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上海勘测设计研究院有限公司 上海 210098
摘要：深厚软基上大型泵站前池、出水池岸墙墙体较高，挡墙所受水平荷载较大，桩基数量受水平荷载控制，常规设计方法考虑两岸岸墙所受水平荷载全部由桩基承担，计算所需的桩基数较多，设计偏保守。本文根据泵站前池、出水池对称布置的特点，提出挡墙底桩基与墙前衬护的整体受力理论，即考虑两侧挡墙所受的水平荷载由墙前衬护结构和桩基共同承担，部分水平力利用墙前衬护结构的受力传递作用而相互抵消，其余水平力由桩基承担。基于联合受力理论提出一种计算桩基—衬护联合受力的解析计算方法，并结合现场实测资料进行比对分析。结果表明联合受力体系中墙前衬护可承担绝大部分水平荷载。结合上述规律，给出相应的施工措施，优化桩基布设。
关键词： 挡墙 ；联合受力体 ；衬护 ；桩基
1引言：泵站工程在调节城市水资源、快速排涝等方面起到了十分重要的作用。在一些沿海平原地区兴建泵站工程时，由于地基土层常为淤泥质粘土、砂质粘土等承载力不足的地层[1] [2]，为达到稳定需要，一般需要在两侧挡墙底布置桩基[3]。桩基的布置既满足了地基的竖向承载力要求，控制了沉降量，又保证了挡墙的抗滑稳定要求。墙前的衬护是铺设在水底的防冲结构，一般情况下，挡墙底会与墙前衬护相连，在平面上沿枢纽纵轴线形成一对称结构，同时墙前衬护也对桩基起到支撑作用。然而，目前在进行桩基布置时，并未将这一整体结构考虑进去。这种现行的设计虽然完全保证了安全性，但并不符合当下绿色节能的工程目标。将墙前衬护所承担的水平荷载考虑进去，在保证安全的前提下可以有效减少桩基的布置数量，降低施工成本，达到节能经济的目的。目前国内外已经有对类似支护体系的研究：如王旭军[4]等分析了混凝土垫层对围护墙体的支撑效应；罗彦[5]对软土地基上排桩环形内支撑结构的力学特性进行了深入研究，并提出一种计算环形内撑结构刚度的方法；卢礼顺[6]等结合了上海某深基坑工程的围护变形数据，探究了基坑底混凝土垫层的水平向支撑效应，但考虑墙前衬护的支撑作用作为长期荷载效应的更是寥寥无几，相应的规律还有待总结。
本文基于联合受力理论，提出一种计算桩基—衬护联合受力的解析计算方法，分别采用联合受力计算方法和数值模拟对实际泵站工程进行计算，并结合现场实测资料进行比对分析，以期得到高挡墙下墙底桩基与墙前衬护联合受力特性及总结出工程中运用联合受力体系时应考虑的主要因素，为相应情况下的工程设计及提供参考。
2计算理论
2.1联合受力解析计算方法
利用位移协调一致原理来进行计算。在力F的作用下，墙前衬护的压缩量等于桩基变形量。假定变形量为x，分别计算出桩基所承担的荷载及墙前衬护承担的荷载。两者相加之和为F即得到最终结果。桩基所承担荷载，可通过桩顶水平位移和桩顶所受荷载的关系曲线图“”图得到。若未进行现场桩基试验，则采取经验公式计算[7]：
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式中：──等效弹性支座的刚度系数，即桩基与墙前衬护连接点发生单位水平位移所需的力；EI─为桩身抗弯刚度；──为桩顶水平位移系数；──为桩的水平变形系数。
墙前衬护的荷载为：
（2-3）
式中：──为墙前衬护所受水平荷载；K──为墙前衬护水平支撑刚度；
联合受力计算公式：
（2-4）
3 工程应用
3.1工程概况
浙江省杭州市某排涝工程泵站进水池两岸空箱式挡墙沿中轴线对称布置，进水池岸墙趾板外伸0.5m，顶面与进水池底板齐平，趾板与进水池底板之间设置键槽。进水池空箱式岸墙底板厚1.2m、宽9.1m，面板及立板厚0.6m，肋板（包括隔板）厚0.5m、间距3m～3.5m，如图3-1所示。泵站进水池基础均采用DN80cmC25混凝土灌注桩，垂直水流向设置4排桩，桩心距约为2.5米，顺水流方向桩心距约2.4m，桩长26m，如图3-2所示。
