混凝土灌注樁水閘設(shè)計(jì)問題探討

王明龍 范澤華 尤 波

(中國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水和農(nóng)村供水技術(shù)協(xié)會(huì)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心，北京 100072)

近年來全國(guó)水閘安全鑒定和除險(xiǎn)加固工作的大量實(shí)踐表明，因地震液化問題導(dǎo)致水閘損壞的案例較多。隨著對(duì)水閘抗震問題的不斷關(guān)注，設(shè)計(jì)人員認(rèn)識(shí)到鉆孔灌注樁基礎(chǔ)不失為處理水閘地基液化問題的一種有效措施。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)水閘作為一種獨(dú)特的閘型，在軟弱地基或地基液化問題嚴(yán)重的地區(qū)具有一定優(yōu)勢(shì)。該結(jié)構(gòu)不僅可顯著提高地基承載力、減少沉降量，而且可從根本上解決地震液化時(shí)水閘失穩(wěn)問題，同時(shí)減輕上部結(jié)構(gòu)重量，工程量小，投資省。特別是在高地震烈度區(qū)地震液化問題嚴(yán)重的水閘除險(xiǎn)加固工程中，該閘型可以廣泛應(yīng)用，具有較強(qiáng)的生命力。

本文以山東省打漁張引黃灌區(qū)渠首樞紐中的十三條渠進(jìn)水閘設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。打漁張引黃灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積66.46萬畝，灌區(qū)渠首樞紐工程中共改建四座進(jìn)水閘，其中十三條渠進(jìn)水閘設(shè)計(jì)流量為40m3/s，加大流量為48m3/s，屬3級(jí)建筑物。該閘共5孔，開敞式水閘，過閘總凈寬25m，單孔凈寬5m，閘墩高度5m，底板厚度1.2m，邊墩厚度1.0m，中墩厚度1.2m，縫墩厚度0.8m，分為三聯(lián)，順?biāo)鏖L(zhǎng)度11m。具體結(jié)構(gòu)見圖1～圖2。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，水閘基礎(chǔ)坐落于第二層輕粉質(zhì)砂壤土層，該層厚度5～7m，地基承載力75kPa；下部第三層為輕粉質(zhì)壤土層，層厚3～5.5m，地基承載力75kPa；第四層為輕粉質(zhì)壤土夾粉質(zhì)砂壤土，層厚3.5～5.1m，地基承載力120kPa。

圖1 閘室縱剖面 (尺寸單位：mm，高程單位：m)

圖2 閘室橫剖面 (尺寸單位：mm，高程單位：m)

1 地基處理方式選擇

因該水閘基礎(chǔ)坐落于第二層輕粉質(zhì)砂壤土層，基礎(chǔ)以下軟弱土層深達(dá)10m左右，地基允許承載力僅為75kPa，難以滿足基底承載力要求，需要進(jìn)行地基處理。

地基處理應(yīng)優(yōu)先考慮采用改變結(jié)構(gòu)型式、增加結(jié)構(gòu)剛度、加大基礎(chǔ)深度等強(qiáng)化天然基礎(chǔ)措施。但上述措施往往效果不明顯，難以從根本上解決軟基問題。需要對(duì)換填法、碎石樁、水泥攪拌樁、混凝土灌注樁等多種地基處理方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。由于該水閘地基中軟弱土層較厚，采用換填法工程量大，且施工困難，最先予以排除。對(duì)于其他幾種地基處理方式進(jìn)行比選，其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 地基處理方式比選

根據(jù)以上比選，混凝土灌注樁的適應(yīng)性較廣，適合在各種地層中施工，基礎(chǔ)受力情況明確，可有效提高地基承載力并解決地震液化問題。另外，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃l地基處理經(jīng)驗(yàn)做法和施工水平等多種因素，最終選定混凝土灌注樁基礎(chǔ)。

通常水閘樁基礎(chǔ)宜采用摩擦型樁。如采用端承型樁，但其存在著對(duì)滲流安全的不利影響，底板底面以上的作用荷載幾乎全部由端承型樁承擔(dān)，直接傳遞到下臥巖層或堅(jiān)硬土層上，底板與地基土的接觸面上則有可能出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，加之地下滲流的作用易造成接觸沖刷，從而危及閘身安全。本渠首進(jìn)水閘工程中采用摩擦型灌注樁基礎(chǔ)，樁端位于第四層土層，樁徑0.8m，樁長(zhǎng)15m。

2 水閘混凝土灌注樁基礎(chǔ)的布置

水閘混凝土灌注樁基礎(chǔ)的數(shù)量和長(zhǎng)度應(yīng)滿足垂直和水平承載力的要求，且均小于允許地基承臷力。樁的數(shù)目一般取決于水平推力，摩擦樁的入土深度一般取決于垂直荷載和土體抗剪能力。該渠首進(jìn)水閘為整體式水閘，基礎(chǔ)應(yīng)力不均勻程度較小，可釆用梅花狀或正方形均勻布置，樁徑一般為d=0.8～1.2m，樁中心距應(yīng)不小于2.5d。設(shè)計(jì)進(jìn)水閘樁徑取0.8m，樁中心距不小于2m，樁長(zhǎng)為15m，閘底板下共設(shè)60根樁，具體布置見圖3。對(duì)于基礎(chǔ)應(yīng)力不均勻程度較大的水閘，混凝土灌注樁可采用等荷載要求布置。對(duì)于分離式水閘，混凝土灌注樁可布置在閘墩的擴(kuò)大基礎(chǔ)下。

