浅谈PHC管桩在水库取水泵站挡土墙中的应用

孙国春

(喀左县水利局，辽宁 朝阳 122300)

1 工程概况

某水库工程位于沿海地区，水库建设用地为4.096km2，总设计面积3.74km2。此水库工程建筑等级为Ⅱ等，设计近期的供水规模为21.5km3/d,远期供水规模为40km3/d。输水泵站的面积为32m3/s，取水泵闸的闸门宽度设计为14m。在进行挡土墙建设时，根据本工程的地质特点采用薄壁式挡墙进行施工，薄壁式挡墙根据支撑方式的不同分为扶壁式挡土墙和悬臂式挡土墙两种。本工程的两种挡土墙尺寸如下:扶壁式挡土墙CR1高度×底板宽=10.6m×10m，悬臂式挡土墙CR2高度×底板宽=6.8m×6m。

2 工程地质条件参数

采用专业的地质探测仪器对此工程的地质情况进行勘测，经过分析后此水坝工程的挡土墙设计所需要的地质层力学参数建议数值如表1所示。

表1 地质层力学参数建议数值

3 基础处理设计

3.1 PHC管桩基础布置

CR1和CR2挡土墙的基底建立在②3-1粉砂土层，其承载力特征值为118kPa。根据计算可得挡土墙基底地基承载力特征值在118kPa到160kPa之间，大于地基承载力特征值，达不到设计要求，所以要运用技术方法来调整地基承载力。挡土墙在进行回填工程时，挡土墙的墙背要承受来自回填沙砾的水平作用力，通过前期的物理分析计算可以确定挡土墙的抗滑稳定安全系数为1.32，小于安全系数的规定值2.0-3.25，所以靠采取抗滑措施来进行调整。

从上文的工程概述可知，此水利工程位于沿海地区，在进行取水泵站挡土墙建设时，挡土墙的基底建立在地基的软弱土层上，施工时难度较大，且施工费用较高[1]。所以在具体施工时，提出了多种挡土墙建设的设计方案，并对这些方案进行比较，结果如下:

根据上游取水泵闸的设计要求，施工时需要的钢筋混凝土板桩利用上部荷载压入地下操作，但是由于此工程所处的沿海地区地质条件特殊，上述的操作非常困难；水泥土搅拌桩采用深层搅拌法，在施工建设时对设备要求不高，能够节省工程造价，但是施工质量难以控制，在施工时可能达不到设计要求；高压喷射注浆法适合一些较薄弱的地基，对这些地基能够起到加固的作用，但是如果地质环境中土壤湿度较大，容易腐蚀管桩影响其质量；钻孔灌注桩采用全套管施工法，在施工时对工程质量要求高，操作流程复杂且不好控制，施工时间较长；PHC管桩桩身质量较高，施工时吊装操作简单，桩身有很高的强度能够适应各种环境，承载设计值比很多的桩柱要高，工程造价相对比较低[2]。

经过上述分析比较可以看出，PHC管桩整体性能较好，在沿海地区的地质环境也比较适合，工程造价偏低，所以经过综合考虑之后本工程在挡土墙施工时决定采用PHC管桩，为了达到设计要求混凝土强度采用最高等级C80，PHC管桩的外径和管壁尺寸分别为80cm和11cm。挡土墙在进行回填工程时，挡土墙PHC管桩要承受来自回填沙砾的水平和垂直荷载。

在进行具体施工时，对CR1和CR2挡土墙进行如下布置：CR1扶壁式挡土墙，在挡土墙基底位置布置长为38m，每排共4根间隔保持在2.8m的PHC管桩；PHC管桩桩尖在绝对高程为-50.0m⑤2-2砂质夹粉质黏土的地质层中。CR2悬臂式挡土墙，在挡土墙基底位置布置长为35m，每排共2根间隔保持在3.0m的PHC管桩；PHC管桩桩尖在绝对高程为-36.8m⑤2-2砂质夹粉质黏土的地质层中[3]。

3.2 桩基单桩允许承载力计算分析

3.2.1 单桩垂直承载力特征值值计算

单个PHC管桩垂直承载力计算根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)规范作为指导进行单桩垂直承载力计算：

(1)

式中，Up代表PHC管桩桩身横截面的周长，m；Ap代表PHC管桩桩端横截面的面积，m2；li代表地质土层i的土厚度，m；γp代表PHC管桩桩端阻力的分项系数；Rpk代表PHC管桩桩端极限阻力标准值，kN；Rsk代表PHC管桩桩侧总极限摩阻力标准值，kN；γs代表PHC管桩总侧摩阻力的分项系数；fsi代表PHC管桩桩侧地质土层i的极限摩阻力标准值，kPa；fp代表PHC管桩桩端土层极限端阻力标准值，kPa。

从上述公式计算分析得到，长分别为38m、35m，外径为80cm管壁厚度为11cm的PHC管桩，垂直单桩承载力特征值分别为2375kN、2100kN。

3.2.2 单桩水平承载力特征值计算

挡土墙在进行回填工程时，挡土墙PHC管桩要承受来自回填沙砾的水平作用力，所以要确定单桩水平承载力特征值的大小，计算以《JGJ94-2008建筑桩基技术规范》为依据，由于此水利工程没有单桩水平静载试验的数据资料，所以按照下列公式计算单桩水平承载力特征值：

(2)

式中：X0a代表PHC管桩桩顶可以允许的水平位移；vx代表PHC管桩桩顶水平位移系数；EI代表PHC管桩桩身抗弯刚度,钢筋混凝土桩EI取值为0.85EcI0；

通过上述公式计算可以得出，外径为80cm管壁厚度为11cm的PHC管桩正常运行时、地震时的水平单桩承载力特征值分别为276kN、347kN,允许弯矩为567kN·m。从上文规范确定PHC管桩桩顶的水平位移最大不能超过1cm[4]。

3.2.3 PHC管桩计算结果与分析

CR1和CR2挡土墙建成后完建期和地震时水位情况如下：CR1和CR2挡土墙完建期墙前均没有水，墙后水深为2.44m；CR1挡土墙在正常运行时、地震时墙前水位分别为1m，3.2m，墙后水位分别为2m、4.2m。CR2挡土墙在正常运行时、地震时墙前水位分别为-0.14m、2.46m，墙后水位分别为1.15m、3.46m[5]。

CR1和CR2挡土墙的桩基计算数据如表2和表3所示。通过对表2、表3得出的数据进行分析后得出结论：运用PHC管桩建设的挡土墙在正常运行时和遇到地震时的数据参数均满足设计要求。

表2 CR1挡土墙桩基计算数据

表3 CR2挡土墙桩基计算数据

由于此工程位于沿海地带，工程所处地质环境的地下水位比较高，在施工开挖时补水也非常迅速，所以在进行挡土墙回填时采取墙前先不放水操作，墙后降低2.5m的填土高度再进行放水后将墙后土填到顶的操作。墙后降低2.5m填土高度后完建期的计算数据如表4所示，通过对数据分析可以确定下表数据均满足设计要求。

表4 完建期墙后降低填土高度2.5m时桩基计算数据

4 结 语

文章以某沿海地区水利工程为实例，对多种挡土墙建设的设计方案进行分析比较，然后经过综合考虑后确定此工程在挡土墙施工时采用PHC管桩进行建设，并通过单桩垂直承载力特征值和水平承载力特征值的数据计算和一系列的数据分析之后得出结论，PHC管桩在水库取水泵站挡土墙工程中应用良好，在符合设计标准的情况下也节约了成本。