地下工程樁基礎水平承載力設計研究

1、地下工程樁基礎水平承載力設計研宄姚根圣上海市隧道工程軌道交通設計研宄院摘要：地下工程基礎埋深對樁基礎水平承載力有著重要影響，特別是當水平承載力起 控制作用時，應確保基礎具有足夠的埋置深度。介紹了軌道交通車輛段停車場帶 上蓋建筑開發(fā)項目樁基礎水平承載力的設計方法;對基樁水平承載力的影響因素 進行參數化分析，得出樁頂約束情況是最主要的影響因素;分析了高承臺樁基與 低承臺樁基在水平荷載下整體樁基礎承載力、基樁內力與變形的狀況。關鍵詞：基礎埋深;樁基礎;水平承載力;樁頂固接;群樁效應綜合系數;基樁內力;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、 段及停車場帶上蓋建筑開發(fā)的項目越來越多。為了從空間使用上區(qū)分蓋下車場與 蓋上開發(fā)建筑，一般蓋下不設罝地下室。在上蓋建筑高度越來越高的竹景下，樁 基礎抵抗水平力成為工程設計的關鍵。為確保整體基礎的安全性，設計時除了加 大基礎承臺埋置深度、提高承臺剛度、加強基礎的整體性外，樁基礎水平承載力 驗算也就成為設計的重點。1樁基礎水平承載力參數化分析樁基礎水平承載力驗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考慮樁周土、樁身強度及建筑類型等因素。建 筑樁基技術規(guī)范(jgj 94-2008)(下稱技術規(guī)范)對基樁水平承載力特 征值(fha)給出了兩個計算公式:一個是

6、樁身配筋率小于0.65%的灌注樁按樁身 強度控制的水平承載力；另一個是樁身配筋率不小于0. 65%的灌注樁、鋼筋混凝 土預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ei一為樁身抗彎剛度；l一一樁頂水平位移系數；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，按位 移控制樁基水平承載力計算結果通常會比按樁身強度控制的計算結果大一些。工 程實踐中，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、驗時樁頂水平位移為10 mm 所對應的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。以灌注柱為對象，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，就上述影響因素對基樁水 平承載力的貢獻大小情況作一個分析歸納。樁頂鉸接或固接時基樁水平承載力隨 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，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基樁水平承載力的比值約為2. 6。相對 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樁頂鉸接時基樁水平承載力隨樁徑變化下載原圖圖2樁頂固接時基樁水平承載力隨樁徑變化下載原圖2不考慮承臺側面土體抗力效應情況下群樁基礎的基樁水平承載力2.1群樁效應綜合系數實際工程中，水平力控制下的柱下樁數通常都在2個或2個以上，形成了整體的 群樁基礎。由于承臺剛度比較人，群樁基礎在水平力作用下的樁基內力情況和單 樁有很大的差別。多份研宂資料表明，群樁棊礎在水平力作用不，樁頂位移遠

9、小 于單樁。根據實測的樁頂轉角以及樁頂彎矩發(fā)現基樁與承臺之間表現出一定程度 的固接效應。技術規(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（nj ,另一類為由于群樁基礎下基樁與承臺之間的嵌固 效應（心）。樁基規(guī)范根據23組雙樁和25組群樁試驗結果形成了群樁的綜合 效應系數（ru）。在不考慮承臺側面土體抗力效應及承臺底摩阻效應的前提不, 考慮群樁效應綜合系數的基樁水平承載力（fj可按式（2）計算：圖3樁頂鉸接時基樁水平承載力隨m值變化 下載原圖圖4樁頂固接時基樁水平承載力隨m值變化 下載原圖圖5樁頂固接與鉸接時基樁水平承載力之比下載原圖式中：nh一群樁的綜合效應系數；n,

