地基處理后閘室穩定計算

沈曉青

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北石家莊 050021）

1 工程概況

某防潮閘于1972年10月動工修建，1973年9月竣工。該閘原設計排澇標準為5年一遇，原設計過閘流量為135 m3/s。閘室總長77 m，總寬39.9 m，每孔凈寬3.5 m，共9 孔，分上、中、下3 層，為胸墻式水閘。閘門均為直升式平面鋼閘門，啟閉機為10 t 手電兩用螺桿式。其主要功能為擋潮、排澇。1979年，因上層閘門封閉不嚴、漏水嚴重，當地水利局對上層閘孔進行了封堵，并將中孔和底孔合并，將閘門改建為平板鋼閘門。

該閘建成至今已運行40 多年，出現了諸多問題：閘墩、機架橋、胸墻、交通橋混凝土破損嚴重，多處開裂、剝落、破碎，露筋銹蝕嚴重，部分箍筋已銹斷；鋼閘門銹蝕嚴重，邊梁、頂梁多處銹穿，止水損壞；啟閉機大部分已不能運用，5 號啟閉機底座斷裂；電氣設備陳舊老化等。

2 工程地質

該防潮閘工程區地質結構自上而下依次為人工堆積層，厚0.5～2.4 m；第四系全新統上段陸相沖積層，厚2.9～4.1 m；第四系全新統中段海相沉積層，厚7.3～12.9 m；第四系全新統中段海陸交互相沉積層，厚12.8～17.0 m；第四系全新統下段陸相沖積層，揭露最大厚度8.8 m。地層整體呈黏性土、砂土多層結構。

防潮閘除險加固后閘室底板高程-2.5 m。基礎位于第四系全新統中段海相沉積層淤泥質黏土層中，該層有效厚度約4 m，呈流塑—軟塑狀態，壓縮系數a1-2=0.35～1.36 MPa-1，具高壓縮性，易產生沉降問題，承載力特征值fak=70 kPa，承載力低，不宜作為基礎持力層。

3 工程布置

對原閘室進行復核計算，其抗滑穩定性以及閘室底板強度不滿足規范要求，故對原閘室進行拆除重建。重建閘室采用鋼筋混凝土開敞式結構，閘室總長106 m。其中，上游段長30 m，閘室段長15 m，下游段長61 m。

新建閘室段長15 m，中墩厚1.3 m，縫墩和邊墩厚1.1 m，閘室為5 孔，凈寬為6 m，分為3 孔1 聯和2個單孔為1聯，其中3孔1聯段寬為22.6 m、2個單孔1聯段各為8 m，閘室總寬度為38.6 m。閘室底板厚1.6 m，高程-2.5 m，墩頂高程為4.65 m。工作閘門上下游各設置檢修閘門1 扇，交通橋布置在工作閘門上游側，橋寬4.0 m。墩上設凈寬1.5 m的檢修板，板厚0.3 m。閘墩上設排架，排架頂高程為12.05 m。排架頂設機架橋，機架橋頂高程12.65 m。機架橋頂設啟閉機室，啟閉機室地面高程為12.65 m。

4 閘室穩定計算

閘室穩定計算采用《水閘設計規范》（SL265-2001）中公式進行計算。抗滑穩定系數計算公式為：

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數為沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數容許抗滑穩定安全系數；∑G為作用于閘室上的全部豎向荷載（kN）；∑H為作用于閘室上的全部水平向荷載（kN）；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數。

地基應力驗算采用下式計算：

水閘底板基礎坐落在淤泥質黏土上，飽和固結快剪指標取c=14.9、?=9.3°，地基承載力特征值fa=70 kPa。取閘室中間3孔1聯進行穩定計算，計算工況見表1，穩定及基底應力計算成果見表2。

表1 閘室穩定計算水位組合

表2 閘室穩定計算成果

經計算，閘室在工況一時地基承載力不滿足規范要求、工況三時抗滑安全系數不滿足規范要求，故需進行地基處理。

5 地基處理后閘室穩定計算

地基處理采用《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）中公式進行計算。計算采用樁長為18 m，樁徑為1.0 m，樁間距為3.5 m 的鋼筋混凝土灌注樁對閘室基底進行處理。

