徒駭河壩上閘基礎處理方案設計

曹 陽，包第嘯，徐 成，陳星宇

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410000；3.溧陽市水利局，江蘇 溧陽 213300)

大部分水閘都建筑在平原區第四系松散堆積層上，覆蓋層較厚，往往會遇到諸如松散的砂土以及軟弱黏土地基。由于近年來新建水閘對閘上交通、建筑景觀、使用功能等要求的不斷提高，結構越趨于繁雜，導致傳至地基的荷載也相應增加。但在各類荷載的作用下，地基必須始終穩定，尤其是沉降與不均勻沉降應在規范允許的范圍內。因此，對天然地基尤其是松散、軟弱、易液化的地基加固與處理，是水閘設計的重中之重。與建筑地基處理的方法類似，根據不同的地基情況、結構特點和施工條件[1]，水閘的土基處理主要有：換填墊層法、強力夯實法、復合地基、樁基礎與沉井基礎等。本文以徒駭河壩上閘除險加固工程為案例，對復合地基和樁基礎2類基礎處理方案進行設計，并按步驟計算、分析。

1 工程概況

徒駭河壩上閘除險加固工程位于濱州市沾化區富國鎮壩上村東，徒駭河下游。根據現狀調查，該閘運行年限達49a，工程老化嚴重，經安全鑒定為四類閘，需報廢重建。

改建徒駭河壩上閘位于原閘址下游約290m處，工程等別為Ⅱ等，工程規模大(2)型，主要建筑物級別為2級。設計洪水標準按照“1961年雨型”(相當于50a一遇)，相應洪水流量1411.7m3/s，該流量下閘上游水位5.81m，閘下游水位5.72m；校核洪水標準采用100a一遇，其洪峰流量為1590m3/s，該流量下徒駭河壩上閘上游水位6.66m，下游水位6.57m。

改建壩上閘為開敞式河道型平底水閘，共計12孔，單孔凈寬12.0m，閘孔總凈寬144.0m，總寬160.5m。閘室底板順水流方向長20m，采用分離式底板，底板頂部高程-1.60m，底部高程-3.10m，底板厚度1.50m。閘墩順水流方向長度19.1m，寬度1.5m，閘墩頂部高程7.4m，閘墩高度9m，閘上交通橋橋面高程8.5m。閘室縱剖面如圖1所示。

2 閘址工程地質概況

閘址處地層從上到下依次為：

圖1 閘室縱剖面圖

表1 徒駭河壩上閘地基土體物理力學指標

閘址土體物理力學指標見表1。

閘底板設計底高程-3.10m，位于③層粉砂頂部，③層粉砂土質不均，多夾軟弱黏土團塊及貝殼碎片，下伏④層砂壤土、④-2層粉砂地層，為可能液化土層，易產生滲透變形。③層粉砂頂部1.0m范圍內砂層疏松，多夾有腐殖質，土質不均，呈淤泥質粉砂狀，承載力較低，天然地基不宜直接作為閘室持力層。

3 基礎處理方案

對4種處理方案進行技術比選，分別為振沖碎石樁、水泥土攪拌樁、旋噴樁復合地基和鉆孔灌注樁基礎。

3.1 方案一，振沖碎石樁復合地基

作用機理：振沖法是將需要加固處理的軟土地基中插入帶上下噴水口的振動器，啟動振動器后，在下部射水與水平向震動力的共同作用下，以每分鐘0.5～3m的速度擠入地基中并下沉到加固設計標高[2]，此時孔周土體已在震動作用下變得密實。關閉下噴水口開啟上噴水口并向孔內填入碎石、礫石、砂等填料，同時噴水震動使填料密實度達到設計要求后逐漸上提振沖設備，此時孔內及周圍土體已被擠密。復合地基由振沖樁與樁間土共同構成，該方案可顯著提高地基承載力、減少變形，同時避免地震液化風險。

適用土體：參考《建筑地基處理技術規范》中7.2.1節內容。當地基土為砂土或砂壤土時，處理效果最佳，而對黏性土的加固效果不及砂土地基。對黏粒含量大于10%、含水量較大、抗剪強度較低的軟黏土地基不再適用。

方案適用性分析：本工程閘室基礎下液化土層厚度達12.9～13.4m，經振沖樁承載力計算，振沖樁樁徑1.0m，樁間距2m，樁體應穿過液化深度下界，故樁長14m，樁長較長。地基處理范圍為閘室基礎外緣外擴7m，需大面積滿堂布置，處理的范圍較大，因此，所需樁體材料量極大。碎石材料必須從工程區170km外的鄒平縣西董鎮的石料場購買，將大大增加工程投資，故該方案經濟性較差。

