天津东北郊热电厂煤棚桩基础水平位移控制

1天津东北郊热电厂煤棚桩基础水平位移控制王福江摘要：天津东北郊热电厂干煤棚建筑面积22万平方米，顶部用钢结构网架封闭，网架底端坐落在钢筋混凝土柱或墙顶并可靠连接，基础为桩承台基础，由于上部网架结构传给桩承台的水平力较大，因此需限值桩顶的水平位移。本文详细介绍了桩顶水平位移的计算方法，特别强调了考虑承台、基础协同工作和土的弹性抗力作用的计算。一、工程概况：天津东北郊热电厂干煤棚建筑面积22万平方米，顶部用钢结构网架封闭，基础为桩承台基础网架底端支座底端标高2.000m，同时作为网架支座的墙即为内部结构周边挡煤墙，承台顶标高为-2.000m,桩顶标高为-3.400m,场区场地类别为III类，场地土为中软土,场地基本地震烈度7度，地表加速度峰值1.746m/sec2(0.178g),基本风压值：0.50kPa,基本雪压值：0.40kPa,冰冻深度0.6m,地下水绝对标高：1.8m左右,设计±0.00m相当绝对标高4.20m（大沽高程。二、设计原则：遵循现行的国家及电力行业规程、规范，根据网架设计公司提供的资料及地质报告，采用桩基础，基础底标高-3.50m，采用预应力混凝土管桩，管桩型号为PHC-A-500-100-22,单桩承载力特征值Ra＝1000kN，单桩水平承载力特征值Rh＝60kN。由于桩承台为纵向连续上百米，故仅取4延米为1个单位计算上部结构水平荷载和煤堆作用下的总水平力及桩承载力。三、桩水平承载力及桩顶位移验算1.土压力墙后主动土压力：主要参数取值：＝20kN/m3，＝200，h＝3.5m，c＝1.0，q＝30kN/m2acacakhqkhE···212后＝)22045(5.3300.1)22045(5.320210.10020022tgtg2＝60.03+51.45＝111.48kN/m。墙前主动土压力：主要参数取值：＝20kN/m3，＝300，h＝3.5m，c＝1.0acakhE221前＝)23045(5.318210.10022tg＝40.79kN/m。合力：合aE＝111.48－40.79＝70.69kN/m。)sin(·0合水平aaEE70.694)10090sin(000278.46kN。2.群桩效应水平承载力:群桩基础（不含水平力垂直于单排桩基纵向轴线和力矩较大的情况）的复合基桩水平承载力设计值应考虑由承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应（《建筑桩基技术规范》JGJ94-20085.7.3），可按下式确定：R1h＝hRh(5.7.3—1)h＝ir+l+b(5.7.3—6)j＝9.110.015.0)(2145.0015.02nndSna(5.7.3—3)l＝hccaRnnhBm212'02(5.7.3—4)b＝hcRnnP21(5.7.3—7)式中h——群桩效应综合系数；j——桩的相互影响效应系数；r——桩顶约束效应系数，按表5.7.3—1取值；l——承台侧向土抗力效应系数；b——承台底摩阻效应系数；3Sa/d——沿水平荷载方向的距径比；n1,n2——分别为沿水平荷载方向与垂直与水平荷载方向每排桩中的桩数；m——承台侧面土水平抗力系数的比例系数，当无试验资料时可按表5.7.5取值；a0——桩顶（承台）的水平位移容许值，当以位移控制时，取a0＝10mm；B'c——承台受侧向土抗一边的计算宽度，B'c＝Bc+1(m)，Bc为承台宽度；ch——承台高度(m)；——承台底与基土间的摩擦系数，可按表5.7.3—2取值；Pc——承台底地基土分担的竖向荷载设计值，可按5.2.5条估算，Pc＝ccckAq。