水利工程中軟土地基樁基礎(chǔ)設(shè)計與變形分析

姚力銘，鐘 瑾

（1.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇 連云港 222000；2.江蘇省善后閘管理所，江蘇 連云港 222000）

在水利工程軟基基礎(chǔ)施工建設(shè)過程中，為了增加其抗壓強度和荷載力，需要采取針對性的軟基基礎(chǔ)施工技術(shù)，對土壤的松軟結(jié)構(gòu)進行處理。在水利工程施工建設(shè)中，針對軟基與其他土壤相比具有很強的可塑性和壓縮性這一特點，需要采取不同的技術(shù)才能夠保證整個工程的施工安全。隨著我國大部分城市用地越來越緊張，軟基基礎(chǔ)施工成為了水利工程領(lǐng)域中的一個重要的研究課題。相對于普通的施工地基結(jié)構(gòu)，由于水利工程軟基基礎(chǔ)施工具有一些固有的特點，如滲水性、高敏感度等，導(dǎo)致在建設(shè)過程中施工難度非常大。因此在施工過程中需要結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w的施工地質(zhì)情況，制定科學(xué)的施工方案，從而保證整個地基結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

1 工程概況與地質(zhì)條件

該水利工程位于廣東省某地區(qū)，通過對項目進行具體的勘查后可知，該項目采用一種水下臥倒門的設(shè)計方案對該水利工程河口的水閘進行設(shè)計，設(shè)計的進水口的單孔寬度為100 m，防洪水位高度設(shè)計為6.35 m，對應(yīng)的防洪標(biāo)準是100 年一次的重現(xiàn)期。根據(jù)水利工程設(shè)計標(biāo)準文件，其水利工程建筑物等級均需按照I 級標(biāo)準進行設(shè)計，建筑物主要包括工程內(nèi)基坑圍護結(jié)構(gòu)、防水防滲結(jié)構(gòu)、閘墩結(jié)構(gòu)和底板結(jié)構(gòu)等。其中工程的沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸為7 m×16 m×30 m。由于該工程項目所在區(qū)域和地形的特殊性，為保證工程質(zhì)量，設(shè)計樁基礎(chǔ)需要全面考慮該位置的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與水文條件。采用專業(yè)的地質(zhì)勘查技術(shù)，對該水利工程地質(zhì)條件進行了具體勘查，勘查結(jié)果見表1。

通過對表1 中勘查的地質(zhì)條件判斷可知其地質(zhì)結(jié)構(gòu)層的綜合承載力較低，該工程所在地屬于軟土地基。

2 軟土地基樁基礎(chǔ)具體設(shè)計方案

2.1 單樁承載力計算

為確保樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠滿足水利工程中軟土地基的承載力，在樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計前，對軟土地基中單樁結(jié)構(gòu)承載力進行計算。根據(jù)對項目所在地的地質(zhì)條件信息的分析，在項目實際施工中，預(yù)設(shè)工程樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)會承受來自上部結(jié)構(gòu)的壓力，在此壓力的作用下，樁基礎(chǔ)會發(fā)生下沉，該下沉?xí)扼w產(chǎn)生一種負向摩擦力，從而對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生一種下拉的荷載作用力。通過分析可知，樁基礎(chǔ)承載了2 種作用力，一種是頂部荷載的作用力，另一種是分布在樁體側(cè)面的摩擦力。在此條件下，可用下述公式進行計算軟土地基中樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的綜合承載力。

式中：R 為樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的綜合承載力；γ 為樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載力系數(shù)；N 為樁基礎(chǔ)頂部承載作用力設(shè)計值；Qn為樁側(cè)的n 負摩擦力設(shè)計值。

對軟土地基中單樁承載力進行計算時，既要考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中單樁側(cè)向負摩擦力，又要考慮單樁結(jié)構(gòu)的自身強度，還要考慮地基結(jié)構(gòu)對樁體的支撐力。由于在設(shè)計時，單樁結(jié)構(gòu)就集中設(shè)計在一個結(jié)構(gòu)體上，當(dāng)單樁結(jié)構(gòu)上的負摩擦力過大時，負摩擦力就會轉(zhuǎn)換成正摩擦力。為避免該情況的發(fā)生，可將內(nèi)隔板作為承載力的劃分界面，對單樁承載力進行計算，計算公式如下

式中：R′為單樁承載力；l 為單樁長度；U 為承載力劃分界面；q 為單樁結(jié)構(gòu)自身強度；i 表示土層。由公式（2），可完成單根樁體承載力的計算。

