平原地區(qū)水閘深厚軟土地基基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)方案研究

李學(xué)德, 劉 洋, 邵真真， 謝慶躍, 吳東偉

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司滁州分公司，安徽 滁州 239000)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，我國不斷加大推進(jìn)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。水閘是一種低水頭水工建筑物，具有擋水和泄(或引)水雙重作用，在防洪、排澇、灌溉、及供水等方面發(fā)揮了重大作用。水閘工作時(shí)閘門主要承受水壓力，閘室岸墻同時(shí)承受側(cè)向土壓力，水閘在自重和外部荷載的作用下閘基底應(yīng)力分布比較復(fù)雜，易產(chǎn)生不均勻沉降[1- 2]。平原地區(qū)的水閘一般建于河道、堤防或江河入海口處，其所處的位置決定了水閘地基多為松散或軟弱的沖積覆蓋層，天然地基的抗剪強(qiáng)度和承載能力較低，壓縮性較大，而且常常分布不均勻[3- 4]。軟弱土基抗剪強(qiáng)度及承載力不足，閘底板和閘基土變形不協(xié)調(diào)，易產(chǎn)生“脫空”現(xiàn)象，在水頭差作用下，沿閘基底接觸面容易產(chǎn)生滲流通道，從而導(dǎo)致閘基滲透破壞，引起水閘沉降、傾斜、斷裂甚至倒塌，對工程安全產(chǎn)生極大影響[5]。

在水閘工程建設(shè)時(shí)，需要對軟土地基進(jìn)行處理，常見的地基處理方法有墊層法、強(qiáng)夯法[6]、深層攪拌樁[7]、樁基礎(chǔ)[8- 9]及沉井基礎(chǔ)[10- 11]等。水閘工程的地基處理方法與地基的各項(xiàng)參數(shù)有關(guān)[12]，本文結(jié)合工程實(shí)際，對深厚軟土地基處理方案進(jìn)行研究，對類似的工程具有一定的參考借鑒作用。1

1 工程概況

某拆除重建水閘位于灌南縣新沂河南堤110K小潮河入灌河處，主要排泄沭陽以上新沂河桃汛，保證新沂河灘地2萬hm2麥?zhǔn)?。水閘設(shè)計(jì)流量為300m3/s，采用為3孔10m胸墻式結(jié)構(gòu)。閘室底板面高程-2.50m，底板厚度1.5m，閘墩頂高程9.50m，閘身順?biāo)飨蜷L18.0m，閘身一塊底板，總寬34.4m。閘室底板位于③2層淤泥質(zhì)重粘土上，夾少量砂壤土薄層，含腐殖質(zhì)，流塑—軟塑狀態(tài)，高壓縮性，揭示層厚5～8m，含水率53.4%，凝聚力c值為15.3kPa，內(nèi)摩擦角φ值為3.8°，該層地基土允許承載力為[R]=55kPa，不能滿足天然地基持力層的要求，需進(jìn)行基礎(chǔ)處理。

2 地基處理方案比選

2.1 閘室基礎(chǔ)

該水閘原閘址處地基為人工換土2m后，再人工還中粗砂2m，下臥層為淤泥質(zhì)黏土。老閘自建成以來，沉降達(dá)10cm，地基壓縮性大、承載力差，為保證閘室穩(wěn)定，本次拆除重建工程需采取地基加固處理，根據(jù)地質(zhì)情況，適合該地基處理的常規(guī)方案有：鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)和短樁復(fù)合基礎(chǔ)3種。

2.1.1鉆孔灌注樁基礎(chǔ)

鉆孔灌注樁即通過機(jī)械鉆孔在地基上形成鉆孔，并在樁孔內(nèi)放置鋼筋籠，澆筑混凝土成樁。水閘底板下樁基的數(shù)量一般是根據(jù)承受的水平荷載和單樁的水平允許承載能力確定，所需樁基的數(shù)量為總水平荷載除以單樁的允許承載力。單樁水平向允許承載力通常以控制樁頂?shù)脑试S水平位移為控制指標(biāo)[13]。經(jīng)計(jì)算，閘室采用Φ100鉆孔灌注樁，樁底高程為-20.0m，樁間距3.2m×(2.0～3.3)m，總計(jì)84根。灌注樁基礎(chǔ)布置圖如圖1所示。