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3.2计算参数及计算方案
进水池箱式挡墙荷载按运行期和完建期两种情况进行分析计算。运行期前池运行水位为2.0m～3.3m，前池挡墙设有排水孔，考虑前池与四周地基土的连通性，挡墙填土侧与池内水位差为1.0m～1.5m。运行期存在2种不利工况：
工况1：前池水位为最高水位3.30m，挡墙填土侧地下水位为4.30m；
工况2：前池为运行低水位2.00m，挡墙填土侧地下水位为3.50m；
完建期池内无水时工况如下：
工况3，前池无水，挡墙填土侧水位为底板顶高程以上2.00m。
3.3联合受力解析计算
工况三挡墙所受总水平荷载为5060KN，护底的长度为L=46.62m,横截面积A=13.44m2,混凝土的弹性模量E=25GPa。根据，得到护底的水平刚度系数K=7.2×106KN/m。根据桩基静载试验成果，可假设墙前衬护压缩变形量X=0.611mm，由式（2-3）可得墙前衬护所受水平力为Fa=4400KN，总水平力为F=5060KN，桩基所受总水平荷载为660KN，由此可得单桩水平荷载为Rha=33KN。对于单桩水平荷载33KN，已经包含了群桩效应的作用。为了得到不计群桩荷载效应的单桩水平荷载，还需除以一个群桩效应综合系数ηh。最后得到每个单桩所受水平荷载约Rha=30KN。再进而通过公式（2-1）得到桩基水平位移为0.614mm。此结果也较为符合水平单桩静载试验所测结果。根据位移协调一致原理，计算所得桩顶水平变形量为0.614mm,与所假设护底压缩变形量0.611mm几乎相等，认为试算满足成功，成功满足位移协调一致。故墙前衬护的水平向荷载约为4400KN，桩基水平向荷载约为660KN。
工况二、三受力情况相同，故目前仅计算工况一、三，最后得到的结果汇成表3-2，如下所示。
表3-2荷载分配计算结果
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4墙前衬护对高挡墙下桩基支撑作用实测分析
工程在挡墙底与墙前衬护连接处于施工过程中预埋了8个压应力盒来记录墙前衬护所承担的水平荷载，压应力盒采用的是振弦式压应力盒，其工作原理是通过感应板感应应力变化产生自身形变再传递给振弦，振弦因应力产生变化导致其振动频率的改变，频率信号由电缆传至读数装置可测出被测结构的压应力值。压应力盒布置示意图如图4-1所示。
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图 4-1压应力盒布置示意图
本文选取了最靠近所选挡墙段的压应力盒HY-2所测水平压应力的数据，所测压应力数据在时间上从施工期便开始记录，从通水前约3个月开始记录，每隔一月记录一次。HY-2所测数据汇总成的压应力表如表4-1 所示：
表4-1压应力盒数据
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从所给数据我们可以看出，压应力盒实测数据HY-2最后稳定在170KPa左右，墙前衬护截面面积为13.44m2,由此可得压应力盒实测所选挡墙段墙前衬护所受水平荷载为2284KN，与理论计算及数值分析计算有所差距。分析认为因存在分缝，故当实际联合受力体系形成之前，墙前衬护实际并未对墙底桩基产生支撑作用，可以说先是由桩基已经先承担了部分水平荷载，并且已经产生了相应的形变，随后对于剩下的荷载，再由联合受力体系共同承担。基于此猜想，对水平力及变形进行验证：总的水平荷载为5060KN,在一毡两油压缩至与混凝土刚度相同时墙前衬护开始支撑，支撑力为2284KN,理论计算墙前衬护约占联合受力体系的85%，由此推算在此之前桩基承担了约2373KN，不计群桩效应的单桩受力约106KN，根据桩基水平静载试验成果，103KN对应的桩顶水平位移为4.0mm,桩顶水平位移可通过沿桩身埋设的侧斜管监测的数据来进行验证。
