水闸软土基础处理方案设计选择

关键词：水闸工程；软基处理；钻孔灌注桩；搅拌桩 

　　由于广东位于沿海地区，水闸工程所处的地基土通常都具有含水量高、压缩性大、承载力低、厚度不均等特点，若水利工作者没有选择合理的软基处理方案，不仅会影响到水闸整体功能的发挥，甚至会给水闸日常的运作带来严重的安全隐患。因此，如何选择合适的软基处理方案就成为水利工作者当前亟待解决的难题。本文通过对钻孔灌注桩及搅拌桩这两种处理方案进行探讨，通过方案比选，最终选取了搅拌桩复合地基作为水闸软基基础处理的优选方案，并取得了较好的经济效益。 

　　1 工程概况 

　　某水闸经多年运行，多次经受台风、暴雨和海潮的袭击，自然老化和损坏的程度严重，存在的问题较多。经水利局组织专家组，对水闸进行了安全鉴定，根据工程存在的实际情况，结合有关规范规程，将水闸定为4类水闸，决定对水闸进行拆除重建。 

　　水闸的设计涉及到多个方面，本文仅就水闸地基处理设计方面进行阐述。 

　　2 工程地质 

　　根据地质钻探资料，水闸地基自上而下为人工填土层、淤泥层、粉土层、中砂砾砂层、残积土层、强风化花岗岩和弱风化花岗岩，具体分述如下： 

　　1）人工填土：层厚为0～2.70m，灰黄色，以粉质粘土、粉土为主； 

　　2）淤泥：层厚为1.83～24.0m，深灰色，饱和，流塑，含贝壳碎片及腐殖质，底部为淤质土； 

　　3）粉土：层厚为0～2.50m，浅灰色，湿，软塑，由粉粒、粉细砂混合组成，具粘性； 

　　4）中砂、砾砂：层厚为1.8～4.1m，灰黄色，饱和，稍密～中密，含泥，部分含卵砾石； 

　　5）残积土：层厚为5.1～11.3m，灰绿色～灰黄色，湿，可塑～硬塑，由粘土矿物、长石、石英砂及少许暗色矿物组成，岩石风化成土状，组织结构已破坏； 

　　6）强风化花岗岩：层厚为0.7～2.4m，灰褐色，岩石呈半岩半土状，原岩组织结构大部分已遭破坏，岩心为碎渣、碎块状，手折易断； 

　　7）弱风化花岗岩：浅灰白色，坚硬，岩蕊呈块状，短柱状，见铁质浸染。 

　　3 闸基处理设计方案比较 

　　3.1 钻孔灌注桩方案 

　　3.1.1 持力层的选取，桩型和桩长的确定，基桩竖向承载力的确定 

　　分别取残积土层、花岗岩强风化层为持力层，并取桩径为0.80m、1.0m、1.2m进行计算。经对造价进行综合对比，当采用残积土层作为桩基持力层时，桩径为0.80m、1.0m、1.2m的灌注桩造价分别为：11元/kN、12.7元/kN、13.9元/kN；采用强风化花岗岩作为桩基持力层时，桩径为0.80m、1.0m、1.2m的灌注桩造价分别为：8.5元/kN、9.5元/kN、10.9元/kN。经比较并结合工程的实际情况，拟选用桩径为0.8m的灌注桩，桩基持力层采用强风化花岗岩，桩长l=31.0m，经计算，取单桩承载力设计值R=1650kN。 

　　3.1.2 基桩水平承载力的确定 

　　代入计算得：Rh=160kN 

　　3.1.3 桩数的确定和布置 

　　①根据单桩水平承载力确定桩数[取荷载组合4：挡潮情况（P=2%），闸上、下游水位分别为0.45、1.71m]（中3孔） 

　　②根据单桩竖向承载力确定桩数 

　　综合以上2种计算结果取n=20。 

　　3.1.4 桩基竖向荷载验算 

　　作用于基桩上荷载设计值的平均值N和最大值Nmax，按下式计算并应满足： 

　　①按完建情况下荷载组合进行验算 

　　②按挡潮情况下荷载组合进行验算 

　　满足要求。 

　　③桩的负摩擦力问题 

　　当桩基及水闸工程完建后，水闸上下游淤泥层由于没有进行地基处理，当承受一定荷载时以及自重固结将引起沉降，而闸室下的淤泥层不承受上部结构荷载，两者之间将产生沉降差，因而必然会对闸上下游侧边桩产生负摩擦力。取淤泥层底面作为中性点，则其上产生负摩擦，其下产生正摩擦。经计算，桩周的负摩擦力：Nf1=828.5kN，桩周正摩擦力Nf2=1666.7kN。 

