地下工程樁基礎(chǔ)水平承載力設(shè)計(jì)研究

1、地下工程樁基礎(chǔ)水平承載力設(shè)計(jì)研宄姚根圣上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研宄院摘要：地下工程基礎(chǔ)埋深對(duì)樁基礎(chǔ)水平承載力有著重要影響，特別是當(dāng)水平承載力起 控制作用時(shí)，應(yīng)確?；A(chǔ)具有足夠的埋置深度。介紹了軌道交通車輛段停車場(chǎng)帶 上蓋建筑開發(fā)項(xiàng)目樁基礎(chǔ)水平承載力的設(shè)計(jì)方法;對(duì)基樁水平承載力的影響因素 進(jìn)行參數(shù)化分析，得出樁頂約束情況是最主要的影響因素;分析了高承臺(tái)樁基與 低承臺(tái)樁基在水平荷載下整體樁基礎(chǔ)承載力、基樁內(nèi)力與變形的狀況。關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)埋深;樁基礎(chǔ);水平承載力;樁頂固接;群樁效應(yīng)綜合系數(shù);基樁內(nèi)力;收稿日期：2017-04-07study on horizontal bearing capacit

2、y of pile foundation in underground engineeringyao genshengabstract：the foundation depth of underground engineering has a far-reaching impact on the horizontal bearing capacity of pile foundation. when the horizontal bearing capacity plays a controlling role, it is necessary to ensure that the found

3、ation has enough depth. the paper introduces the calculation method of horizontal bearing capacity of pile foundation of business development project above the rail transit depot. the parametric analysis is made on the factors influencing the horizontal bearing capacity of pile foundation and comes

4、up to the conclusion that the pile head constraint condition is the major factor. the pile foundations bearing capacity,internal force and deformation under horizontal loading are analyzed for pile foundations with high and low bearing platforms.received： 2017-04-07近年來，為充分利用城市屮有限的土地資源和提高土地利用率，軌道交通車輛

5、 段及停車場(chǎng)帶上蓋建筑開發(fā)的項(xiàng)目越來越多。為了從空間使用上區(qū)分蓋下車場(chǎng)與 蓋上開發(fā)建筑，一般蓋下不設(shè)罝地下室。在上蓋建筑高度越來越高的竹景下，樁 基礎(chǔ)抵抗水平力成為工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為確保整體基礎(chǔ)的安全性，設(shè)計(jì)時(shí)除了加 大基礎(chǔ)承臺(tái)埋置深度、提高承臺(tái)剛度、加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性外，樁基礎(chǔ)水平承載力 驗(yàn)算也就成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。1樁基礎(chǔ)水平承載力參數(shù)化分析樁基礎(chǔ)水平承載力驗(yàn)算主耍包括基樁水平承載力、樁身受彎承載力及受剪承載 力。其中基樁水平承載力需要同時(shí)考慮樁周土、樁身強(qiáng)度及建筑類型等因素。建 筑樁基技術(shù)規(guī)范(jgj 94-2008)(下稱技術(shù)規(guī)范)對(duì)基樁水平承載力特 征值(fha)給出了兩個(gè)計(jì)算公式:一個(gè)是

6、樁身配筋率小于0.65%的灌注樁按樁身 強(qiáng)度控制的水平承載力；另一個(gè)是樁身配筋率不小于0. 65%的灌注樁、鋼筋混凝 土預(yù)制樁及鋼樁按水平位移控制的水平承載力：式中：ci 一一樁的水平變形系數(shù)ei一為樁身抗彎剛度；l一一樁頂水平位移系數(shù)；xoa樁頂允許水平位移。相同條件下，在不考慮樁頂豎向壓力有利作用以及豎向拉力不利作用時(shí)，按位 移控制樁基水平承載力計(jì)算結(jié)果通常會(huì)比按樁身強(qiáng)度控制的計(jì)算結(jié)果大一些。工 程實(shí)踐中，為提高樁基的水平承載力，一般控制樁身配筋率大于0. 65%。根據(jù)式 (1)，影響樁基水平承載力的主要因素有:樁徑、土體水平抗力系數(shù)m值、樁頂 約束情況和樁頂水平位移。一般情況下，取靜載試