j＝9.110.015.0)(2145.0015.02nndSna＝9.1310.0315.0)5001500(45.03015.0＝0.65查表5.7.3—1得r＝2.05l＝hccaRnnhBm212'02＝)105035.1(3325.1)18.4(1010)104.08(3236＝0.343由Sa/d＝1500/500＝3Bc/L＝4.8/4.0＝1.21.04查表5.2.3—2得ic＝0.24，ec＝0.63承台内外区净面积icA,ecA：cA＝icA+ecA＝12.25+10.79＝23.04m2c＝iccicAA+eccecAA(5.2.3)＝0.2404.2325.12+63.004.2379.10＝0.423Pc＝ccckAq＝0.423(2180)23.04＝3508.5kNb＝hcRnnP21＝)5035.1(335.35083.0＝1.733h＝ir+l+b＝0.652.05+0.343+1.733R1h＝hRh＝1.733(1.3550)＝116.98kN。故，地基承载力特征值116.98/1.35＝86.65kN。上部网架节点最大水平力是在“恒载+Y向风载”工况下的轴线54与轴线B相交处节点，为Ry＝101kN。故取计算范围内由上部结构产生的水平荷载为200kN。考虑由承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应，那么所需桩数：5n65.8620046.278＝5.52(根)取n6(根)。若不考虑群桩效应n6020046.278＝7.97(根)桩布置图如下：3.桩顶水平位移（取4米墙段计算）：基本假定：1)将土体视为弹性变形介质，其水平抗力系数随深度线性增加（m法），地面处为零。对于低承台桩基，在计算基桩时，假定桩顶标高处的水平抗力系数为零并随深度增长。2)在水平力和竖向压力作用下，基桩、承台、地下墙体表面上任一点的接触应力（法向弹性抗力）与该点的法向位移δ成正比。3)忽略桩身、承台、地下墙体侧面与土之间的粘着力和摩擦力对抵抗水平力的作用。4)当承台底面与地基土之间不脱开，即符合第5.2.5条规定，可考虑承台底摩阻力。承台与地基土之间的摩阻力同法向压力成正比，同承台水平位移值无关。5)桩顶与承台刚性连接（固接），承台的刚度视为无穷大。因此只有当承台的刚度较大，或由于上部结构与承台的协同作用使承台的刚度得到增强的情况下，才6适于采用此种方法计算。桩的水平变形系数50EImb（5.7.5）式中m——桩侧土水平抗力系数的比例系数；b0——桩身的计算宽度（m）。圆形桩：当直径d1m时，b0＝0.9（1.5d+0.5）。EI——桩身抗弯刚度，对于钢筋混凝土桩，EI＝0.85EcI0；125.1)5.05.1(9.00dbm085.0IEEIc)]3.05.0(0491.0[)108.3(85.04410＝＝8.627×107N·m2查表5.7.5得m＝8×0.4＝3.2MN/m450EImb530.010627.8125.1102.3576（1/m）按附录C表C.0.3-1当hm717.4530.05.25.2，水平力H0＝nH＝1时7桩顶水平位移fHHAEI31换算深度48.816530.0yh4，按h＝4m计算Af：Af＝2.441fHHAEI31=441.210627.8530.0173=1.90710m/N。)sin(·0合aEEat74.774)10090sin(000294.54kN。桩顶水平位移H水平＝7-3101.9010620046.278HHxatnFE＝0.0152m。以上即为考虑承台、基础协同工作和土的弹性抗力作用来计算桩基的水平位移，将此数值提供给网架设计公司，满足设计要求。为了使上部网架结构更加安全可靠，将主受力方向的外侧桩（桩布置图中涂阴影的桩）斜打10°，该措施无疑可以更有效的控制桩顶水平位移，见下图:8四、结论目前，该工程已建成，通过观测，桩顶水平位移均在设计值内，故总结以下几点：1.选择合理的计算模型是重中之重，要按照规范逐条考核工程实际情况。2.计算过程中要实时确定上部结构荷载的准确性。3.本工程外排斜桩对控制桩顶水平位移起到有效的补强作用，但施工难度较高，因此在今后的设计中或可考虑其他设计方法进行弥补。