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
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