圖1 灌注樁基礎(chǔ)布置圖(單位:cm)

2.1.2沉井基礎(chǔ)

沉井基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)埋置較深的較厚軟土層處理中，可同時(shí)解決地基承載力和地基滲透變形的問題[13]。沉井一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。施工時(shí)，先在水閘設(shè)計(jì)底高程位置制作沉井，然后在井孔內(nèi)挖土，沉井在自身重力作用下克服井外土的摩阻力和沉井刃腳下土的阻力而下沉。經(jīng)計(jì)算，沉井滿足土體抗力穩(wěn)定要求時(shí)底高程為-11.5m，平面尺寸為35m×17m，縱橫隔墻間距為4.7～5.1m。

2.1.3短樁復(fù)合基礎(chǔ)

短樁復(fù)合基礎(chǔ)采用PHC管樁，樁頂設(shè)置褥墊層。經(jīng)計(jì)算，采用Φ40PHC管樁，樁長9m，樁底高程為-13.3m，樁間距1.2m×1.2m，復(fù)合地基承載力為179.2kPa，閘室復(fù)合地基滿足地基承載力要求，但復(fù)合地基總沉降量為18.5cm，沉降量偏大。由于短樁復(fù)合基礎(chǔ)加固地基的效果一般，施工質(zhì)量較難控制，一般僅用于次要部位或低等級建筑物，而本工程建筑物等級為1級，故不宜采用該方案。

對灌注樁和沉井基礎(chǔ)投資進(jìn)行比較，結(jié)果表見1。

由表1可知，灌注樁和沉井基礎(chǔ)投資接近，灌注樁基礎(chǔ)略省。考慮沉井基礎(chǔ)施工復(fù)雜，施工控制要求較高，特別是存在承壓水層時(shí)，沉井基礎(chǔ)施工會(huì)遇到很大困難，甚至還會(huì)影響工程施工安全；灌注樁施工簡單，質(zhì)量易保證，經(jīng)常用于重要建筑物的基礎(chǔ)處理，故兼顧工程安全、施工難度以及工程質(zhì)量等因素綜合考慮，閘室設(shè)計(jì)采用Φ100鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2.2 翼墻基礎(chǔ)

翼墻各底板均坐落在淤泥質(zhì)黏土上，地基承載力不滿足要求。本工程上下游第一、二節(jié)翼墻擋土高度(12～10m)較高，綜合考慮，上下游第一、二節(jié)翼墻采用Φ80灌注樁基礎(chǔ)，其他翼墻采用Φ60灌注樁基礎(chǔ)。上游第一、二節(jié)翼墻共布置168 根灌注樁，樁底高程為-18.5m ；下游第一、二節(jié)共布置140根灌注樁，樁底高程為-20.0m。同時(shí)對比以下2個(gè)可減小水平荷載的方案措施。

(1)拖板方案。在翼墻墻后底板處增設(shè)一塊拖板，利用其與地基土的摩擦力，消除翼墻本身的一部分水平力。

表1 閘室基礎(chǔ)處理方案投資對比表

表2 翼墻基礎(chǔ)處理方案投資對比表

(2)撐梁方案。兩岸翼墻底板間采用撐梁對撐。

由于兩岸翼墻間距離較大，如果采用撐梁，撐梁需分段，承擔(dān)水平力的作用有限。由于工程本身在兩岸翼墻底板間是護(hù)坦(下游是消力池)，施工時(shí)考慮在翼墻底板與護(hù)坦之間以及護(hù)坦與護(hù)坦間水平止水以下伸縮縫間采用鋼板頂塊，使其在適應(yīng)伸縮變形的同時(shí)，也能互相頂撐，作為承擔(dān)水平荷載的安全儲(chǔ)備。

經(jīng)計(jì)算，拖板方案寬度至少需設(shè)置3.5m，上游一、二節(jié)翼墻共需布置138根灌注樁，下游一、二節(jié)翼墻共需布置110根灌注樁，拖板方案較灌注樁方案投資增加約4.5萬元；撐梁方案在灌注樁方案上需增加64塊鋼板的材料和安裝費(fèi)用，撐梁方案較灌注樁方案投資增加約2萬元。