　　3.1.5 桩基水平向荷载验算 

　　根据荷载组合4作用在中3孔上的合力为2362.9kN作用在单桩上的水平荷载： 

　　3.1.6 桩基的内力与位移验算 

　　根据地质钻探资料，在荷载组合4作用下，采用桩土横向荷载共同作用的程序进行计算，得出结果为： 

　　最大弯矩为Mmax=240.97kN#m，最大剪力为Qmax=120.38kN，桩顶位移为U=30mm。由于计算单桩承受水平力时考虑Kc=1.25的安全系数，故桩顶实际水平位移应小于30mm，约25mm左右。 

　　桩身的最大应力出现在中性点，中性点压力最大为： 

　　桩身所受最大应力为： 

　　故桩身的强度是足够的。 

　　3.1.7 沉降计算 

　　桩基的沉降S可分为2部分，分别是桩身的压缩变形S1和桩底强风化花岗岩的沉降S2，即S=S1+S2。 

　　取桩身弹性模量E0=2.55×107kPa，经计算，桩身最大压缩变形为： 

　　桩底土的压缩引起的沉降，强风化花岗岩的E=2×105kN/m2，L=0.25，则其产生的沉降： 

　　故桩顶的沉降，也即闸底板的沉降为： 

　　3.2 搅拌桩方案 

　　3.2.1桩长桩径的确定 

　　根据水闸地质钻探资料，淤泥层底高程在-19.85～-22.40m，而水闸底板底面设计高程为-3.0m。为降低地基沉降量，拟取搅拌桩桩底高程为-22.80m，即桩的持力层为相对硬层的中砂或粉土层，则桩长l=19.80m，搅拌桩的直径取d=50cm。 　　3.2.2单桩竖向承载力的确定 

　　根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）规定，单桩承载力标准值按下列公式计算，并取其中较小值： 

　　将以上数据分别代入上述两公式得： 

　　则单桩的竖向承载力RK=min{Rk1，Rk2}=168kN，取RK=165kN。 

　　3.2.3 复合地基的承载力计算（中三孔） 

　　1）面积置换率 

　　其中fs为桩间土天然承载力标准值，取fs=40kPa；B为桩间土承载力折减系数，取B=0.2；fck为复合地基承载力标准值，取fck=R设=75kPa。 

　　代入计算， 

　　2）桩的布置，总桩数 

　　拟取桩的桩距为1.5m，则中三孔的桩数为n=10×19=190根，实际置换率： 

　　3）复合地基的承载力标准值 

　　3.2.4 桩群总竖向承载力复核 

　　代入计算，得： 

　　满足要求。 

　　3.2.5 地基沉降计算 

　　1）处理加固土层（桩群）的沉降量 

　　代入计算，得： 

　　2）桩端下土层的沉降量 

　　根据地质钻探资料，粉土层的下卧层为中粗砂～砾砂，但下为残积土，强风化岩低压缩性土，故只取粉土层厚度作为总压缩层厚度进行计算。经计算得：S2=017cm 

　　3）地基总沉降量计算 

　　根据以上计算方法，同时附上对水闸边1孔、岸墩和边墙的地基采用搅拌桩进行处理计算结果见表1。 

　　3.2.6 考虑淤泥层震陷的地基处理方案 

　　根据《广东省地震烈度区划图》，水闸工程区地震基本烈度为Ⅷ度，闸基下淤泥层发生在Ⅷ度地震时可能产生震陷，从而导致水闸随之产生附加的沉降及不均匀沉降，以及深层的抗滑稳定等问题。为解决上述问题，拟将原闸基搅拌桩均匀布置方案改为格栅状布置。该方案由