工程通过在泵站进出水池两岸每隔10米设置一组测斜管，共16处监测点，分别标号CX-1—CX-16，为用以监测挡墙的水平变形情况，每组测斜管从桩顶计算埋至地下22米深，所选监测数据以月为单位，因后期变形已基本稳定，故本次只选取为期6个月的数据进行分析，自2015年9月2日到2016年2月2日。本文选取了最接近所选挡墙段的监测点的水平位移数据CX-3。
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图 4-2 CX-3水平位移沿深度曲线图
可以明显看到在经过6个月的水平变形之后，测斜管所测水平位移基本稳定。CX-3号测管最终水平位移的形变量停留在4.6mm附近。
由此可以总结得出，桩基先承担所有水平荷载，水平压力使挡墙发生水平变形，首先压缩一毡两油永久缝，当一毡两油被压缩至强度与墙前衬护刚度想同时，联合体系发挥作用，此时桩基之前水平方向已经变形约4mm左右，承担了约2373KN的水平荷载。联合受力之后，联合体系在发生约0.6mm左右水平位移后稳定，此时墙前衬护承担了大部分水平荷载，为2284KN。为直观表述实测数据与解析计算结果之间的关系，汇总相关数据得到表4-3。
表 4-3监测数据比对表
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5结论
对于高挡墙而言，水平荷载较大，在采用桩基对地基进行处理时往往会遇到竖直向的承载力满足要求而水平向的承载力不足的情况。本工程开创性地将护底支撑作用考虑进去，通过护底支撑两侧挡墙，以抵抗挡墙的剩余水平力作用。同时，本文提出一种计算联合受力体系的理论计算方法，通过本次工程的现场水平位移观测及压应力盒数据与理论计算得到的结果进行比较分析，以期验证理论计算的合理性。所获的主要结论如下：
（1）在桩基水平承载力不足的情况下考虑墙底桩基—墙前衬护联合受力的设计时，挡墙自身水平位移及竖向沉降满足设计要求，联合受力体系发挥作用，墙前衬护支撑作用明显。
（2）在实际工程当中，若采用墙底桩基—墙前衬护联合受力对结构进行分析时，对于河道宽度较小的闸泵站，墙前衬护尽量部分不分缝，或刷一层石灰水代替，对于河道宽度较大，墙前衬护存在分缝情况的，需要考虑墙底桩基首先要独自承担部分水平荷载，当永久缝材料被压缩至强度与墙前衬护刚度想同时，联合体系才开始发挥作用。在墙底桩基—墙前衬护联合受力体系当中，墙前衬护承担了绝大部分荷载，但值得注意的是，对于挡墙底与墙前衬护的连接处需要进行设置齿墙进行嵌固，否则有可能会产生因挡墙在墙后水土压力作用下发生倾覆后连接处接触面不齐，导致墙前衬护的支撑作用力不均。同时，在考虑墙前衬护的支撑作用时需要对墙前衬护的受压稳定进行验算。
参考文献
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[4]王旭军，龚剑，赵锡宏.混凝土垫层及水平结构混凝土收缩对围护墙变形影响的实测分析[J].岩石力学与工程学报，2013,32（3）：520-527.
[5]罗彦. 软土地基排桩环形内支撑结构受力及变形研究[D]. 华南理工大学, 2015.
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