较大水平荷载桩基在储煤棚设计中的应用

王董平，赵成光

(山西国辰建设工程勘察设计有限公司，山西 阳泉 045000)

1 工程概况

阳煤集团一矿选煤厂北封闭储煤棚依山而建，东西方向最大高差约25m，采用钢筋混凝土排架结构，屋顶为三心圆柱面网壳结构，轴线尺寸142m×132m，跨度方向142m，建筑高度为64.569m，建筑面积18973m2，最大储煤量20万t。现场回填土较厚，平均厚度为7～9m，排架柱间距6～12m，基础采用嵌岩灌注桩，四桩承台，桩径1.2m，为减少工程造价，挡煤墙不设基础，按深梁设计，两侧支承于排架柱及承台，墙高5～8m，沿墙高方向均考虑堆煤荷载，再加上网壳水平推力，桩基承台承受的最大水平荷载达到3200kN。

2 承受水平荷载基桩的计算方法

目前，关于受较大水平荷载作用的灌注桩基计算及设计尚不成熟，单桩水平承载力特征值主要停留在单桩水平静载试验确定和经验估算两种方法，在《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中都有详细规定。

2.1 单桩水平承载力试验法

当灌注桩的桩身配筋率大于等于0.65%时，单桩水平承载力由位移控制，可根据静载试验结果取地面处水平位移为10mm(对于水平位移敏感的建筑物取水平位移6mm)所对应的荷载的75%为单桩水平承载力特征值。

当灌注桩的桩身配筋率小于0.65%时，单桩水平承载力由桩身强度控制，可取单桩水平静载试验的临界荷载的75%作为单桩水平承载力特征值。

2.2 经验估算法

当灌注桩的桩身配筋率小于0.65%时，单桩水平承载力特征值由桩身强度控制，可以根据式(1)估算：

当灌注桩的桩身配筋率不小于0.65%时，单桩水平承载力特征值由水平位移控制，可以根据式(2)估算：

当采用群桩基础时，灌注桩的水平承载力特征值应考虑承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应，将上面两个公式算出的单桩水平承载力特征值乘以群桩效应综合系数，见式(3)：

Rh=ηhRha

(3)

桩的水平变形系数α(1/m)计算公式如下：

式中，m为桩侧土水平抗力系数的比例系数，MN/m4；rm为桩截面模量塑性系数；ft为桩身混凝土抗拉强度设计值，N/mm2；Wo为桩身换算截面受拉边缘的截面模量；vM为桩身最大弯矩系数；νX为桩顶水平位移系数；ρg为桩身配筋率；An为桩身换算截面积；ζN为桩顶竖向力影响系数，竖向压力取0.5，竖向拉力取1.0；Nk为在荷载效应标准组合下桩顶的竖向力，kN；EI为桩身抗弯刚度；χoa为桩顶允许水平位移，mm；bo为桩身计算宽度，mm。

根据规范附录C，桩侧土水平抗力系数的比例系数m的主要影响深度为hm=2(d+1)，当基桩侧面为几种土层组成时，应求得hm范围内m值的计算值。

由以上叙述可知，单桩水平静载试验是确定灌注桩基水平承载力特征值最直接有效的办法，但试验周期长，投资大，无法大量实验确定合理的桩基参数，公式估算仍是现阶段桩基设计的主要依据。由于计算公式复杂，影响因素众多，对于承受较大水平荷载的桩基而言，公式中的确定各参数的取值及其对水平承载力的影响程度，是桩基设计的重点和难点。

3 单桩水平承载力特征值影响参数分析

影响桩基单桩水平承载力特征值的参数主要有桩侧土水平抗力系数的比例系数m、桩径d、桩身配筋率ρg、桩身最大弯矩系数νM、桩顶竖向力Nk以及桩间距d等。

根据规范规定，当水平荷载为长期或经常出现的荷载时，应将m值乘以0.4降低采用。当验算永久荷载控制的桩基水平承载力时，应将式(1)计算所得的单桩水平承载力特征值乘以调整系数0.80；式(2)不调整。堆煤荷载为可变荷载，但考虑存在煤炭销售不佳，从而导致储煤棚内煤炭长时间滞留的可能性，所以计算时均执行上述调整系数。

式(1)中存在桩顶竖向力Nk，当Nk为拉力时，对单桩承载力特征值起不利作用；反之，Nk为压力时，则起有利作用。储煤棚桩基设计中，Nk均为压力，不会产生拉力作用，分析时，暂取Nk=1kN进行计算。

桩身最大弯距系数νM，当单桩基础和单排桩基纵向轴线与水平力方向相垂直时，按桩顶铰接考虑；当水平力方向非单排桩时，按桩顶固接考虑。

结合本工程地质条件(详见表1)，分别对不同参数影响下的单桩水平承载力特征值进行分析比较。

表1 阳煤一矿北储煤棚地质条件表

现分别取不同桩径(600mm、800mm、1000mm、1200mm、1500mm)，比较桩身配筋率小于0.65%或大于等于0.65%时的单桩水平承载力特征值，m值按乘以0.4的调整系数取值，νM按αh=4铰接取值，由于储煤棚上部网壳结构对支座水平位移敏感，桩水平位移允许值取6mm，结果如图1所示。

图1 m与Rh关系图

由图1可知，当桩身配筋率ρg≥0.65%时，3条曲线几乎重合，说明此时提高配筋率对单桩承载力特征值Rh的贡献有限。对于大直径灌注桩而言，当桩身ρg<0.65%时，基桩的单桩承载力特值乘以0.8的调整系数后与ρg≥0.65%时大小相当，而此时的Rh由桩身强度控制，水平承载力无法得到充分发挥，所以水平荷载较大时，应优先保证桩身eg≥0.65%。