7、驗(yàn)時(shí)樁頂水平位移為10 mm 所對(duì)應(yīng)的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。以灌注柱為對(duì)象，選取工程中常 見的樁徑以及上海地區(qū)淺層土常見的m值作為樣本，就上述影響因素對(duì)基樁水 平承載力的貢獻(xiàn)大小情況作一個(gè)分析歸納。樁頂鉸接或固接時(shí)基樁水平承載力隨 樁徑及m值的變化如圖圖4所示。圖1、圖2反映出，無論是樁頂鉸接還是樁頂固接，樁基水平承載力隨著樁徑變 化圖有一定程度的上翹效應(yīng)，即樁徑越大，樁基水平承載力增加的幅度越大；圖 3、圖4反映出，小直徑樁基水平承載力對(duì)m值的敏感程度沒冇人直徑樁基顯著, 即大直徑樁棊的水平承載力隨m值增加幅度較小直徑棊樁要大。由此可見，從水 平承載力角度考慮，宜優(yōu)先選大直徑樁

8、。樁頂固接或鉸接時(shí)基樁水平承載力有很大差別，見圖5。由圖5可知，各種樁徑、 不同m值情況下，樁頂固接與樁頂鉸接時(shí)基樁水平承載力的比值約為2. 6。相對(duì) 于增加樁徑和m值，樁頂固接后的基樁水平承載力的增加幅度最為明顯。圖1樁頂鉸接時(shí)基樁水平承載力隨樁徑變化下載原圖圖2樁頂固接時(shí)基樁水平承載力隨樁徑變化下載原圖2不考慮承臺(tái)側(cè)面土體抗力效應(yīng)情況下群樁基礎(chǔ)的基樁水平承載力2.1群樁效應(yīng)綜合系數(shù)實(shí)際工程中，水平力控制下的柱下樁數(shù)通常都在2個(gè)或2個(gè)以上，形成了整體的 群樁基礎(chǔ)。由于承臺(tái)剛度比較人，群樁基礎(chǔ)在水平力作用下的樁基內(nèi)力情況和單 樁有很大的差別。多份研宂資料表明，群樁棊礎(chǔ)在水平力作用不，樁頂位移遠(yuǎn)

9、小 于單樁。根據(jù)實(shí)測(cè)的樁頂轉(zhuǎn)角以及樁頂彎矩發(fā)現(xiàn)基樁與承臺(tái)之間表現(xiàn)出一定程度 的固接效應(yīng)。技術(shù)規(guī)范中將影響群樁水平承載性狀分為兩類:一類為樁與樁 之間的相互影響效應(yīng)（nj ,另一類為由于群樁基礎(chǔ)下基樁與承臺(tái)之間的嵌固 效應(yīng)（心）。樁基規(guī)范根據(jù)23組雙樁和25組群樁試驗(yàn)結(jié)果形成了群樁的綜合 效應(yīng)系數(shù)（ru）。在不考慮承臺(tái)側(cè)面土體抗力效應(yīng)及承臺(tái)底摩阻效應(yīng)的前提不, 考慮群樁效應(yīng)綜合系數(shù)的基樁水平承載力（fj可按式（2）計(jì)算：圖3樁頂鉸接時(shí)基樁水平承載力隨m值變化 下載原圖圖4樁頂固接時(shí)基樁水平承載力隨m值變化 下載原圖圖5樁頂固接與鉸接時(shí)基樁水平承載力之比下載原圖式中：nh一群樁的綜合效應(yīng)系數(shù)；n,

10、- 一一樁與樁之間和互影響效應(yīng)系數(shù)；nr 一一基樁與承臺(tái)之間的嵌固效疲系數(shù)。通常情況下，建筑樁基樁頂嵌入承臺(tái)的深度為5(tl00inin,樁頂實(shí)際約束狀態(tài)介 于鉸接與固接之間，偏固接;棊于此，樁棊規(guī)范根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出樁頂約束效應(yīng) 系數(shù)表格。實(shí)際工程中，樁都有一定的入土深度(uh>4),此吋樁頂約束效應(yīng) 系數(shù)約為2。由此可見，基樁頂伸入承臺(tái)的深度為5(tl00mm時(shí)，群樁基礎(chǔ)下樁 頂約束效應(yīng)系數(shù)為單樁樁頂鉸接吋的2倍，約為單樁樁頂完全固接吋的0.75倍。影響樁的相互影響效應(yīng)的主要因素有:沿著水平荷載方向每排樁數(shù)、垂直于水平 荷載方向每排樁數(shù)、沿水平荷載方向基樁距徑比。由圖6可知，隨著樁基距

