摘 要:桩基础具有承载力高和抗震性能好、适用地基范围广等特点,可承受竖向抗压、抗拔荷载、侧向荷载和水平荷载,以及周期性作用的可变荷载,普遍用于工业与民用建筑、高耸构筑物、支挡结构承载及抗震设计中,尤其是桩径大于 250m m 的中等及大直径灌注桩得了到广泛应用 。小直径灌注桩具有施工简单、承载力高的特点,近年来多用于软土地基上的既有建筑物基础加固与托换、增加边坡稳定性、深基坑支护、支撑新建建筑物、建筑物地基加固、抗震处理等工程领域,有相关震害调查和数值分析研究表明,小直径桩的抗震性能较好,可替代普通桩基础,但在岩质基础上的建筑物抗震设计中应用相对较少。牛栏江德泽水库地处高地震烈度区,进水塔布置于左岸较陡岸坡上,为半井半塔式结构,基础为强~弱风化岩石,塔体较高,抗震要求高,施工场地狭窄,为有效提高进水塔抗震能力,在抗震设计中,充分利用小直径灌注桩施工设备小、占用场地小、施工灵活、桩体承载力高的特点,采用了小直径灌注桩将塔体与基岩锚固承担地震拉拔力的抗震措施,取得了较好的抗震效果,节约了工程投资。
关键词:小直径灌注桩;取水塔;高地震烈度;抗震设计
1地质条件
发电取水口为塔井结构,根据前期勘探成果及施工期开挖揭露的地质条件,在塔井结合段地表分布崩塌堆积体,最大厚度为 10 m ,组成物质为块石夹大孤石及少量壤土,具架空松散特征,承载力较低,不满足进水塔基础要求,需清除。下部为深 58.5 m 的竖井,基岩为∈ 1c第 3 层灰白色、深灰色粉砂岩、泥质粉砂岩及长石石英砂岩互层,岩层总体倾向 NW ,倾向下游偏山内。竖井上段 15 m 内处于强风化基岩中,岩体存在软弱结构面及不利结构面组合,主要呈层状碎裂结构,自稳能力差,属Ⅴ类围岩;下段井深 15 ~ 58.5m 段处于弱风化岩体中,除层间裂隙发育外,构造裂隙不发育,其中 15 ~ 30 m 段以Ⅳ类为主,
30 ~ 58.5 m 段以Ⅲ类为主;大部岩体完整性为中等~较好,渗透性为弱~中等。
取水塔基础岩石呈强~弱风化,层间裂隙发育,强风化基岩承载力为 0.8 ~ 1M Pa,弱风化岩体完整性为中等~较好,承载力为 2 ~ 3M Pa。
2 取水塔结构布置
发电取水塔和放空隧洞是坝后电站的发电取水及输水建筑物,洞身段高程为 1 680 ~ 1 669.7 m,里程 0+000 ~ 0+140.9m 段为水库放空及施工导流专用洞段,由中、低口进水;里程 0+140.9m ~出口为发电输水、放空、导流、下放生态流量共用段,其中在里程 0+140.9 ~ 0+148.5m 段布置与发电取水口连接的竖井,深为 58.5m。竖井上部为发电取水塔,在塔井结合处布置发电取水口,取水口高程为 1 741m,建基面高程 1 738m,塔顶高程为1 796.3m,塔高为 58.3m;取水塔向上游扩展 10.4m,布置拦污栅及事故检修闸门,塔井在立面上呈上大下小非对称结构布置。
3 灌注桩设计
3.1 桩径选择
为解决塔基拉应力问题,采用灌注桩将塔体与地基锚固成整体,地震产生的拉拔力由桩体和基岩共同承担。灌注桩按桩径可分为大直径桩和小直径桩,在新建的工业与民用建筑中大多采用大直径桩,大直径灌注桩也有不足之处,如人工挖孔深度受限,并存在施工安全问题,钻孔施工工艺复杂,受固壁泥浆的影响,容易出现夹泥、断桩等问题,质量控制难度增加。就本项目而言,大直径桩主要存在以下几方面的问题:①塔基加固处理工程量小,施工设备进场费用高,不经济;②取水塔布置在较陡的岸坡上,塔基尺寸相对较小,场地狭窄,大型制桩设备布置困难;③施工工艺复杂;④在岩质地基上一般采用冲击钻造孔,与下部竖井段施工干扰大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆小直径桩(d ≤ 250m m )布置灵活方便,施工设备占用场地少,尤其是对嵌入基岩的桩,可用常规地质钻或高速潜孔钻造孔,施工简单快速,投资相对节省;根据类似工程的有关试验研究成果,在小直径桩内插入钢管、钢筋笼或型钢时,其单桩承载力可达数十至数千 kN,并大大提高了抗震性能 。