2.2 樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的選型

為確保樁基礎(chǔ)在整體結(jié)構(gòu)中的承載效能可以得到有效發(fā)揮，基于本文案例研究的樁基礎(chǔ)作用在水利工程的軟土地基中，因此需要對樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的選型進行優(yōu)化設(shè)計。

為滿足軟土地基樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載要求，在設(shè)計中排除擠土效應(yīng)對其的影響，選用鉆孔灌注樁作為其主要結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)單樁結(jié)構(gòu)承載力的計算結(jié)果，該水利工程設(shè)計的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案見表2。

在完成樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計后，按照上述內(nèi)容，對軟土地基中局部樁體的布置進行設(shè)計，設(shè)計結(jié)果如圖1所示。

圖1 軟土地基中局部樁體的布置

2.3 樁體根數(shù)與抗浮設(shè)計

在上述軟土地基樁基礎(chǔ)設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)水利工程相關(guān)設(shè)計文件，對樁基礎(chǔ)承臺面積進行計算，計算公式如下

式中：A 為樁基礎(chǔ)承臺面積；F 為承臺頂部荷載；G 為承臺上部土層重度；ξ 為面積控制系數(shù)；k 為單位面積下承臺結(jié)構(gòu)的效應(yīng)系數(shù)；a 為地基結(jié)構(gòu)承載力。樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中樁體根數(shù)是根據(jù)布置承臺的有效面積進行設(shè)計的，樁體根數(shù)K 的計算公式如下

式中：μ 為樁體間距的大小；B 為減沉效應(yīng)值；f 為土荷載分擔(dān)系數(shù)。需要根據(jù)水利工程軟土地基承載力的設(shè)計要求，完成樁體根數(shù)設(shè)計后，再對樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗浮進行設(shè)計。設(shè)計方案如下：抗浮設(shè)計樁與單樁進行連接，以穿插的方式設(shè)計在局部樁體中間。該穿插方式設(shè)計的優(yōu)點在于能確保樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有足夠大的承載力，而且具有較強的抗浮能力。基于上述設(shè)計方案，完成了對水利工程中軟土地基樁體根數(shù)與抗浮的設(shè)計。

3 變形分析

為了驗證文中軟土地基樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及各項參數(shù)的計算是否正確，根據(jù)施工設(shè)計要求，對某具體水利工程軟土地基的樁基礎(chǔ)進行設(shè)計，并測量了樁基礎(chǔ)的變形情況，從而驗證了該設(shè)計的可行性。根據(jù)文中設(shè)計思路，設(shè)置5 個樁基礎(chǔ)，分別位于該水利工程軟土地基上5 個不同的區(qū)域，并分別以#Z-01、#Z-02、#Z-03、#Z-04 和#Z-05 進行編號，其具體位置如圖2 所示。

圖2 樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位置示意圖

施加不同的荷載，測量5 個不同樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形量，用其與地面之間產(chǎn)生沉降距離的變化量表示其值的大小。測量的變形量結(jié)果見表3。

表3 樁基礎(chǔ)變形量記錄表

通過對表3 中測量的數(shù)據(jù)分析可知，在0～400 kN不同的荷載條件下，5 個樁基礎(chǔ)的沉降量均小于0.20mm；通過進一步分析，不斷增加樁基礎(chǔ)荷載的情況下，5 個樁基礎(chǔ)的沉降量雖然都有增加，但最大沉降量仍小于0.50 mm，都能滿足水利工程軟土地基施工對樁基礎(chǔ)沉降量的變形量的要求。上述測試結(jié)果驗證了本文提出的樁基礎(chǔ)設(shè)計方案，該方案可以實現(xiàn)對樁基礎(chǔ)變形量的有效控制，可應(yīng)用到實際水利工程項目當(dāng)中，進而能夠保證地基的整體穩(wěn)定性。

4 水利工程樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量研究

4.1 做好測量定位工作

水利工程施工開始之前，須根據(jù)施工設(shè)計的要求，進行施工現(xiàn)場地形的測量與勘察，同時根據(jù)工程施工要求，進行施工現(xiàn)場道路、排水設(shè)施的修筑和臨時用電、用水等相關(guān)設(shè)施的布置。若經(jīng)過測量后發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場地質(zhì)屬于病害地質(zhì)類型的話，須采取相應(yīng)的壓實處理措施才能確保施工的順利進行。在放樣測量過程中，主要是利用GPS 全站儀進行灌注樁軸線、樁位、高程等相關(guān)數(shù)據(jù)的測量與定位，為水利工程施工的順利進行奠定良好的基礎(chǔ)。