10、- 一一樁與樁之間和互影響效應系數；nr 一一基樁與承臺之間的嵌固效疲系數。通常情況下，建筑樁基樁頂嵌入承臺的深度為5(tl00inin,樁頂實際約束狀態(tài)介 于鉸接與固接之間，偏固接;棊于此，樁棊規(guī)范根據試驗結果得出樁頂約束效應 系數表格。實際工程中，樁都有一定的入土深度(uh>4),此吋樁頂約束效應 系數約為2。由此可見，基樁頂伸入承臺的深度為5(tl00mm時，群樁基礎下樁 頂約束效應系數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的主要因素有:沿著水平荷載方向每排樁數、垂直于水平 荷載方向每排樁數、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，群樁效應綜合系數明顯增大;在基樁距徑比和沿水平荷載方向樁數一定 的情況下，垂直荷載方向的樁數越多，群樁效應綜合系數越小；同樣，在基樁距 徑比和垂直水平荷載方向樁數一定的情況下，沿水平荷載方向的基樁越多，群 樁效應綜合系數越小。由此可見，承臺下樁數越多對基樁水平承載力越不利。圖6群樁效應綜合系數隨基樁的距徑比變化下載原圖根據上述分析結果，在3倍距徑比前提下，4樁12樁的群樁基礎下群樁效應綜 合系數分布在1. 451. 26;當樁的距徑比提高為3. 5時，4樁、2樁的群樁基礎下 群樁效應綜合系數分布在1.561.36;當樁的距徑比達到4時，4樁12樁的群樁 基礎下群樁效應綜合系數分布

12、在1. 661. 45。上述3種情況下群樁效應綜合系數 在樁數少時取大值，樁數多時取小值。實際工程中通常樁距徑比為3,在考慮群 樁效應后，樁基水平承載力可提高25%45%。此外，如局部承臺下樁的水平剪力 過大，采用增大基樁距徑比增加樁數更為高效ii經濟合理。2.2群樁基礎下基樁頂固接條件分析值得注意的是，技術規(guī)范中對考慮群樁綜合效應放大系數有兩個基本前提： 一是沿水平力方向必須是2樁或2樁以上；另一個是作用于承臺頂面的彎矩不能太大。對于第一個條件，實際工程均能滿足;對于第二個條件，則需根據實際工 程情況，作進一步分析論證。當承臺頂面彎矩較大吋，勢必會造成承臺發(fā)生較大轉角，承臺水平位移也相應 較

13、大，從而使得承臺對樁頂的約束效應減弱。特別是邊樁、角樁的樁頂會產生較 大轉角，即樁頂固接效應減弱很多，此時群樁效應綜合系數就不能有效發(fā)揮。為 此:一方面耍確保承臺有一定的剛度，即承臺高度、寬度要適當增加；同時，適當 增加承臺的埋深，依靠承臺側面的土體抵抗一部分柱下彎矩并限制承臺水平位 移;此外，需適當增加承臺與承臺之間的連系梁剛度，以分擔部分柱下彎矩并進 一步減小承臺轉角。另一方面，在計算上通過基樁與承臺交接面的受彎承載力驗 算來確?；鶚俄斉c承臺的剛性連接(見閣7)。圖7基樁頂與承臺連接下載原圖港u工程樁基規(guī)范(jts 167-42012)給出了相砬的計算方法，設計吋應 注意伸入承臺|aj的樁

14、身混凝土強度不得低于承臺混凝土強度。式中:m一樁頂彎矩設計值；v一一樁頂剪力設計值；d樁直徑；1一一樁深入承臺深度；a一承臺混凝土擠壓強度系數，取2. 7;fc一一承臺混凝土抗壓強度設計值。以樁身混凝土強度c35、樁徑1 000 nun灌注樁為例，在考慮3倍距徑比情況下， 假設樁棊水平承載力特征值為250 k n，當樁伸入承臺100 mm時，在確保樁頂 與承臺固接條件下樁頂可承擔的彎矩標準值為40 k n*m;而將樁仲入承臺長度 增加到350 mm時，樁頂可承擔彎矩標準值達到650 k n m，是前者的16倍。 設計時為提高基礎抵抗水平力能力通常有意將承臺做得高些，此時樁深入承臺 深度加大到3

15、50 mm也不會影響承臺承載力。綜上所述，為確保群樁效應的有效 發(fā)揮，當承臺頂面彎矩偏大時，除y增大承臺埋深及其剛度等措施以外，可將 樁基仲入承臺的深度加大，從受力上滿足基樁頂與承臺固接的連接效果。3水平荷載下群樁基礎的基樁內力及變形分析上海市地基基礎設計規(guī)范(dgj08112010)(下稱設計規(guī)范)規(guī)定樁 基礎水平承載力由承臺側面土體與基樁井同組成。小震工況下樁基礎水平承載力 驗算時，承臺側面土體抗力取為1/3被動土壓力；中震工況驗算時考慮到基礎水 平位移增大，推薦承臺側面土抗力取被動土壓力，基樁水平承載力特征值可不 考慮0. 75的折減系數;對于棊樁n力及變形計算未給出明確方法。設計規(guī)范

