水閘設(shè)計(jì)中沉降控制復(fù)合樁基應(yīng)用

紀(jì)中庭

(巴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

水閘設(shè)計(jì)中沉降控制復(fù)合樁基應(yīng)用

紀(jì)中庭

(巴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

水利工程中常常會(huì)遇到在軟土中施工的情況，其中地基沉降現(xiàn)象嚴(yán)重影響了水閘的施工質(zhì)量。沉降控制復(fù)合樁是一種能控制地基沉降的有效施工方式，而水閘是水利工程施工建設(shè)中最主要的組成部分，因此，將此施工基礎(chǔ)運(yùn)用于水閘的設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以讓水閘的下部樁基布置不斷的優(yōu)化，進(jìn)而減少地基的沉降幅度，增加軟土基水閘施工的穩(wěn)定性和安全性。

軟土地基；水閘設(shè)計(jì)；沉降控制；復(fù)合樁基

我國(guó)的地域比較遼闊，河流眾多，在水利工程項(xiàng)目建設(shè)不斷增加的情況下，也面臨非常大的困難。由于河流兩岸的土地比較松軟，因此在軟土地基上進(jìn)行施工，面臨最大的問(wèn)題是地基沉降問(wèn)題，如果水閘建設(shè)期間遇到軟土地基沉降現(xiàn)象，不僅影響工程的施工進(jìn)度，而且還會(huì)為水閘以后的工作埋下安全隱患，不利于水閘的長(zhǎng)久工作。但隨著水利工程建設(shè)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，水閘在軟土地基中施工可以采用沉降控制復(fù)合樁來(lái)避免其沉降問(wèn)題，如何才能更好的運(yùn)用沉降控制復(fù)合樁基技術(shù)是目前水利工程水閘設(shè)計(jì)建設(shè)中急需解決的問(wèn)題[1]。

1 工程實(shí)例

某水閘的地理位置比較優(yōu)越，閘底板總共長(zhǎng)為22 m，寬10 m，水閘底板上部的荷載量最大可以達(dá)到35 653 kN，水閘的基底埋深在天然地面以下2 m，地基土層為沙質(zhì)粉土，基底埋深為1.5 m，而水閘在天然情況下沉降量在16 cm左右。此水閘的天然沉降量比《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求要高，在《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求為15 cm，因此，在水閘樁基礎(chǔ)施工期間，一般采用摩擦型樁，這樣將降低水閘樁基的沉降率，同時(shí)采用的樁基根數(shù)和尺寸是根據(jù)水閘底板底面以上的全部荷載來(lái)確定，因此，水閘樁基的布置要實(shí)施正方形的預(yù)制方樁，一般大小為0.4 m×0.4 m的樁基，預(yù)制方樁的長(zhǎng)度可以選擇23 m，每一個(gè)預(yù)制方樁的間距可以保持在2 m之間，水閘樁端主要位于黏質(zhì)粉土中，該處的樁基主要考慮其支撐水閘的豎向荷載，它的沉降值一般在2.2 m。

除了考慮豎向的荷載樁基礎(chǔ)承擔(dān)之外，還要考慮底板以下地基的樁基共同承擔(dān)的外荷載部分，這樣才能相互結(jié)合，進(jìn)而促使水利工程樁基布置的全面優(yōu)化[2-4]。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐目辈閱挝惶峁┑乃こ趟l地質(zhì)勘查報(bào)告，水閘工程施工范圍的各土層地質(zhì)參數(shù)情況，見(jiàn)表1。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 復(fù)合樁基的要求

在進(jìn)行沉降控制的過(guò)程中，復(fù)合樁基要滿足長(zhǎng)細(xì)比80～100的比例要求，同時(shí)保持樁間距應(yīng)為樁直徑尺寸的5～6倍，此外，復(fù)合樁基打入的持力層應(yīng)當(dāng)為壓縮性比較低的土層，承臺(tái)埋入的深度尺寸滿足建筑物主體高度1/15以上的要求[5]。

