某進水閘粉砂地基碎石樁加固前后沉降模擬分析

王 濤，崔瑩瑩

（南通市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 南通 226006）

某進水閘粉砂地基碎石樁加固前后沉降模擬分析

王 濤，崔瑩瑩

（南通市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 南通 226006）

粉砂地層上修建水閘等水工建筑物，易發生管涌、流土等滲透破壞、閘基不均勻沉降、閘基粉砂地震液化現象。為使閘基沉降符合工程要求，避免發生管涌、流土以及地震液化現象，需進行地基處理。文章以某進水閘為例，采用閘底板砂礫石墊層和振沖碎石樁復合地基的型式，通過ABAQUS軟件對加固前后的地基沉降進行了數值模擬分析，得到了加固前后粉砂地基的沉降規律，為設計、施工提供了科學的依據。

粉砂；閘基；振沖碎石樁；有限元

隨著近年來國家對水利等方面的基礎設施投資規模的大幅增長，我國修建了各類大中小型的水利工程項目，大如南水北調工程，小到中小河道治理、灌區節水改造等工程。由于修建位置不同，所處的地層等地質條件也不盡相同，這其中也存在相當一部分的工程修建在粉砂地層上。尤其是修建在粉砂地層上的水閘、壩等建筑物，受到閘壩自重、外部荷載、滲透力、地震等作用下，易發生管涌、流土等滲透破壞，閘基會產生較大不均勻沉降，地基在地震的作用下會發生地震液化現象，甚至引起上部結構斷裂［1-2］。為使沉降符合工程要求，避免發生管涌、流土以及地震液化現象，必須采取合適的地基處理措施。適用于粉砂地基的處理方法主要有強夯法、注漿法、振沖法、水泥土攪拌等，其中振沖法可以擠密粉砂地基，大幅降低地基的不均勻沉降，也極大的降低了地震液化的可能性［3-4］。振沖法加固粉砂地基的原理是利用振沖器的振動使其周圍的飽和砂土發生液化，顆粒重新排列，孔隙減少，在振沖過程中加入碎石，使粉砂層進一步擠壓，達到擠密的效果［5-6］。文章以某進水閘為例，采用閘底板砂礫石墊層和振沖碎石樁復合地基的型式，通過ABAQUS軟件對加固前后的地基沉降進行了數值模擬分析，得到了加固前后粉砂地基的沉降規律，為設計、施工提供了科學的依據。

1 工程概況

某進水閘處地層巖性主要為粉土和粉砂，上部2.0～4.5m為粉土，承載力100kPa，其下全部為青灰色粉砂，承載力80kPa。設計流量為15m3/s，最大流量為20m3/s，閘室為鋼筋混凝土結構，共3孔，單孔凈寬4m，閘室總寬16m，順水流向長13m，三孔共用閘底板，底板厚1m，閘墩高3.2m，厚1.0m，閘順水流向自上游向下游依次是閘房、交通橋、16m長消力池段、海漫段、護底段和導流段，總長80.6m。由于地基承載力不足，在閘底板下順水流向間距3m、垂直水流向間距2.5m布置樁徑1m、樁長11m的振沖擠密碎石樁。

2 計算模型及參數

2.1 計算模型

根據水閘的規模，數值模型的計算范圍順水流向分別向上、下游均延伸5m，垂直水流向分別向左、右各延伸5m，模型的尺寸為26m×23m。模型的邊界條件按以下規定：模型上邊界為自由邊界，下邊界為三向約束的固定邊界，四周的邊界施加水平向約束。樁的底部邊界采取三向約束的固定邊界，樁與樁周土之間為綁定接觸。采用ABAQUS軟件中的四面體單元C3D4來模擬加固前后的地基，其中加固前地基共劃分91784個單元，17287個節點；加固后地基單元共劃分118133個，25645個節點。加固前后計算模型的網格剖分圖如圖1所示。

圖1 計算模型網格剖分圖

2.2 模型計算參數

粉砂地基及碎石樁采用摩爾庫倫計算模型，其中粉砂的密度為1.8kg/m3，碎石樁的密度為2.2kg/m3，其他計算參數見表1。

表1 模型計算參數

2.3 碎石樁設計參數選取

在樁長、樁徑確定情況下，碎石樁的設計參數主要是確定樁間距和樁的布置形式。樁間距增大會使樁承擔的承載力減少，粉砂地基承擔的承載力增加，復合地基的壓縮變形增大，也會使承臺的面積和體積增大，增加工程造價；樁距太小則會使樁身內力增大，不利于樁間土承載力的發揮，且會造成施工困難。樁距一般為3～4d，樁邊距不小于樁的直徑且不得超過樁徑300mm。本工程根據閘室的上部結構，沿齒墻、邊墩和中墩的底面布置碎石樁，順水流向間距3m、垂直水流向間距2.5m。樁的布置應使各樁受力均勻，承臺上荷載作用點與群樁重心重合，能抵抗樁在受水平荷載和彎矩大的方向產生彎矩。根據上述參數和原則，樁的布置及網格劃分如圖2所示。