11、徑比 的增大，群樁效應(yīng)綜合系數(shù)明顯增大;在基樁距徑比和沿水平荷載方向樁數(shù)一定 的情況下，垂直荷載方向的樁數(shù)越多，群樁效應(yīng)綜合系數(shù)越??；同樣，在基樁距 徑比和垂直水平荷載方向樁數(shù)一定的情況下，沿水平荷載方向的基樁越多，群 樁效應(yīng)綜合系數(shù)越小。由此可見，承臺(tái)下樁數(shù)越多對(duì)基樁水平承載力越不利。圖6群樁效應(yīng)綜合系數(shù)隨基樁的距徑比變化下載原圖根據(jù)上述分析結(jié)果，在3倍距徑比前提下，4樁12樁的群樁基礎(chǔ)下群樁效應(yīng)綜 合系數(shù)分布在1. 451. 26;當(dāng)樁的距徑比提高為3. 5時(shí)，4樁、2樁的群樁基礎(chǔ)下 群樁效應(yīng)綜合系數(shù)分布在1.561.36;當(dāng)樁的距徑比達(dá)到4時(shí)，4樁12樁的群樁 基礎(chǔ)下群樁效應(yīng)綜合系數(shù)分布

12、在1. 661. 45。上述3種情況下群樁效應(yīng)綜合系數(shù) 在樁數(shù)少時(shí)取大值，樁數(shù)多時(shí)取小值。實(shí)際工程中通常樁距徑比為3,在考慮群 樁效應(yīng)后，樁基水平承載力可提高25%45%。此外，如局部承臺(tái)下樁的水平剪力 過大，采用增大基樁距徑比增加樁數(shù)更為高效ii經(jīng)濟(jì)合理。2.2群樁基礎(chǔ)下基樁頂固接條件分析值得注意的是，技術(shù)規(guī)范中對(duì)考慮群樁綜合效應(yīng)放大系數(shù)有兩個(gè)基本前提： 一是沿水平力方向必須是2樁或2樁以上；另一個(gè)是作用于承臺(tái)頂面的彎矩不能太大。對(duì)于第一個(gè)條件，實(shí)際工程均能滿足;對(duì)于第二個(gè)條件，則需根據(jù)實(shí)際工 程情況，作進(jìn)一步分析論證。當(dāng)承臺(tái)頂面彎矩較大吋，勢(shì)必會(huì)造成承臺(tái)發(fā)生較大轉(zhuǎn)角，承臺(tái)水平位移也相應(yīng) 較

13、大，從而使得承臺(tái)對(duì)樁頂?shù)募s束效應(yīng)減弱。特別是邊樁、角樁的樁頂會(huì)產(chǎn)生較 大轉(zhuǎn)角，即樁頂固接效應(yīng)減弱很多，此時(shí)群樁效應(yīng)綜合系數(shù)就不能有效發(fā)揮。為 此:一方面耍確保承臺(tái)有一定的剛度，即承臺(tái)高度、寬度要適當(dāng)增加；同時(shí)，適當(dāng) 增加承臺(tái)的埋深，依靠承臺(tái)側(cè)面的土體抵抗一部分柱下彎矩并限制承臺(tái)水平位 移;此外，需適當(dāng)增加承臺(tái)與承臺(tái)之間的連系梁剛度，以分擔(dān)部分柱下彎矩并進(jìn) 一步減小承臺(tái)轉(zhuǎn)角。另一方面，在計(jì)算上通過基樁與承臺(tái)交接面的受彎承載力驗(yàn) 算來確?；鶚俄斉c承臺(tái)的剛性連接(見閣7)。圖7基樁頂與承臺(tái)連接下載原圖港u工程樁基規(guī)范(jts 167-42012)給出了相砬的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)吋應(yīng) 注意伸入承臺(tái)|aj的樁