3.2 方案二，水泥土攪拌樁復合地基

作用機理：使用某種攪拌機械將地基深處的軟土與固化劑(水泥漿液或粉體等材料)進行攪拌，使原軟土地基硬結成可以達到設計強度且整體性與水穩性較高的水泥加固土復合地基，該方案可有效提高地基土強度和變形模量。

適用土體：參考上述規范7.3.1節內容。

方案適用性分析：①本工程閘址區地下水對混凝土具一般酸性型弱腐蝕、鎂離子型強腐蝕、硫酸鹽型強腐蝕，為提高水泥土的抗侵蝕性能需選用抗硫酸鹽水泥。②閘址基礎下土層滲透性較好，具有良好的滲流通道，其中③層粉砂滲透變形類型為管涌，固化劑可能會在尚未硬結時遭地下水沖洗掉，達不到地基處理的預期效果，影響基礎處理質量。③閘室中墩基底應力最大值Pmax=201.47kPa，平均基底應力最大值P=130.71kPa；閘室邊墩基底應力最大值Pmax=261.07kPa，平均基底應力最大值P=247.52kPa。而通過水泥土攪拌樁所加固的地基，其承載力普遍小于200kPa，一般在120～180kPa之間，樁徑500mm的攪拌樁單樁承載力不超過150kN，因此，水泥土攪拌樁不適用于本工程。

3.3 方案三，高壓旋噴樁復合地基

作用機理：利用鉆機鉆至于高壓旋噴樁底部設計高程，漿液通過加壓裝置從旋噴注漿管的噴嘴中高速噴出，形成一股高能量液流破壞并攪動土體。旋轉噴射的同時鉆桿抬升，這樣土體與漿液便可充分混合，在土中形成柱狀固結體，從而使地基得到加固。

適用土體：參考上述規范7.4.1節內容。

方案適用性分析：本工程地基除了承載力外還存在地震液化問題，通過高壓旋噴樁對閘室上、下游進行圍封以解決地基的液化問題并提高承載力。但閘址基礎下土層滲透性較好，同時有機質含量高，對漿體的穩定性影響極大，從而影響地基處理效果。

3.4 方案四，鉆孔灌注樁基礎

鉆孔灌注樁分類：灌注樁可分為摩擦型和端承型兩大類。摩擦型灌注樁主要由樁側摩阻力承擔大部分荷載，而端承型主要依靠樁端阻力來承擔荷載。根據水閘類工程的運行特點，水平荷載以水壓力為主，在水壓力的作用下，閘底板與地基土之間必須緊密接觸以免產生滲流通道，因此，土質地基若選用灌注樁，一般以摩擦型灌注樁最為常見。

適用土體：覆蓋層較深厚的地基，或上部松軟、下部堅硬的地基[1]。

方案適用性分析：閘室基礎下液化土層厚度達12.9～13.4m，采用樁徑0.8～1.0m的樁基礎穿過液化土層，⑤層粉細砂作為樁基礎的持力層。灌注樁可提供較高的豎向承載力，足以承擔水閘運行時所產生的全部豎向荷載，通過多年來的工程經驗，灌注樁基礎可以很好地控制不均勻沉降，可使建筑物的傾斜不超過允許范圍。灌注樁具有較強的側向剛度和良好的抗傾覆能力，可抵御水平荷載(如風荷載、地震荷載等)以及所產生的力矩，進一步提高徒駭河壩上閘的抗傾穩定性。樁身穿過液化土層，樁端支撐在穩定的堅實土層，當地震導致表層土體液化與震陷時，坐落于深部穩固土層的樁基仍具有很強的抗壓與抗拔承載力，從而可保證水閘的穩定，使其不產生過大的沉陷與傾斜。因此采用樁基礎可靠性更高。

3.5 基礎處理方案確定

考慮到基礎承載力較低，且表層疏松不均勻，以及地基土層地震液化問題，通過上述分析，閘室采用如下處理措施：①因樁基礎水平承載力需要，閘室基礎墊層以下1.5m深(-3.2～-4.7m)的疏松粉砂層采用水泥土進行換填，水泥摻入比10%，換填分2層碾壓，壓實度0.95。水泥采用42.5抗硫水泥。②均采用C40鋼筋混凝土灌注樁對地基進行處理，樁徑0.8m。

4 樁基布置

中墩順水流方向布置2列樁基，樁間距3.0m，垂直水流方向布置7排樁基，樁間距2.6m，共計14根樁基，單樁樁長24.0m。布置如圖2—3所示。

邊墩采用鋼筋混凝土扶壁式擋土墻結構，邊墩底板垂直水流方向布置9排樁基，樁間距2.4m，順水流方向布置5排樁基，樁間距2.6m，共計45根樁基。布置如圖4—5所示。