采用鉆孔灌注樁基礎以后，閘室底板即樁頂承臺，樁頂嵌入閘室底板，樁頂材料的抗剪斷能力是不可忽略的阻滑力。

根據《水閘設計規范》，對于土基上采用鉆孔灌注樁基礎的水閘來說，驗算沿閘室底板底面的抗滑穩定性應計入樁體材料的抗剪斷能力，即應在下式的分子項中計入樁體材料抗剪斷強度與樁體橫截面面積的乘積。

式中：φ0為閘室基礎底面與土質地基之間的摩擦角（°）；C0為閘室基底面與土質地基之間的粘結力（kPa）；A為閘室基底面的面積（m2）；其余符號意義同上。

但是，對于抗彎性能好的鋼筋混凝土灌注樁來說，在樁身斷裂之前，樁身的水平位移已經超過建筑物的允許值，所以此種情況應由水平位移作為控制條件來進行閘室穩定計算。

當樁頂發生水平位移時，閘室基底的水平力應考慮群樁基礎的作用效應，基于《建筑樁基技術規范》中公式，群樁基礎的基樁水平承載力特征值按下式計算：

式中：Rh為單樁基礎或群樁中基樁的水平承載力特征值（kPa），對于單樁基礎，可取單樁的水平承載力特征值；Rha為單樁水平承載力特征值（kPa）；ηh為群樁效應綜合系數；ηi為樁之間相互影響效應系數；ηr為樁頂約束效應系數；ηl為承臺側向土水平抗力效應系數；ηb為承臺底摩阻效應系數；sa d為沿水平荷載方向的距徑比；n1，n2分別為沿水平荷載方向與垂直水平荷載方向每排樁中的樁數；m為承臺側向土水平抗力系數的比例系數；χ0a為樁頂水平位移允許值（mm），本次設計取6 mm；Bc′為承臺受側向土抗力一邊的計算寬度（m）；Bc為承臺寬度（m）；hc為承臺高度（m）；μ為承臺底與地基土間的摩擦系數；Pc為承臺底與地基土分擔的豎向總荷載標準值（kN）；ηc為承臺效應系數；fak為承臺下1/2承臺寬度且不超過5 m深度范圍內各層土的地基承載力特征值按厚度加權的平均值；A為承臺總面積（m2）；Aps為樁身截面面積（m2）；n為樁基中的樁數。

其中，單樁水平承載力特征值可按下式估算：

式中：Rha為單樁水平承載力特征值（kPa）；EI為樁身抗彎剛度，對于鋼筋混凝土樁，取EI=0.85EcI0；α為樁的水平變形系數；χ0a為樁頂允許水平位移（mm）；vx為樁頂水平位移系數；m 為樁側土水平抗力系數的比例系數；b0為樁身的計算寬度（m）。

計算過程中以水平位移作為控制條件，取χ0a=6 mm。將由此計算得出的樁身承擔的水平承載力計入閘室穩定計算各個工況中的水平力中進行穩定計算。計算工況同表1，計算成果見表3—4。

表3 地基處理后閘室穩定系數計算成果

表4 地基處理后閘室基底應力計算成果

由上表可以得出，經過地基處理之后，閘室的抗滑穩定以及地基應力均滿足規范要求。

6 結語

對于以樁身強度控制的低配筋灌注樁來說，樁在破壞之前，樁身與地基的變形是協調的，相應的樁身產生了內力，隨著樁身變形與內力的增大，經常是樁身首先出現裂縫，然后斷裂破壞，應由樁身強度作為控制條件進行閘室穩定計算。對于抗彎性能好的鋼筋混凝土灌注樁來說，樁身雖未斷裂，但樁的水平位移已經超過建筑物的允許值，應由水平位移作為控制條件來進行閘室穩定計算。實際工程中上述兩種情況應加以區分。