩，為了計算出最大豎向荷載引起的最大軸力和豎向位移、最大水平荷載引起的最大水平力和樁頂位移，選擇完建工況（豎向力最大情況）和最大揚程排澇工況（水平力最大情況）分別進行分析計算。

完建工況：內河、外江無水，邊墻墻后為地下水位。

最不利擋水工況：內河常水位，外江校核水位，邊墻墻后為地下水位。

2.2 計算成果

表2為在圖3長樁布置方案完建工況和最不利擋水工況下，樁基受力情況。完建工況下長樁豎向承受最大軸力為4 966.0 kN，發(fā)生在順水流向最后一排，垂直水流向第一排位置，相應豎向沉降4.97 mm。

表2 高樁承臺簡化法計算成果表

按圖3布置長樁方案，在不增設短樁情況下，最不利擋水工況下單樁水平力488.0 kN，水平位移4.59 mm。因此，不增設短樁情況下單樁水平力和水平位移太大，不能滿足規(guī)范要求，考慮增設短樁以分擔水平力和減小水平位移。按圖2布置長短樁方案，最不利擋水工況下長樁和短樁共同承擔水平力，單樁水平力為272.0 kN，水平位移3.13 mm。

43.0 m長樁（端承樁）單樁豎向承載力為Ra長= 4 372.0 kN，單樁豎向承載力平均值為（4 966+3 171）/ 2 = 4 068.5 kN＜Ra長，單樁最大豎向承載力為4 966.0 kN＜1.2Ra長，樁端水平位移小于5.00 mm，滿足規(guī)范要求，樁基布置較為合理。

3 M法有限元法

圖4 M法樁基承臺有限元模型圖

高樁承臺簡化法對樁基布置進行了一些簡化處理，未考慮到短樁承受豎向承載力、承臺承受部分水平承載力的實際情況。本文采用ANSYS中BEAM189單元模擬全部長短樁和承臺，樁土間的作用以彈簧COMBIN14單元來模擬，地基土柱側面地基系數(shù)隨深度成正比增長。短樁樁底采用豎向彈簧約束，長樁樁底采用全部自由度約束。

式中：b1為樁的計算寬度（m）；m為比例系數(shù)，取m = 10 000 kN/m4；λ為節(jié)段長度（m）；zi為自地面至第i集中彈簧的距離（m）；ω0為集中彈簧在其一側λ/2長度內的地基系數(shù)分布圖面積（kN /m2）。

模型共有13 718個單元，308 884個節(jié)點，模型在各個彈簧底面設置約束。有限元模型見圖4，樁基剪力受力情況見圖5，承臺豎向變位情況見圖6，水平變位情況見圖7。

圖5 樁基剪力受力情況圖

圖6 樁基承臺豎向變位情況圖

圖7 樁基水平變位情況圖

表3 M法有限元法計算成果表

短樁和長樁的允許承載能力不一樣，如本工程43.0 m長樁（端承樁）單樁豎向承載力為Ra長= 4 372.0 kN，23.0 m短樁（摩擦樁，不考慮樁端承載力）單樁豎向承載力為Ra短= 1 539.0 kN。長樁單樁豎向承載力平均值為（4 130+2 470）/ 2 = 3 300.0 kN＜Ra長，長樁單樁最大豎向承載力為4 130.0 kN＜1.2Ra長；短樁單樁豎向承載力平均值為（1 600+817）/ 2 = 1 208.58 kN＜Ra短，短樁單樁最大豎向承載力為1 600.0 kN＜1.2Ra長。樁端水平位移小于5.00 mm，滿足規(guī)范要求，樁基布置較為合理。

4 結果對比分析

2種方法均基于長短樁共同控制水平承載力和水平位移，計算得出的水平向位移和水平基本一致，M法有限元法考慮承臺承擔部分水平力作用，因此單樁水平承載力結果值較小。

M法有限元法考慮了長短樁和承臺的實際模型、共同控制豎向力和豎向位移，因此單樁最大豎向承載力值較小，但更為接近實際，短樁和長樁的允許承載能力不一樣，需分別考慮長樁和短樁豎向承載能力是否滿足要求。

5 結 語

（1）在樁基布置時，在長樁滿足承載力和豎向沉降要求，但不滿足水平承載力和水平位移時，可增設短樁（摩擦樁）來分擔水平荷載和降低水平位移。相對于全長樁基礎而言，長短樁樁基礎不僅充分利用長樁控制豎向承載力、豎向沉降和短樁可分擔水平承載力和減小水平位移的能力，同時也減少長樁的數(shù)量，節(jié)約投資。

（2）長短樁樁基計算分析時也可采用高樁承臺簡化法忽略樁土之間的摩擦力、群樁效應等作用，長樁+短樁控制水平承載力和水平位移，長樁承擔豎向承載力和豎向沉降。

（3）M法有限元法在進行長短樁樁基分析時，充分考慮承臺和樁土的相互作用，計算結果也更為直觀地反映各樁的變形情況，長樁和短樁承受不同豎向力的事實情況。在長短樁計算分析中宜優(yōu)先采用M法有限元法進行分析。