灌注桩桩身配筋率ρg≥0.65%，νM不同取值的Rh曲线如图2所示。由图2可以看出，桩顶固接可以使Rh计算值提高约260%，可见群桩基础对提高单桩水平承载力特征值效果明显。这与朱炳寅、娄宇在《建筑地基基础设计方法及实例分析》中的设计建议相符，他们指出，对于承受水平荷载较大的灌注桩，应尽量采用3桩以上的承台的桩基础，这样可以通过桩的拉压力形成的力偶消化承台顶面的水平力和弯矩，有效提高基桩的水平承载力特征值[7]。

图2 桩顶连接方式与Rh关系图

灌注桩桩身配筋率ρg≥0.65%，νM按固接考虑，m分别正常取值、增大20%取值、增大50%取值时的Rh曲线如图3所示。

图3 m与Rh关系图

由图3可知，m值提高20%，可以使Rh计算结果提高11%；m值提高50%，可以使Rh计算结果提高27%，所以，桩侧土水平抗力系数的比例系数m是基桩水平承载力特征值的重要影响参数。m为土层的自然属性参数，即使同一类型土层在不同位置时，m的数值也是不同的，而m的具体取值是通过单桩水平静载试验再计算得到，工程地质报告中一般不会给出，在施工图设计过程中只有参照桩基规范给出的取值范围进行经验取值。

当采用群桩基础时，桩间距d是影响群桩效应影响系数ηh的重要因素，当采用四桩承台，垂直于水平力方向的桩间距为3d(规范要求最小桩间距)，沿水平力方向的桩间距s不同取值时的ηh值见表2。

表2 s、m与群桩效应影响系数关系表

表2中，m值为承台侧向水平抗力系数的比例系数，m取值从15上升到25时，ηh计算结果可以提高7%～10%，桩侧土的回填质量应严格控制，参照规范提供的m取值表，如回填料采用素混凝土或者灰土、级配砂石，并控制好压实系数，则m值达到20以上是比较容易的。桩间距s不小于4d时，ηh基本上可以保证在2.0以上，s从4d变到6d时，ηh可以提高约20%，但桩距越大，承台受力变大，经济性较差。

4 桩基弯矩及变位分析

储煤棚上部网壳结构对支座水平位移敏感，位移过大，会直接导致屋盖安全隐患。支座水平位移主要由排架柱弯曲变形和桩基水平变位组成，现实工程中，支座位移一般按10mm控制，承台变位按6mm控制。

经过受力分析，桩基弯矩主要集中在桩顶5d范围内，最大值一般发生在距桩顶4～5d位置，所以，桩顶5d范围内的土层状况以及承台四周填土质量对桩基水平变位影响至关重要。

5 工程实例分析

阳煤一矿选煤厂北封闭储煤棚工程柱下桩基采用四桩承台，桩直径1.2m，桩长20m，沿水平力方向桩间距为4.8m，垂直于水平力方向桩间距3.6m，符合规范要求的最小桩间距要求。桩基混凝土强度等级C30，钢筋采用HRB400级，纵向钢筋保护层厚度为50mm，桩基承台承受的最大水平荷载达到3200kN，最大单桩水平承载力特征值400kN。

该工程桩基设计等级为乙类，施工前期进行了单桩水平静载原位试验，试验桩数4根，编号分别为SZ1、SZ2、SZ3、SZ4，试验方法采用单向多循环加载法。

加载分级进行，荷载分级取设计水平承载力特征值的2倍的1/10，逐级等量加载，见表3。

表3 荷载分级取值表 kN

每级荷载施加后，恒载4min后，可测读水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，至此完成一个加卸载循环。如此循环5次，完成一级荷载的位移观测。试验不得中间停顿。试验结果见表4。

表4 基桩水平承载试验成果表

单桩水平静载试验曲线如图4所示，可以看出，按桩顶位移S=6mm进行控制，单桩水平承载力可达400kN左右，比公式计算的结果略小，两者的偏差由桩侧土水平抗力系数的比例系数m理论取值和现实取值的误差造成，但能够使试验值和计算值偏差控制在10%～20%之间，符合度较好。

图4 单桩水平静载试验曲线

通过计算，桩基最大弯矩为250～280kN/m，发生位置约为距桩顶5.6m位置，该储煤棚在设计中，对承台四周2m范围内采用了3∶7灰土换填，压实系数按0.96控制。最终计算结果显示，承台水平变位3～5mm，转角变位0.5mm内，位移控制较为理想。

6 结 论

1)当桩基承受较大水平荷载时，尽量采用3桩及以上承台的桩基础，避免采用单桩或双桩承台的桩基础。

2)为提高基桩的水平承载力特征值Rh，应保证桩身配筋率ρg≥0.65%，但配筋率过大，对Rh的贡献有限，建议桩身配筋率为0.7%左右最为经济合理。

3)合适的桩间距是提高群桩效应影响系数ηh有效措施，垂直水平力方向桩间距只要满足规范最小间距即可，沿水平力方向桩间距在4～5d之间时，可以使ηh控制在2.0～2.5之间，受力特性和经济性较好。

4)桩承台周围回填料应采用素混凝土或搅拌流动性水泥土，或采用灰土、级配砂石分层夯填，并控制压实系数不小于0.96。这样可以提高ηh值，并能有效控制桩基承台变位。如果桩周土质较差，可采用注浆等方式对桩顶5d范围内土质进行加强。

5)桩侧土水平抗力系数的比例系数m是基桩水平承载力特征值的重要影响参数，煤矿的储煤棚设计中，m应按规范提供表格取值，并按永久荷载进行0.4倍折减，算出的基桩水平承载力特征值Rh与单桩静载试验出的结果较为相符。