樁基礎建筑物滲流要素分析研究

桑星德

樁基礎是一種優(yōu)良的地基處理方法，適應不良地層的能力強，而且因為混凝土材料具有較低的低滲透性，還可作為防滲結構，具有附加抗?jié)B效果。在天然地基下建筑物不滿足結構穩(wěn)定條件時，地基處理可利用樁基礎穩(wěn)定性強的優(yōu)點形成樁基礎結構。所有水利建筑一樣，對滲流的研究是伴隨水利行業(yè)發(fā)展的其中一部分。滲流是影響結構穩(wěn)定性的重要因素，滲流計算也是結構破壞的預防[1]。在大量的水利學者在結構設計施工過程中，總結了一系列滲流計算和防滲的經典方法，解決了大量的滲流難題。但具體到樁基礎建筑物中，由于樁土材料性質的差異，樁基在地基中的不連續(xù)，也不能單一的視之為防滲體。樁基在提供地基承載能力的同時對滲流場和應力場的影響仍然需要進一步的研究。所以，筆者認為研究樁基礎建筑物的滲流問題很有必要。

1 滲流基本理論

1.1 滲流連續(xù)性方程

對不可壓縮液體，連續(xù)性方程[3]為：

1.2 滲流運動方程

實際液體在介質中流動，當粘滯性不能忽略時，取實際液體的微分平行六面體，邊長分別為為。研究六面體上的作用力，包括每個面有一個正應力和兩個切應力，現(xiàn)單獨取x方向根據牛頓第二定律建立平衡方程得到：

1.3 滲流微分方程

將達西定律帶入到滲流連續(xù)性方程中即可得到關于滲流的拉普拉斯方程：

1.4 滲流邊界條件

地基滲流不是無為發(fā)生的，滲流的發(fā)生及程度是由邊界條件決定的，給定一種邊界條件，它就會支配水流發(fā)生一種特定的滲流狀態(tài)。邊界條件有三類。

滲流邊界條件較為簡單時，利用三種邊界條件求解拉普拉斯方程便可得到理想的解答，但一般工況下，滲流邊界條件較為復雜，很難得出解析解，這時，滲流分析的有限元法為我們提供了又一種思路。

2 有限元計算原理

滲流計算有限元法[5]是將連續(xù)的滲流場用有限個單元的集合體來代替，將這些單元用節(jié)點連接，用函數關系表示每個單元的水頭分布，然后給定一定精度，求解滲流場中節(jié)點在滿足該精度下的水頭值。

給定常水頭邊界后，可以得到線性方程組：

[K]{h}=[F]

其中，[K]為滲流場總滲透矩陣，{h}是未知水頭的水頭列向量，[F]為已知邊界水頭的列向量。

3 關于滲流有限元法的工程實例計算

3.1 結構選取

某河口閘[6]結構整齊，雙閘門具有對稱性，閘底四排灌注樁，每兩排也對稱分布，外部樁距外部邊界距離為2.25m，內部樁距內部邊界距離為2.01m。閘基位于淤泥質粉質粘土層，其下為粉質粘土層和粉砂層，各土層銜接流暢但不平行?？紤]到這些位置粉質粘土占主要部分，所以將地基沿豎向模擬為物理性質接近的三層土，第一層為淤泥質粉質粘土層，層厚15m，第二層為粉質粘土層，層厚為35m，第三層為粉砂層，層厚為10m。模型沿水平向取130m。沿橫向取49.5m。在順水流方向樁的個數為每排12根，樁間距為3m，橫向分布有四組樁，樁間距也為2m，每兩組呈對稱分布，中間兩組樁相距4.02m，靠岸坡的兩組樁距岸坡距離為2.25m。底板灌注樁總樁數為192根，取對稱的96根。

3.2 結構材料物理參數

對淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉砂、混凝土取摩爾-庫倫本構的相關參數，如表1所示。

3.3 滲流工況

對某河口閘進行穩(wěn)定滲流分析，在模型建好后，對上下游水位根據蓄水的不同時期取三種邊界條件，三種工況如表2所示。

3.4 樁基礎水閘滲流分析有限元模型

4 分析與結論

4.1 樁基礎地基

在工況一下，最大總水頭仍在進水口位置，深齒墻底部的水頭值為3.2m，與天然地基對水頭的消耗相同，但樁附近的水頭重新分布，在以上游齒墻和下游閘底板端部為分界線，齒墻以上的較大水頭所占的比重為5.3%，而天然地基所占的比重為35.7%，閘底板范圍內，水頭值在1.83m-3.25m之間，在整個水頭分布中所占的比重為86%，占整個滲流場總水頭的絕大多數，而天然地基中比重為24%。可以看到，樁基礎可以降低高水頭所占比。減小了水流滲透的能量。

進水口和出水口以及齒墻仍是滲透坡降最大的地方，進水口有最大滲透坡降，值為0.125；最小滲透坡降為0，所占的比重為24.3%。而天然地基所占的比重為44.8%。在樁附近的滲透坡降值要大于天然地基，在坡降值0.02以上的滲流區(qū)域，樁基礎水閘占75.7%，天然地基占55.2%?？芍?，樁基礎可以減小滲透坡降，但在閘底板下帶樁附近，滲透坡降值卻大于天然地基。

在工況二下，最大總水頭值為6.5m，齒墻底部水頭值為5.25m，上下游水位差為3.0m，在樁附近，也出現(xiàn)了與工況一相同的規(guī)律，齒墻以上的較大水頭所占的比重為5.3%；閘底板下4.5-5.25m水頭范圍占比也為86%。由于下游水位上漲為3.5m，從閘底板下游端部開始至下游出水口，有1m水頭差，樁基礎使這個范圍內水頭差所占的比重只為7.5%，而天然地基卻有40%。進水口最大滲透坡降值為0.08；最小滲透坡降極小但不為0。

在工況三下，最大總水頭值為7m，齒墻底部水頭值為5.54m，上下游水位差為3.5m，在樁附近，齒墻上游的較大水頭所占的比重為5.3%；閘底板下4.5-5.25m水頭范圍占比也為86%。進水口最大滲透坡降值為0.1；最小滲透坡降極小但不為0。

4.2 結論

在一般水利工程中，蓄水期由于水位上漲，上下游水位差增大，滲透坡降增大，結構最有可能發(fā)生滲透破壞，最典型的三個部位上游入水處、下游出水口，和齒槽處的滲透坡降比其他部位大。樁的植入[7]可以改變地基水頭分布，與天然地基均勻分布不同，灌注樁水閘出現(xiàn)樁基附近水頭大，其他部位水頭小的特點。樁基還可以降低滲透坡降，相比于天然地基，降低了土體發(fā)生滲透破壞的概率。樁的植入可以減小下游透水層的滲流量，實際上是樁作為非排水性材料，占據了水的流動空間。樁基礎以承重作用為主，兼顧防滲效果，在不良的軟土地基地基中可以考慮使用樁基礎水閘。

【參考文獻】

[1]林繼鏞.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]吳持恭.水力學[M].高等教育出版社，北京：2008.

[3]孔祥言.高等滲流力學[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2010.

[4]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[5]杜延齡，許國安.滲流分析的有限元法和電網絡法[M].水利電力出版社，1992.

[6]陳寶華，張世儒.水閘[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[7]盧萌盟，謝康和，周國慶，等.不排水樁復合地基固結解析解[J].巖土工程學報，2011（4）：574-579.

[責任編輯：王偉平]