閘底板下部群樁的布置，要盡量使群樁形心與底板以上基本荷載組合的合力作用點(diǎn)相接近，樁的實(shí)際承擔(dān)荷載宜盡量相等。為便于底板應(yīng)力分析，群樁推薦呈梅花狀布置。水閘閘室灌注樁基礎(chǔ)盡量布置在閘墩部位。群樁的邊樁至底板邊緣的凈距一般不小于0.5d，且不小于25cm。對(duì)于摩擦型樁基礎(chǔ)，樁間土能承擔(dān)一部分底板底面以上的荷載，但考慮到現(xiàn)有的試驗(yàn)資料還不夠完全充分，為安全計(jì)，一般不考慮樁間土的作用。

3 灌注樁基礎(chǔ)的閘室穩(wěn)定計(jì)算

土基上水閘閘室穩(wěn)定計(jì)算單元，應(yīng)根據(jù)水閘結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)確定，以未設(shè)永久縫的單孔、雙孔和多孔為一個(gè)計(jì)算單元，宜將邊聯(lián)閘段和中聯(lián)閘段分別作為獨(dú)立計(jì)算單元。閘室沿基底面的抗滑穩(wěn)定，包括順?biāo)鞣较蚩够€(wěn)定和垂直水流方向抗滑穩(wěn)定。對(duì)于承受側(cè)向土壓力的邊聯(lián)閘段，應(yīng)分別復(fù)核其垂直水流方向和平行水流方向的抗滑穩(wěn)定性。各工況下閘室沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均應(yīng)滿足規(guī)范要求。

圖3 閘底板樁基布置 (單位:mm)

采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的水閘，若驗(yàn)算沿閘室底板底面的抗滑穩(wěn)定性，應(yīng)計(jì)入樁體材料的抗剪斷能力。按照相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)于樁基上閘底板，不再控制底板基底應(yīng)力σz的最大和最小的比值，而是改為控制單樁最大和最小豎向荷載的比值。

鑒于邊聯(lián)閘段可能同時(shí)承受縱橫兩向彎矩作用，為滿足單樁最大和最小豎向荷載的比值要求，邊墩可與擋土墻分開布置，或兩孔一聯(lián)，也可采用等荷載式布置樁基。單樁實(shí)際豎向荷載為實(shí)際所承力閘室基底面積上平均應(yīng)力σz的總和。

當(dāng)樁基承受雙向水平荷載時(shí)，應(yīng)按雙向偏心受壓公式計(jì)算單樁所承受的豎向荷載。

(1)

式中Pi——第i根樁樁頂承受的豎向荷載，kN；

∑G——底板面以上的全部豎向荷載，kN；

N——樁的根數(shù)；

∑Mx、∑My——底板底面以上全部荷載對(duì)樁群重心軸x、y的力矩，kN·m；

xi、yi——第i根樁至樁群重心軸x、y的距離，m。

單樁的實(shí)際豎直荷載必須小于允許承載能力。等直徑的單樁水平荷載為閘室實(shí)際水平荷載的1/n，(n為單樁數(shù))，實(shí)際水平荷載必須小于允許水平承載能力。

基礎(chǔ)土體的允許垂直向承載能力，通常按樁側(cè)允許摩阻力或樁端允許阻力計(jì)算決定，單樁允許水平承載能力，按控制樁頂不可恢復(fù)水平變位0.5cm條件計(jì)算，對(duì)于0.8m直徑的混凝土灌注樁，單樁允許水平向承載力可初定為150～200kPa。

當(dāng)樁的中心距小于6倍樁徑或邊長(zhǎng)樁數(shù)多于或等于9根時(shí)，深厚的松軟土基上的水閘樁基礎(chǔ)應(yīng)作為群樁基礎(chǔ)。其樁尖平面處的地基壓應(yīng)力和沉降量不應(yīng)大于該平面處地基土的允許承載力和允許沉降量。

群樁基礎(chǔ)的強(qiáng)度驗(yàn)算：

(2)

式中pmax——樁尖平面處最大壓應(yīng)力，kPa；

L——樁的入土深度；

L0，B0——樁臺(tái)底面處樁基平面輪廓的長(zhǎng)度和寬度，m；

A——假想的實(shí)體深基礎(chǔ)在樁尖處的計(jì)算面積；

e——偏心距，m；

[R]——樁尖處地基允許承載力，kPa。

以該渠首進(jìn)水閘左邊聯(lián)為例，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 渠首進(jìn)水閘左邊聯(lián)鉆孔樁基礎(chǔ)計(jì)算成果匯總