由上述分析比較，2個(gè)減載方案均可行，但灌注樁結(jié)合拖板及增設(shè)撐梁的地基處理方式非常規(guī)使用，且投資較灌注樁方案有所增加。故從工程的安全出發(fā)，翼墻基礎(chǔ)仍采用灌注樁方案，設(shè)計(jì)時(shí)考慮樁土共同作用，樁承受85%的水平荷載，剩余15%水平荷載由樁間土和兩岸翼墻間護(hù)坦共同承擔(dān)。

3 灌注樁基礎(chǔ)計(jì)算

閘室及上下游翼墻地基采用灌注樁基礎(chǔ)，計(jì)算時(shí)考慮樁土共同作用。

3.1 單樁豎向承載力

根據(jù)《建筑樁基規(guī)范》，單樁堅(jiān)向承載力特征值按下列公式計(jì)算[14]：

(1)

式中，Ra—單樁堅(jiān)向承載力特征值，kPa；Quk—單樁堅(jiān)向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；K—安全系數(shù)，取K=2。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(2)

式中，Qsk、Qpk—總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qsik—樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qpk—極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；u—樁身周長，m。

3.2 單樁水平承載力

水平承載力采用“m”法計(jì)算，控制樁頂位移5mm，樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁單樁水平承載力特征值按下式計(jì)算[14]：

(3)

式中，Rha—單樁水平承載力特征值，kN；x0α—樁頂允許水平位移，mm；vx—樁頂水平位移系數(shù)，按規(guī)范表中取值；EI—樁身抗彎剛度。

對于鋼筋混凝土樁，EI的計(jì)算公式為：

EI=0.85EcIo

(4)

式中，Ec—混凝土彈性模量；I0—樁身換算截面慣性矩。

Io=Wodo/2

(5)

式中，d0—扣除保護(hù)層厚度的樁直徑，m。

根據(jù)公式(1)～(5)計(jì)算，閘室、翼墻灌注樁基礎(chǔ)的單樁堅(jiān)向承載力特征值及水平承載力特征值計(jì)算成果見表3。

3.3 基礎(chǔ)沉降

為確定各建筑物地基的最終沉降量及相鄰建筑物間的沉降差，分別計(jì)算樁身部分壓縮量S1和樁底下各土層的沉降量S2。樁底下各土層的最終沉降量S2根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，按分層總和法計(jì)算[15]，選擇有代表性的斷面和計(jì)算點(diǎn)，以各計(jì)算點(diǎn)沉降量的平均值作為底板的沉降量。

(6)

式中，S∞—地基最終沉降量，mm；i—土層號；n—在地基壓縮層計(jì)算深度內(nèi)的分層數(shù)；hi—i層土的厚度，m；ei1、ei2—基礎(chǔ)底面以下第i層土在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比和在平均自重應(yīng)力、平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比。

經(jīng)計(jì)算，閘室地基平均沉降量S=S1+S2，為43.1mm，其上、下游第一節(jié)翼墻地基平均沉降量分別為46.2、51.7mm，與閘室間的沉降差分別為3.1、8.6mm。滿足規(guī)范要求。

表3 灌注樁單樁承載力特征值計(jì)算成果表

4 結(jié)語

平原地區(qū)水閘工程中深厚軟土地基處理方法存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本文通過工程實(shí)例，針對工程特點(diǎn)，闡述了軟土地基處理中常用的3種方法，綜合分析比較后選擇了灌注樁基礎(chǔ)作為該水閘工程閘室及翼墻的基礎(chǔ)處理方式，并對灌注樁基礎(chǔ)承載力及沉降值進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，閘室地基平均沉降量及閘室與翼墻之間的沉降差均遠(yuǎn)小于原老閘的基礎(chǔ)處理方式，灌注樁基礎(chǔ)在提高地基承載力，減少地基沉降量方面作用顯著，可以有效解決水閘深厚軟土地基的基礎(chǔ)問題。另外灌注樁施工方便，穩(wěn)定可控，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。