相关资料记载,在抗震方面,日本阪神地震后对既有建筑物与桥梁基础,采用小直径灌注桩进行补强,提高基础抗震能力非常有效;国内某电厂 1 号机组电除尘改造工程,需对基础进行抗震加固处理,由于场地条件限制,无法安装大型设备施工,采用小直径灌注桩对地基进行抗震加固处理,效果明显 。
3.2 灌注桩布置
根据地震工况时塔基的受力特点,灌注桩布置在拉应力区。横向地震时,塔基左右侧都会产生拉应力,在塔基左右侧对称布置灌注桩;顺水流向地震时,塔基上、下游侧都会产生拉应力,下游侧的拉(压)应力由竖井段钢筋混凝土承担,灌注桩仅布置在上游侧。为避免产生群桩效应问题,按桩的间排距不小于 3 倍桩体直径的原则布置,灌注桩共布置11排、10列,排距0.8 m 、1 m ,列距 0.95 m ,桩体总长 13 m ,其中锚入基岩 10 m ,锚入塔体钢筋混凝土中 3 m 。因桩径较小,锚入基岩段若采用混凝土灌注,存在施工较困难、不易密实等问题,设计采用 M 30 水泥砂浆充填桩体。为增加锚入基岩段桩体与基岩间的侧向摩阻力,提高桩体的抗拔力,先对桩体周围基岩进行固结灌浆处理,使浆液充填桩周基岩的裂隙,再进行灌注桩的钻孔及灌注施工。为提高灌注桩的抗拉拔承载力,灌注桩内设置 5 根直径 φ 20 m m的钢筋笼,呈环形均匀布置.
3.3 桩体强度验算
验算在地震拉拔力作用下,桩体自身是否破坏。由于桩体较小,验算时不计砂浆的抗拉强度,仅考虑钢筋的抗拉强度。桩内布置 5 根直径 φ 20m m 的Ⅱ级钢筋,最大抗拉力按公式 N=f y As 计算,式中:f y 为钢筋抗拉强度设计值;As 为钢筋笼纵向钢筋面积。计算得 N=471 kN ,大于地震工况时桩体承担的最大拉拔力设计值1.0N K =342 kN,因此,桩体自身抗拉强度满足要求
3.4 施工要求
灌注桩施工工序:平台清基开挖→固结灌浆→桩位放线→布置钻孔设备→钻孔→钻孔清洗
→放置钢筋笼→灌注 M 30 水泥砂浆。其中固结灌浆每孔深 10 m ,分两段进行,灌浆方式采用循环式;材料为水泥浆,水泥为普通硅酸盐水泥 P.O42.5,浆液水灰比为 2、1、0.8、0.5 四个比级,灌浆压力为 0.3 ~ 0.4 M Pa,灌浆结束条件为:在该灌浆段最大设计压力下,当浆注入率不大于 1 L/m in 时,延续灌注 30m in 可结束灌浆。桩体充填砂浆由钢筋笼内预置的注浆管灌注,采用 1 次灌注完成,分段振捣,确保桩体砂浆密实。
4 结语
发电取水塔采用了非对称的塔井式结构布置。根据塔井动力分析成果,在地震工况时塔基出现了不满足规范要求的拉应力,从抗震安全的角度考虑,塔基需采取加固措施,提高塔体与基岩接触面的抗震性能。结合取水塔附近岸坡较陡、塔基尺寸小、施工场地狭窄、不适宜大直径桩布置及施工的特点,设计采用了施工设备占用场地小、施工工艺简单、桩体承载力高的小直径灌注桩,将塔体与基岩锚固的处理措施,较好地解决了塔基面的地震拉应力问题,满足了抗震安全要求,收到了小桩发挥大作用的效果。
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论文作者:吴景芝 穆豪鹏
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/28
标签:基岩论文; 直径论文; 水塔论文; 承载力论文; 竖井论文; 钢筋论文; 塔基论文; 《科学与技术》2019年19期论文;