4 灌注樁基礎(chǔ)的閘底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

灌注樁基礎(chǔ)閘室底板應(yīng)力分析包括順?biāo)鞣较驊?yīng)力分析和垂直水流方向應(yīng)力分析。鑒于軟基上的彈性變形往往促成底板順?biāo)飨蜷_裂，因此閘室底板應(yīng)力分析主要是進(jìn)行垂直水流方向的應(yīng)力分析。目前用于計(jì)算樁基礎(chǔ)閘底板的方法較多，包括彈性地基梁法、反力直線法、倒置梁法、空間有限單元法等。

采用空間有限單元法在理論上無疑最為接近工程實(shí)際情況，但規(guī)模較小的水閘工程往往多采用彈性地基梁法和反力直線法進(jìn)行底板結(jié)構(gòu)計(jì)算，為安全計(jì)，再根據(jù)樁基礎(chǔ)的梅花形布置，取單位寬底板按連續(xù)梁進(jìn)行驗(yàn)算，并按兩者的受力情況繪制彎矩、軸力、剪力包絡(luò)圖，按包絡(luò)圖中外包線值進(jìn)行配筋計(jì)算。通常對(duì)底板梁結(jié)構(gòu)計(jì)算有以下兩種方法：一是將閘墩視為倒置的支座，樁頂部所受荷載視為作用在底板連續(xù)梁上的集中力，不計(jì)底板梁的重量；二是將樁基礎(chǔ)視為支座，底板梁上只考慮底板自重、閘墩自重、上部交通橋排架等荷載。以該渠首進(jìn)水閘左邊聯(lián)為例，計(jì)算結(jié)果如下：

圖4 水閘底板彈性地基梁計(jì)算彎矩

對(duì)閘底板進(jìn)行彈性地基梁計(jì)算，邊荷載分別取50%和100%，計(jì)算得到彎矩圖(見圖4)。

對(duì)閘底板梁按連續(xù)梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，方法一計(jì)算簡(jiǎn)圖及彎矩見圖5。

圖5 方法一計(jì)算簡(jiǎn)圖及彎矩圖

方法二計(jì)算簡(jiǎn)圖及彎矩圖見圖6。

圖6 方法二計(jì)算簡(jiǎn)圖及彎矩圖

相比較而言，方法一的受力簡(jiǎn)化更偏于安全，計(jì)算得到的結(jié)果比彈性地基梁結(jié)果大出較多；方法二底板連續(xù)梁的受力情況簡(jiǎn)化較接近實(shí)際情況，得到的結(jié)果更為接近彈性地基梁的計(jì)算結(jié)果。在該渠首進(jìn)水閘工程中采用了彈性地基梁和方法二底板連續(xù)梁計(jì)算的結(jié)果，據(jù)此繪制包絡(luò)圖，進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。

5 混凝土灌注樁水閘設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

a.當(dāng)灌注樁所在地層為軟黏土、淤泥土或濕陷土，地下水位大幅下降，閘基附近存在較大堆積荷載且水閘過水后發(fā)生較大沉降變形時(shí)，單樁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮負(fù)摩擦力作用。

b.均勻等距布置的灌注樁，由于各樁荷載不等，單樁為偏心受壓構(gòu)件；等荷載布置的灌注樁，各樁受力基本相同，可按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算。受地震荷載或其他水平荷載作用的單樁，均為偏心受壓構(gòu)件。常采用“m”法進(jìn)行樁基計(jì)算。

c.當(dāng)灌注樁上斷面壓應(yīng)力小于混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)，可采用C20～C25素混凝土樁或按構(gòu)造配筋。但當(dāng)受水平荷載和彎矩較大時(shí)，配筋長(zhǎng)度應(yīng)通過計(jì)算決定，樁基中存在淤泥或液化土層時(shí)，配筋長(zhǎng)度應(yīng)穿過上述土層；8度和8度以上地震地區(qū)，樁體應(yīng)通長(zhǎng)配筋；樁徑大于600mm的鉆孔灌注樁，構(gòu)造鋼筋長(zhǎng)度不宜小于樁長(zhǎng)的2/3。

d.混凝土灌注樁水閘閘基底易形成接觸滲流破壞，可采取加長(zhǎng)上下游底板齒墻、加強(qiáng)過濾層等方法避免。

e.對(duì)灌注樁上部閘底板結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行局部抗沖切強(qiáng)度復(fù)核，防止發(fā)生底板局部沖切破壞。

6 結(jié) 語

混凝土灌注樁水閘在我國(guó)應(yīng)用較早，該種閘型受力條件明確，適應(yīng)性廣，在有效提高地基承載力、減小沉降量方面作用顯著，而且可減輕上部結(jié)構(gòu)重量，工程量較小，投資較省。作為一種獨(dú)特的閘型，非常適用于我國(guó)東部沿海軟土地基和西部新疆等地震液化問題較嚴(yán)重的地區(qū)。