邱 辉，侯继平

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 工程概况

图1 桩基纵剖面与地质剖面图

大治河排涝泵站工程位于杭州市萧山区大治河和钱塘江交汇口处，泵站设计排涝流量100.0 m3/s，采用5台立式轴流泵。本工程地质条件复杂，泵站底板以下土层依次为②-2砂质粉土、②-3粉砂夹砂质粉土、②-4砂质粉土夹粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、⑤粉质黏土、⑥含粉砂粉质黏土、⑧-1细砂、⑧-2 圆砾。其中压缩模量小于10的土层厚度约40.0 m，在基础不做地基处理的情况下，地基承载力和沉降量均不满足规范要求。大治河泵站主体在承受竖向力以外，还承受垂直水流及顺水流2个方向的水平力，为有效控制桩基水平位移和水平力、节约桩基投资，提出长短桩桩基方案。本工程泵站地基处理采用φ100 cm钻孔灌注桩长短桩结合设计，桩基持力层为圆砾，以边跨为例，桩间距2.9 m×2.7 m（顺水流×垂直水流），桩长约43.0 m/23.0 m布置。桩基纵剖面与地质剖面见图1，桩基平面布置见图2，各土层物理力学参数见表1。

图2 桩基平面布置图

表1 各土层物理力学参数表

本文采用高桩承台简化法和M法有限元法对桩基内力与变形进行计算分析。

2 高桩承台简化法

根据SL265 — 2016《水闸设计规范》，桩的根数和尺寸宜根据承担底板底面以上的全部荷载确定，对于摩擦桩，经论证后可适当考虑桩间土承担部分荷载。在进行计算分析前，对桩基布置和边界进行假定和简化处理：

（1）上部荷载全部由桩基承担，承台、群桩、土体相互作用产生的群桩效应不计；忽略桩身与土体之间的黏着力和摩擦力对抵抗水平力的作用。

（2）长桩+短桩控制水平承载力和水平位移，按图2布置计算水平承载力和水平位移；长桩承担竖向承载力和竖向沉降，按图3桩基布置计算竖向承载力和竖向位移。

（3）将土体视为弹性介质，其水平抗力系数随深度线形增加（M法）。

（4）地基土水平抗力系数取10 MN/m4，可通过试桩单桩水平静载试验验证。

式中：Fk为作用于承台顶面的竖向力（kN）；Gk为桩基承台和承台上土自重标准值（kN）；Nk为桩基的平均竖向力（kN）；Mxk、Myk为作用于承台底面，绕通过桩群形心的 x、y 主轴的力矩（kN · m）；xi、yi、xj、yj为第 i、j根桩至y、x轴的距离（m）；n为桩总数（根）；Hk为作用于承台底面的水平力（kN）；Hik为作用于第i桩基的水平力（kN）。

图3 竖向承载力和竖向位移计算简化图（剔除短桩）

2.1 计算工况的选定

桩基在不同工况下均承受垂直水流向、顺水流向的力和弯矩，为了计算出最大竖向荷载引起的最大轴力和竖向位移、最大水平荷载引起的最大水平力和桩顶位移，选择完建工况（竖向力最大情况）和最大扬程排涝工况（水平力最大情况）分别进行分析计算。

完建工况：内河、外江无水，边墙墙后为地下水位。

最不利挡水工况：内河常水位，外江校核水位，边墙墙后为地下水位。

2.2 计算成果

表2为在图3长桩布置方案完建工况和最不利挡水工况下，桩基受力情况。完建工况下长桩竖向承受最大轴力为4 966.0 kN，发生在顺水流向最后一排，垂直水流向第一排位置，相应竖向沉降4.97 mm。

表2 高桩承台简化法计算成果表

按图3布置长桩方案，在不增设短桩情况下，最不利挡水工况下单桩水平力488.0 kN，水平位移4.59 mm。因此，不增设短桩情况下单桩水平力和水平位移太大，不能满足规范要求，考虑增设短桩以分担水平力和减小水平位移。按图2布置长短桩方案，最不利挡水工况下长桩和短桩共同承担水平力，单桩水平力为272.0 kN，水平位移3.13 mm。