14、身混凝土強(qiáng)度不得低于承臺(tái)混凝土強(qiáng)度。式中:m一樁頂彎矩設(shè)計(jì)值；v一一樁頂剪力設(shè)計(jì)值；d樁直徑；1一一樁深入承臺(tái)深度；a一承臺(tái)混凝土擠壓強(qiáng)度系數(shù)，取2. 7;fc一一承臺(tái)混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。以樁身混凝土強(qiáng)度c35、樁徑1 000 nun灌注樁為例，在考慮3倍距徑比情況下， 假設(shè)樁棊水平承載力特征值為250 k n，當(dāng)樁伸入承臺(tái)100 mm時(shí)，在確保樁頂 與承臺(tái)固接條件下樁頂可承擔(dān)的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為40 k n*m;而將樁仲入承臺(tái)長度 增加到350 mm時(shí)，樁頂可承擔(dān)彎矩標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到650 k n m，是前者的16倍。 設(shè)計(jì)時(shí)為提高基礎(chǔ)抵抗水平力能力通常有意將承臺(tái)做得高些，此時(shí)樁深入承臺(tái) 深度加大到3

15、50 mm也不會(huì)影響承臺(tái)承載力。綜上所述，為確保群樁效應(yīng)的有效 發(fā)揮，當(dāng)承臺(tái)頂面彎矩偏大時(shí)，除y增大承臺(tái)埋深及其剛度等措施以外，可將 樁基仲入承臺(tái)的深度加大，從受力上滿足基樁頂與承臺(tái)固接的連接效果。3水平荷載下群樁基礎(chǔ)的基樁內(nèi)力及變形分析上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(dgj08112010)(下稱設(shè)計(jì)規(guī)范)規(guī)定樁 基礎(chǔ)水平承載力由承臺(tái)側(cè)面土體與基樁井同組成。小震工況下樁基礎(chǔ)水平承載力 驗(yàn)算時(shí)，承臺(tái)側(cè)面土體抗力取為1/3被動(dòng)土壓力；中震工況驗(yàn)算時(shí)考慮到基礎(chǔ)水 平位移增大，推薦承臺(tái)側(cè)面土抗力取被動(dòng)土壓力，基樁水平承載力特征值可不 考慮0. 75的折減系數(shù);對(duì)于棊樁n力及變形計(jì)算未給出明確方法。設(shè)計(jì)規(guī)范

16、給出了水平荷載下樁基礎(chǔ)驗(yàn)算的系統(tǒng)計(jì)算方法，包括基礎(chǔ)水平承載力驗(yàn)算、樁基 正截面受彎及斜截面受剪承載力驗(yàn)算，但未區(qū)分小震和中震工況。一般來說，承 受水平荷載的樁基均釆用實(shí)心樁，其斜截面受剪承載力容易滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)比 兩本規(guī)范中樁基礎(chǔ)水平承載力驗(yàn)算方法，小震工況下上海地基規(guī)范由于不考慮 群樁效應(yīng)綜合系數(shù)，樁棊礎(chǔ)水平承載力計(jì)算結(jié)果偏??；屮震工況下上海地棊規(guī)范 對(duì)基樁水平承載力特征值可不考慮0. 75折減系數(shù)，相當(dāng)于基樁水平承載力放大 33%,與全w樁基規(guī)范中樁距徑比為3時(shí)的群樁效應(yīng)綜合系數(shù)和當(dāng)，此時(shí)計(jì)算的 樁基礎(chǔ)水平承載力與全國樁基規(guī)范基本一致。以上海軌道交通港城路停車場(chǎng)項(xiàng)0為例，上蓋住宅區(qū)域-柱

17、下為6樁承臺(tái)，承 臺(tái)高度3 m、埋深5.5 m,樁徑1 000 mm、樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)c35,距徑比為 3;中震下柱底內(nèi)力設(shè)計(jì)值見表1。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄c，采用m法進(jìn)行分析， 分為不考慮和考慮承臺(tái)側(cè)面土的彈性抗力兩種情況，分別計(jì)算承臺(tái)和基樁內(nèi)力 及變形。根據(jù)附錄c基木假定，計(jì)算時(shí)應(yīng)注意復(fù)核承臺(tái)側(cè)面土的總彈性抗力不超 過被動(dòng)土壓力及樁頂與承臺(tái)的剛性連接條件。表1中震下柱底內(nèi)力設(shè)計(jì)值 下載原表3.1高承臺(tái)樁基的基樁內(nèi)力及變形分析高承臺(tái)樁基由于承臺(tái)比較高ii露出地面，承臺(tái)側(cè)面沒有土體發(fā)揮抗力作用，此 時(shí)柱下內(nèi)力由承臺(tái)和棊樁共同承擔(dān)。圖8顯示了此時(shí)樁身彎矩和樁身剪力沿樁長 分布情況。由閣8可知，樁頂