樁基與承臺(tái)共同承擔(dān)外界施加的荷載，而總體設(shè)計(jì)原則是在承臺(tái)底面位置計(jì)算得到的荷載值應(yīng)當(dāng)大于所采用的復(fù)合樁基單根荷載能力標(biāo)準(zhǔn)值加和以后的值，而樁基本身需要承擔(dān)單個(gè)復(fù)合樁極限承載能力加和以后得到的荷載值，承臺(tái)下面的地基則用于承擔(dān)余下的荷載值[6-7]。如果承臺(tái)底面計(jì)算得到的荷載值小于等于所采用的復(fù)合樁基單根荷載能力標(biāo)準(zhǔn)值加和以后的值，則全部荷載都需要由樁基自身來(lái)承擔(dān)，地基則不再承擔(dān)荷載。

表1 水閘工程地質(zhì)參數(shù)表

復(fù)合樁基自身所產(chǎn)生的沉降問(wèn)題一般由兩類原因?qū)е?，一是附加荷載作用下，加固區(qū)會(huì)產(chǎn)生沉降，是在對(duì)樁頂進(jìn)行灌注樁操作時(shí)產(chǎn)生的沉降現(xiàn)象。根據(jù)彈性理論，一般在計(jì)算沉降情況時(shí)，會(huì)從單根復(fù)合樁基所產(chǎn)生的應(yīng)力情況出發(fā)，按照簡(jiǎn)單疊加的方式計(jì)算出全部復(fù)合樁基會(huì)對(duì)地基產(chǎn)生的應(yīng)力之和，之后再根據(jù)此應(yīng)力值進(jìn)行沉降情況的計(jì)算。這種按照簡(jiǎn)單疊加方式進(jìn)行的計(jì)算，能夠充分考慮到單根樁基長(zhǎng)度、樁基數(shù)目、樁基距離等參數(shù)對(duì)于整體沉降效果計(jì)算產(chǎn)生的影響，因此，具備較好的科學(xué)性和合理性。

2.2 沉降值計(jì)算

令建筑物的荷載永久組合值標(biāo)記為P，承臺(tái)的地基土體自身重量產(chǎn)生的重應(yīng)力為σc，承臺(tái)下采用的復(fù)合樁基數(shù)量為n，其中單根樁基最大的承載力為Rk，排除掉浮力影響以后，單根樁基自身重量產(chǎn)生的重應(yīng)力為σpk。首先，計(jì)算n根樁基由樁頂位置附加的荷載所引起沉降情況，其中沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值為1.0。

(1)

式中：s為全部樁基的總體沉降情況， mm；T為樁基的平面以下位置、沉降范圍內(nèi)的土層數(shù)，層；ψm為沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本文中選取為1.0；E為自重和外界附加壓力所產(chǎn)生的壓縮模量差，MPa；σz,j,i和Ht,i分別為樁基在平面以下位置土體所產(chǎn)生的豎向附加力和豎向的厚度數(shù)值， Pa和m。

(2)

式中：σc為單根樁基的沉降情況，mm；Q為單根樁基所需要承受的荷載計(jì)算值，kN/m2；L為樁基的長(zhǎng)度，m；a為在計(jì)算沉降荷載時(shí)樁端產(chǎn)生阻力所占的比例，而1-a則表示樁側(cè)摩擦產(chǎn)生的阻力所占比例；I為阻力的應(yīng)力影響系數(shù)，而下角標(biāo)p,k,j分別代表的是樁端、樁側(cè)、樁基的根數(shù)，根。

其次，對(duì)于由承臺(tái)附加荷載所引起的樁基沉降情況計(jì)算公式為：

(3)

式中：s為計(jì)算得到的沉降值，mm；ψm為沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本文中選取為1.0；P0為地面產(chǎn)生的基礎(chǔ)的附加壓力，Pa；n為地基的土層數(shù)目，層；i為土層系數(shù)，δ為沉降系數(shù)；Es,0.1-0.2低級(jí)的壓縮模量，具體計(jì)算的是0.1～0.2 MPa條件下的值，MPa。

3 沉降計(jì)算分析與樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中關(guān)于沉降計(jì)算和樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容都遵守《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ 08-11-2010)中的相關(guān)內(nèi)容。