16、給出了水平荷載下樁基礎驗算的系統(tǒng)計算方法，包括基礎水平承載力驗算、樁基 正截面受彎及斜截面受剪承載力驗算，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心樁，其斜截面受剪承載力容易滿足設計要求。對比 兩本規(guī)范中樁基礎水平承載力驗算方法，小震工況下上海地基規(guī)范由于不考慮 群樁效應綜合系數，樁棊礎水平承載力計算結果偏小；屮震工況下上海地棊規(guī)范 對基樁水平承載力特征值可不考慮0. 75折減系數，相當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時的群樁效應綜合系數和當，此時計算的 樁基礎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項0為例，上蓋住宅區(qū)域-柱

17、下為6樁承臺，承 臺高度3 m、埋深5.5 m,樁徑1 000 mm、樁身混凝土強度等級c35,距徑比為 3;中震下柱底內力設計值見表1。根據設計規(guī)范附錄c，采用m法進行分析， 分為不考慮和考慮承臺側面土的彈性抗力兩種情況，分別計算承臺和基樁內力 及變形。根據附錄c基木假定，計算時應注意復核承臺側面土的總彈性抗力不超 過被動土壓力及樁頂與承臺的剛性連接條件。表1中震下柱底內力設計值 下載原表3.1高承臺樁基的基樁內力及變形分析高承臺樁基由于承臺比較高ii露出地面，承臺側面沒有土體發(fā)揮抗力作用，此 時柱下內力由承臺和棊樁共同承擔。圖8顯示了此時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，基樁最大彎矩設計值為866 k n-m,位于樁頂以下5.2 m處;樁身最大剪力設計值為517 k n,位于樁頂位罝; 承臺的水平位移為24. 5 mm，承臺轉角為0.23°。閣8不考慮承臺側面土體時基樁內力分布下載原閣計算結果表明，不考慮承臺側面土體抗力效應時樁頂水平位移、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350 mm時才能滿 足樁頂固接條件。此時0. 7%的樁基縱筋配筋率可滿足受彎承載力的設計需要。 通過調整樁身彎矩和樁頂壓力大小進行試算，結果表明，在樁棊頂不出現拉力 的前提下，0. 65%1. 3%范圍內的樁基縱筋配筋

19、率能滿足絕大數情況正截面受彎承載力的需要（壓力大時取小值，壓力小時取大值）。由于樁身剪力過大，考慮 群樁效應綜合系數（k.3）后，樁基水平承載力仍不能滿足設計需要。圖9考慮承臺側面土體時基樁a力分布下載原圖3.2低承臺樁基的基樁內力及變形分析由于承臺有一定的埋深，低承臺樁基在水平荷載作用下，承臺側面土體發(fā)揮一 定的抗力作用，此時柱下內力由承臺側面土體、承臺以及基樁共同承擔。圖9 顯示了此時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,基樁的最大彎矩設計值為682 k n m,位于樁頂以卜'3. 9 m處;樁身最大 剪力設計值為342 k n，位于樁頂位置;承

20、臺的水平位移為13. 5 mm，承臺轉角為 0. 17°。計算結果表明，考慮承臺側面土體彈性抗力后樁頂水平位移較不考慮承臺側面 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%，承臺轉 角也減小丫 26%。由于樁頂彎矩、剪力相對于高承臺樁基情況均較小，樁基伸入 承臺150mm吋滿足樁頂同接條件。由此可見，考慮承臺側面土體抗力效應后，樁 頂位移和樁身最大剪力均有較大幅度減小，考慮群樁效應綜合系數（ik=1.3） 后，基樁水平承載力滿足設計要求，并有約12%的富余量;與高承臺樁基相比，此時樁基正截面受彎和斜截面受剪承載力更容易滿足設計需要。通過對上述兩種情況的分析對比可知，棊礎埋深對樁基礎水平承載力影響甚遠， 特別是當水平承載力起控制作用時，應確?；A具有足夠的埋置深度；同時，需 注意上述分析結論成立的前提是水平荷載作用下承臺側ih填土能發(fā)揮應有的作 用。因此，在基礎設計時需在設計文件中重點強調承臺