43.0 m长桩（端承桩）单桩竖向承载力为Ra长= 4 372.0 kN，单桩竖向承载力平均值为（4 966+3 171）/ 2 = 4 068.5 kN＜Ra长，单桩最大竖向承载力为4 966.0 kN＜1.2Ra长，桩端水平位移小于5.00 mm，满足规范要求，桩基布置较为合理。

3 M法有限元法

图4 M法桩基承台有限元模型图

高桩承台简化法对桩基布置进行了一些简化处理，未考虑到短桩承受竖向承载力、承台承受部分水平承载力的实际情况。本文采用ANSYS中BEAM189单元模拟全部长短桩和承台，桩土间的作用以弹簧COMBIN14单元来模拟，地基土柱侧面地基系数随深度成正比增长。短桩桩底采用竖向弹簧约束，长桩桩底采用全部自由度约束。

式中：b1为桩的计算宽度（m）；m为比例系数，取m = 10 000 kN/m4；λ为节段长度（m）；zi为自地面至第i集中弹簧的距离（m）；ω0为集中弹簧在其一侧λ/2长度内的地基系数分布图面积（kN /m2）。

模型共有13 718个单元，308 884个节点，模型在各个弹簧底面设置约束。有限元模型见图4，桩基剪力受力情况见图5，承台竖向变位情况见图6，水平变位情况见图7。

图5 桩基剪力受力情况图

图6 桩基承台竖向变位情况图

图7 桩基水平变位情况图

表3 M法有限元法计算成果表

短桩和长桩的允许承载能力不一样，如本工程43.0 m长桩（端承桩）单桩竖向承载力为Ra长= 4 372.0 kN，23.0 m短桩（摩擦桩，不考虑桩端承载力）单桩竖向承载力为Ra短= 1 539.0 kN。长桩单桩竖向承载力平均值为（4 130+2 470）/ 2 = 3 300.0 kN＜Ra长，长桩单桩最大竖向承载力为4 130.0 kN＜1.2Ra长；短桩单桩竖向承载力平均值为（1 600+817）/ 2 = 1 208.58 kN＜Ra短，短桩单桩最大竖向承载力为1 600.0 kN＜1.2Ra长。桩端水平位移小于5.00 mm，满足规范要求，桩基布置较为合理。

4 结果对比分析

2种方法均基于长短桩共同控制水平承载力和水平位移，计算得出的水平向位移和水平基本一致，M法有限元法考虑承台承担部分水平力作用，因此单桩水平承载力结果值较小。

M法有限元法考虑了长短桩和承台的实际模型、共同控制竖向力和竖向位移，因此单桩最大竖向承载力值较小，但更为接近实际，短桩和长桩的允许承载能力不一样，需分别考虑长桩和短桩竖向承载能力是否满足要求。

5 结 语

（1）在桩基布置时，在长桩满足承载力和竖向沉降要求，但不满足水平承载力和水平位移时，可增设短桩（摩擦桩）来分担水平荷载和降低水平位移。相对于全长桩基础而言，长短桩桩基础不仅充分利用长桩控制竖向承载力、竖向沉降和短桩可分担水平承载力和减小水平位移的能力，同时也减少长桩的数量，节约投资。

（2）长短桩桩基计算分析时也可采用高桩承台简化法忽略桩土之间的摩擦力、群桩效应等作用，长桩+短桩控制水平承载力和水平位移，长桩承担竖向承载力和竖向沉降。

（3）M法有限元法在进行长短桩桩基分析时，充分考虑承台和桩土的相互作用，计算结果也更为直观地反映各桩的变形情况，长桩和短桩承受不同竖向力的事实情况。在长短桩计算分析中宜优先采用M法有限元法进行分析。