3.1 水閘沉降情況與所使用樁基長(zhǎng)度的關(guān)系

在軟土地基水閘沉降控制復(fù)合樁基的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，在樁數(shù)、樁距、樁端持力層情況相同的情況下，隨著樁基長(zhǎng)度的加長(zhǎng)沉降值會(huì)逐漸減小。當(dāng)樁基的樁端向下深入到淤泥質(zhì)黏土層后，隨著樁基長(zhǎng)度的加長(zhǎng)沉降值會(huì)出現(xiàn)急速下降的情況，一般能夠達(dá)到樁基長(zhǎng)度每增加1 m，沉降值就會(huì)減少10～20 mm。而當(dāng)樁端向下深入到含沙淤泥質(zhì)黏土層時(shí)，隨著樁基長(zhǎng)度的增加沉降值仍然會(huì)下降，但是下降的速度就非常緩慢了，一般樁基長(zhǎng)度每增加1 m，沉降值只能減小1～6 mm。因此，在軟土地基水閘設(shè)計(jì)中使用沉降控制復(fù)合樁基，選擇淤泥質(zhì)黏土層作為持力層，一方面控制沉降的效果好，另一方面也能節(jié)約施工成本。在本工程中，為了較好的控制樁基的持力層位置，應(yīng)當(dāng)盡量確保樁基的終端在淤泥黏土層中，而盡量與含沙淤泥質(zhì)黏土層保持一定的距離，本項(xiàng)目選用的樁基長(zhǎng)度為23 m。

3.2 閘底板沉降情況與樁數(shù)、樁距的關(guān)系

在確定樁基樁長(zhǎng)之后，要對(duì)具體的樁數(shù)和樁距進(jìn)行計(jì)算，復(fù)合樁的長(zhǎng)度可選擇為23 m，當(dāng)樁數(shù)選擇為32根、樁距確定為7 m時(shí)，由公式(1)～(3)計(jì)算可得沉降值為75.6 mm，而樁數(shù)確定為49根、樁距為5 m時(shí)，沉降值達(dá)到66.7 mm。對(duì)比兩種沉降值后能夠發(fā)現(xiàn)，雖然后者的沉降值更為合理，但使用的復(fù)合樁基數(shù)目差距非常大，從施工成本角度綜合分析后，本項(xiàng)目采用沉降值達(dá)到75.6 mm的方案。

3.3 方案的可行性驗(yàn)證

在軟土地基水閘涉及的沉降控制復(fù)合樁基實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，針對(duì)摩擦型的樁基，由于樁基和樁基之間的土體有摩擦產(chǎn)生的阻力，因此能夠分擔(dān)一部分主體產(chǎn)生的荷載。因此，可以將10%～15%的荷載去掉，剩余的荷載作為實(shí)驗(yàn)計(jì)算中所需要考慮的荷載，在實(shí)際應(yīng)用中，方案也是安全、可行的。

以本項(xiàng)目的方案為例，P值為35 673.5 kN時(shí)，閘底面積為403 m2，此時(shí)計(jì)算可得復(fù)合樁基所需要承受的荷載值為23 918 kN，而樁基數(shù)目為31根，單根樁基荷載能力為699.5 kN，復(fù)合樁基整體能夠承受的荷載值為21 684.5 kN。由數(shù)據(jù)對(duì)比可知滿足大于計(jì)算得到的復(fù)合樁基需要承載的荷載值的85%～90%的要求，因此，這個(gè)計(jì)算方案在實(shí)際應(yīng)用中是安全、可靠，且具備經(jīng)濟(jì)性的。

4 結(jié) 論

在具體應(yīng)用過(guò)程中，需要充分考慮地基的實(shí)際情況，從樁基長(zhǎng)度、樁基數(shù)目和樁基距離等方面進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，同時(shí)兼顧樁基的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可行性和可靠性的要求，在滿足工程實(shí)踐條件的情況下，提升復(fù)合樁基的施工水平，保證軟土地基水閘的使用安全性。本文根據(jù)《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ 08-11-2010)中沉降控制復(fù)合樁基理論，對(duì)于工程實(shí)踐中的具體項(xiàng)目進(jìn)行沉降控制方案設(shè)計(jì)，在保證水閘結(jié)構(gòu)安全的情況下，控制混凝土的使用總量，降低了工程造價(jià)。

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[2] 徐炳林.軟土地基水閘設(shè)計(jì)中沉降控制復(fù)合樁基應(yīng)用實(shí)踐[J].珠江水運(yùn),2015(24):70-71.

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紀(jì)中庭(1984-)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。E-mail：396677980@qq.com。

TU473.1

A

2096-0506(2017)07-0084-03