5 計算過程

5.1 工況和水位計算

閘墩樁基計算水位組合見表2。

5.2 樁基計算過程

5.2.1單樁豎直方向的承載力特征值

計算公式：

(1)

Quk=Qsk+Qpk=μ∑qsikli+qpkAp

(2)

式中，安全系數K=2；qsik、qpk可通過地質資料查詢。其他系數參考JGJ94—2008《建筑樁基技術規范》中式(5.2.2)與式(5.3.10)中描述。

圖2 徒駭河壩上閘中墩樁基礎布置平面圖(單位：mm)

圖3 徒駭河壩上閘中墩樁基礎布置剖面圖(單位：mm)

圖4 徒駭河壩上閘邊墩樁基礎布置平面圖(單位：mm)

圖5 徒駭河壩上閘邊墩樁基礎布置剖面圖(單位：mm)

表2 徒駭河壩上閘閘墩樁基計算水位組合表

閘室底板基礎采用水泥土換填1.5m厚的③層粉砂后，經計算，直徑為0.8m的灌注樁豎向承載力特征值Ra見表3。

表3 灌注樁單樁豎直方向的承載力特征值

5.2.2單樁水平向承載力特征值

若混凝土灌注樁配筋率大于0.65%，單樁水平向承載力特征值Rha采用如下公式：

(3)

式中，EI=0.85EcI0；χoa=5mm；νx=0.94；樁的水平變形系數α計算公式見上述規范5.7.5中內容，其他系數參考該規范中式(5.7.2-2)中描述。

閘室底板基礎以下1.5m采用水泥土換填，經計算，在非地震工況下樁側水平抗力系數的比例系數m=5.2MN/m4；在地震工況下樁側水平抗力系數的比例系數m=2.3MN/m4。直徑為0.8m的灌注樁水平承載力特征值Rha詳見表4。

表4 灌注樁單樁水平向承載力特征值

5.2.3群樁中基樁或復合基樁單樁豎向力

計算公式為：

(4)

式中，系數參考上述規范中式(5.1.1- 1)與(5.1.1- 2)中描述。

5.2.4單樁承受水平力

計算公式：

(5)

式中，系數參考上述規范中式(5.1.1- 3)中描述。

5.2.5樁長長度復核

初步擬定樁長代入上述公式復核是否滿足規范要求，若滿足則說明樁基布置合適。判斷公式如下：

Nk≤Ra

(6)

Nkmax≤1.2Ra

(7)

Hik≤Rh

(8)

NEk≤1.25Ra

(9)

NEmax≤1.5Ra

(10)

對于單樁基礎，Rh=Rha。式中系數參考上述規范中式(5.2.1- 1～4)中描述。

5.3 樁基計算成果分析

5.3.1中墩樁基(直徑0.8m)

在地震工況下，單樁最大豎向力Ni=1299.30kN(正常擋潮+地震工況(逆河向))，單樁最大水平力Hik=155.40kN(正常蓄水+地震工況(順河向))；在非地震工況下，單樁最大豎向力Ni=1099.21kN(校核擋水工況)，單樁最大水平力Hik=142.70kN(校核擋水工況)。在地震工況下單樁豎向承載力特征值Ra=1107.50kN，單樁水平承載力特征值Rha=162.94kN；在非地震工況下的單樁豎向承載力特征值Ra=1435.67kN，單樁水平承載力特征值Rha=178.26kN。

地震工況時，Ni<1.25Ra=1.25×1107.50=1384.38kN，Hik<1.25Rha=1.25×162.94=203.68kN，滿足要求；

非地震工況時，Ni

5.3.2邊墩樁基

在地震工況下，單樁最大豎向力Ni=1007.77kN(正常蓄水+地震工況(垂直河向))，單樁最大水平力Hik=178.90kN(正常擋潮+地震工況(垂直河向))；在非地震工況下的單樁最大豎向力Ni=1039.36kN(完建工況)，單樁最大水平力Hik=100.30kN(校核擋水工況)。直徑0.8m的樁基，在地震工況下的單樁豎向承載力特征值Ra=1107.50kN，單樁水平承載力特征值Rha=162.94kN；在非地震工況下的單樁豎向承載力特征值Ra=1435.67kN，單樁水平承載力特征值Rha=178.26kN。

地震工況時，Ni<1.25Ra=1.25×1107.50=1384.38kN，Hik<1.25Rha=1.25×162.94=203.68kN，滿足要求；非地震工況時，Ni

6 結語

(1)本工程屬軟土基礎，承載力較低、液化土層較深，且土層有機質含量較高，因此，選擇合適的樁型以及樁長應作為重點問題分析。

(2)樁型的選取，除了考慮土體的適用性以外，還應對施工難度、工程進度、造價及樁體的可靠性進行綜合比較分析。