4.2 做好埋設(shè)護筒工作

孔壁坍塌是影響鉆孔施工作業(yè)的重要因素。若鉆孔深度較大的話，在靜水壓力狀態(tài)下地下水位以下的孔壁土層就會出現(xiàn)孔內(nèi)坍塌或流沙的現(xiàn)象。因此須在鉆孔作業(yè)過程中，根據(jù)具體情況增加孔內(nèi)靜水壓力，才能避免孔壁坍塌現(xiàn)象的發(fā)生。水利工程施工過程中樁基礎(chǔ)的護筒大多應(yīng)采用厚鋼板制作。而護筒的內(nèi)徑須比鉆頭的直徑大20～30 cm，同時根據(jù)施工現(xiàn)場的地質(zhì)情況將其安置于高出地面30 cm 以上的位置，在確保護筒的穩(wěn)定性與準確性符合要求后，才能開始樁基礎(chǔ)施工。

4.3 做好泥漿調(diào)配工作

泥漿是鉆孔灌注樁施工的關(guān)鍵，所以在施工過程中須根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況及時進行調(diào)整，才能在有效降低泥漿失水率的基礎(chǔ)上，促進鉆孔灌注樁施工穩(wěn)定性的有效提升。如水利工程施工過程中所使用的混合材料主要是由膨潤土、紅黏土、外加劑等混合而成，因此須在泥漿配制過程中，不斷地進行泥漿試驗檢測，同時根據(jù)實際的檢測結(jié)果及時調(diào)整泥漿配制參數(shù)，才能確保泥漿性能的指標(biāo)符合工程施工的要求。

4.4 做好樁位、垂直度偏差的控制

樁孔與設(shè)計出現(xiàn)偏差現(xiàn)象是鉆孔灌注樁施工過程中常見的問題，而鉆孔灌注樁施工過程中垂直度的偏差則主要是由鉆孔垂線與軸線的夾角形成的，這也是導(dǎo)致樁位無法對接成功的主要因素。由于這2 種偏差現(xiàn)象會導(dǎo)致樁柱成型后無法進行糾偏，所以必須制定完善的預(yù)防措施，盡可能地避免偏差現(xiàn)象的出現(xiàn)，才能保證鉆孔灌注樁施工的順利進行。

4.5 做好鋼筋籠的制作工作

鋼筋籠是預(yù)防樁位出現(xiàn)偏差現(xiàn)象的主要手段，因此在制作鋼筋籠時，須嚴格按照要求和規(guī)范對所有主筋進行編號，然后才能開始焊接工作。另外，在外箍筋定型時，須將其套于主筋的外部，同時擺放定位支架，才能確保鋼筋籠制作的順利進行。

4.6 水下混凝土的澆筑

在混凝土澆筑施工開始前，須及時進行二次清空作業(yè)，根據(jù)混凝土澆筑施工的要求，進行孔內(nèi)泥漿性能指標(biāo)的試驗，并在確保試驗結(jié)果符合設(shè)計要求和相關(guān)規(guī)范，并交由工程監(jiān)理人員簽字確認后方可進行混凝土澆筑施工。另外，為確?；炷翝仓┕べ|(zhì)量符合工程設(shè)計要求，須采取積極有效的措施保證混凝土澆筑的連續(xù)性并在混凝土初凝發(fā)生之前完成混凝土澆筑，如此才能促進混凝土澆筑施工質(zhì)量的穩(wěn)步提升。混凝土澆筑結(jié)束后，必須及時拆去導(dǎo)管并清理施工現(xiàn)場的泥漿與沉渣，然后根據(jù)工程施工的要求制定相應(yīng)的混凝土養(yǎng)護措施。

5 結(jié)束語

本文以某具體水利工程為例，對軟土地基樁基礎(chǔ)設(shè)計與變形進行研究，該研究結(jié)果可為水利工程建設(shè)提供一定借鑒作用。如果此設(shè)計方案要在水利工程相關(guān)領(lǐng)域進一步推廣，為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展提供全面的助力，那么樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案就需進一步優(yōu)化，根據(jù)水利工程對樁體結(jié)構(gòu)的綜合效應(yīng)，進一步提高承臺的承載力，優(yōu)化樁體結(jié)構(gòu)，如此才能夠?qū)λこ添椖康姆€(wěn)定運營與持續(xù)效益加以保證。