18、彎矩為640 k n m，基樁最大彎矩設(shè)計(jì)值為866 k n-m,位于樁頂以下5.2 m處;樁身最大剪力設(shè)計(jì)值為517 k n,位于樁頂位罝; 承臺(tái)的水平位移為24. 5 mm，承臺(tái)轉(zhuǎn)角為0.23°。閣8不考慮承臺(tái)側(cè)面土體時(shí)基樁內(nèi)力分布下載原閣計(jì)算結(jié)果表明，不考慮承臺(tái)側(cè)面土體抗力效應(yīng)時(shí)樁頂水平位移、樁身最大彎矩和 最大剪力均較大。由于樁頂彎矩、剪力均較大，樁基伸入承臺(tái)350 mm時(shí)才能滿 足樁頂固接條件。此時(shí)0. 7%的樁基縱筋配筋率可滿足受彎承載力的設(shè)計(jì)需要。 通過調(diào)整樁身彎矩和樁頂壓力大小進(jìn)行試算，結(jié)果表明，在樁棊頂不出現(xiàn)拉力 的前提下，0. 65%1. 3%范圍內(nèi)的樁基縱筋配筋

19、率能滿足絕大數(shù)情況正截面受彎承載力的需要（壓力大時(shí)取小值，壓力小時(shí)取大值）。由于樁身剪力過大，考慮 群樁效應(yīng)綜合系數(shù)（k.3）后，樁基水平承載力仍不能滿足設(shè)計(jì)需要。圖9考慮承臺(tái)側(cè)面土體時(shí)基樁a力分布下載原圖3.2低承臺(tái)樁基的基樁內(nèi)力及變形分析由于承臺(tái)有一定的埋深，低承臺(tái)樁基在水平荷載作用下，承臺(tái)側(cè)面土體發(fā)揮一 定的抗力作用，此時(shí)柱下內(nèi)力由承臺(tái)側(cè)面土體、承臺(tái)以及基樁共同承擔(dān)。圖9 顯示了此時(shí)樁身彎矩和樁身剪力沿樁長分布情況。由圖9可知，樁頂彎矩為89 k n m,基樁的最大彎矩設(shè)計(jì)值為682 k n m,位于樁頂以卜'3. 9 m處;樁身最大 剪力設(shè)計(jì)值為342 k n，位于樁頂位置;承

20、臺(tái)的水平位移為13. 5 mm，承臺(tái)轉(zhuǎn)角為 0. 17°。計(jì)算結(jié)果表明，考慮承臺(tái)側(cè)面土體彈性抗力后樁頂水平位移較不考慮承臺(tái)側(cè)面 土體情況減小了 45%，樁身最大彎矩減小21%，樁身最大剪力減小34%，承臺(tái)轉(zhuǎn) 角也減小丫 26%。由于樁頂彎矩、剪力相對(duì)于高承臺(tái)樁基情況均較小，樁基伸入 承臺(tái)150mm吋滿足樁頂同接條件。由此可見，考慮承臺(tái)側(cè)面土體抗力效應(yīng)后，樁 頂位移和樁身最大剪力均有較大幅度減小，考慮群樁效應(yīng)綜合系數(shù)（ik=1.3） 后，基樁水平承載力滿足設(shè)計(jì)要求，并有約12%的富余量;與高承臺(tái)樁基相比，此時(shí)樁基正截面受彎和斜截面受剪承載力更容易滿足設(shè)計(jì)需要。通過對(duì)上述兩種情況的分析對(duì)比可知，棊礎(chǔ)埋深對(duì)樁基礎(chǔ)水平承載力影響甚遠(yuǎn)， 特別是當(dāng)水平承載力起控制作用時(shí)，應(yīng)確?；A(chǔ)具有足夠的埋置深度；同時(shí)，需 注意上述分析結(jié)論成立的前提是水平荷載作用下承臺(tái)側(cè)ih填土能發(fā)揮應(yīng)有的作 用。因此，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需在設(shè)計(jì)文件中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)承臺(tái)