圖2 樁的布置和網格剖分圖

3 結果及分析

進水閘結構荷載由振沖碎石樁復合地基的粉砂地基土和碎石樁共同承擔，且水閘常年在設計水位下運行，為了模擬復合地基的沉降，假設粉砂地基與碎石樁在上部荷載作用下一起沉降。加固前后的復合地基沉降位移模擬結果如圖3所示，加固前后典型剖面的沉降位移等值線圖如圖4所示。

圖3 地基沉降位移分布云圖

由圖3可知：加固前受閘室荷載的作用，閘墩齒墻底部粉砂地表的沉降均大于規范允許值0.05m，且粉砂地基發生不均勻沉降，易造成閘底板拉裂，威脅水閘的安全運行；而振沖碎石樁加固后的粉砂地基在閘室荷載作用下，相同部位的地表沉降最大值僅為0.018m，滿足規范要求，閘室底板地基的沉降差異較小，承載力得到明顯提高，說明樁基參數及布置形式合理，能夠滿足上部閘室荷載的要求。

圖4 地基豎向沉降等值線圖

由圖4可知：加固前受閘室荷載的作用，中墩剖面閘底板前齒墻下粉砂地基地表的沉降值為0.071m，中墩剖面閘底板后齒墻下粉砂地基地表沉降值為0.064m，邊墩剖面閘底板前齒墻下粉砂地基地表的沉降值為0.072m，邊墩剖面閘底板后齒墻下粉砂地基地表沉降值為0.068m，閘室沉降偏差較小，不會發生大的傾斜，但總體沉降量大于規范要求，易造成閘室與上游護坦、下游消力池等結構之間產生錯位，影響水閘的正常運行；而振沖碎石樁加固后的粉砂地基在閘室荷載作用下，中墩剖面閘底板前齒墻下粉砂地基地表的沉降值僅為0.022m，中墩剖面閘底板后齒墻下粉砂地基地表沉降值為0.02m，邊墩剖面閘底板前齒墻下粉砂地基地表的沉降值為0.021m，邊墩剖面閘底板后齒墻下粉砂地基地表沉降值為0.02m，閘室沉降偏差僅為0.002m，沉降均勻，總體沉降量滿足規范要求，閘室結構不會發生傾斜，能夠滿足上部閘室在各種荷載作用下安全、穩定運行的要求。

4 結論

采用ABAQUS軟件對進水閘粉砂地基在振沖碎石樁加固前后的地基沉降位移進行了數值模擬，分析粉砂地基在加固前、后的沉降變形，得到了地基沉降變形規律，加固前沉降均大于規范允許值，地基發生不均勻沉降，加固后沉降最大值僅為0.018m，滿足規范要求，閘室底板地基的沉降差異較小；加固前中墩及邊墩剖面閘底板總體沉降量大于規范要求，易造成閘室與上、下游結構錯位，影響水閘的正常運行；加固后閘室沉降偏差僅為0.002m，總體沉降量滿足規范要求，閘室結構不會發生傾斜，能夠滿足安全、穩定運行的要求。

［1］趙志江，孫宇臣，姚旭初，等.振沖碎石樁法地基處理在榆林莊閘改建工程中的應用［J］.水利規劃與設計，2013（11）：84-86.

［2］呂起云，楊紹江.振沖碎石樁在出流改造工程中的應用［J］.水利規劃與設計，2012（04）：72-74.

［3］余錦地，吳文峰，朱亞磊.無填料振沖擠密法在粉砂土地基處理中的應用［J］.人民長江，2013，44（09）：44-46+66.

［4］劉涵.某泵站廠房泥質粉砂巖地基固結沉降有限元分析［J］.水利科技與經濟，2016，22（08）：37-40.

［5］于德國，寧亞瑜.碎石樁復合地基在處理可液化地基中的應用［J］.廣東石油化工學院學報，2014，24（03）：74-76.

［6］李效明，袁偉.振沖碎石樁在易液化粉土地基處理中的作用［J］.中國水運，2011，11（03）：228-229.

TV223.2

B

1672-2469（2017）10-0165-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.047

2017-03-09

王 濤（1984年-），男，工程師。