剛性荷載下地下水位對泵站地基沉降影響分析

張 靜

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223000)

泵站是支撐水利工程得以持續(xù)、穩(wěn)定運行的不可缺少因素，在保證工程引水調(diào)度效率與質(zhì)量方面，具有極其重要的作用和影響。然而，由于部分泵站修建于軟土地基之上，長年的地下水位變化會導(dǎo)致泵站發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致泵站設(shè)備發(fā)生損壞，嚴重威脅泵站的安全運行，因此研究地下水位對泵站地基的沉降影響具有重要意義[4-5]。

王利[6]分析了排澇泵站設(shè)計過程中防滲排水應(yīng)解決泵站前池和進水池的抗浮穩(wěn)定和主泵房基底揚壓力，以及地基處理應(yīng)考慮建筑物的整體穩(wěn)定、承載力和沉降變形等問題；李海道[7]以某混流式排澇泵站廠房為軟土地基為例，通過對比設(shè)計及施工后沉降觀測成果，總結(jié)了大型立式混流泵廠房地基基礎(chǔ)設(shè)計經(jīng)驗；朱麗娜[8]研究了新河口泵站承壓水滲流特點分析及新站地基處理對策；王順邦[9]針對廣州小虎島集輸泵站基礎(chǔ)下沉的原因進行了分析，提出采用單管高壓旋噴樁及高壓注漿法進行加固形成復(fù)合地基；程曉鳴等[10]設(shè)計采用砂墊層排水減壓溝的工程措施，對泵站前池基礎(chǔ)進行處理，研究了地基排水降壓效果。

本文為探討地下水位變化對地基沉降的影響，以江蘇省某泵站工程為例，先采用標準貫入試驗(CPT)和室內(nèi)試驗對土體參數(shù)進行分析，之后采用PLAXIS 3D有限元方法研究了不同地下水位下，地基的沉降規(guī)律并提出了加固措施，研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本次泵站工程位于江蘇省，地處冷暖氣流過渡地帶，氣候多變，加之濱臨湖區(qū)，地勢低洼，洪、澇、旱、漬等自然災(zāi)害較為頻繁，時常出現(xiàn)區(qū)域性暴雨和大暴雨，雨量大，強度高。境內(nèi)2段梅雨量在500～800mm，最近1年出現(xiàn)的行洪流量達1020m3/s，沖毀橋梁23座、涵洞34處，水利設(shè)施經(jīng)濟損失超過100萬元，受災(zāi)人口數(shù)十萬人。因此急需修建以及補修水利工程相關(guān)設(shè)施，有序引洪、防洪，保證下游以及周邊民眾生命財產(chǎn)安全。

2 地基土性質(zhì)標定

本次為準確獲取巖土體參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實驗和室內(nèi)試驗對參數(shù)進行標定。現(xiàn)場試驗采用標準貫入試驗(CPT)，在地基30m深度處分別選取3個不同的鉆孔位置，然后用膨潤土液體清潔孔壁，最后使錘子并自由下落鉆穿45cm厚的土層，計算每15cm段中的落錘數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，地基共分為6層，第1層為粘土(地面標高0m)，呈棕黃色，硬到軟塑狀態(tài)；第2層為淤泥質(zhì)土(地面標高-2m)，呈黑灰色，液態(tài)；第3層為粘土(地面標高-6m)，呈白灰色，硬塑態(tài)；第4層為含泥粘土(地面標高-16m)，呈棕色混合黑色，半堅硬狀態(tài)；第5層為沙土(地面標高-22m)，呈棕色混合黑色，半堅硬狀態(tài)；第6層為粘土(地面標高-28m)，棕灰色，中等硬度。

為測試粘土的物理力學性質(zhì)，本文還進行了室內(nèi)抗剪、抗壓和塑性試驗等測試，以獲得土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力。土體參數(shù)見表1。

表1 土體力學參數(shù)

3 數(shù)值模型

本次采用PLAXIS 3D對泵站地基進行建模分析，由于模型具有對稱性，因此采用1/2模型建模。模型尺寸為長75.0m、寬75.0m、高30m，地下水深度為-0.6m，建筑物長18m，建筑物寬18m，底部與地下水為線相切。模型重力加速度為9.8m/s2，水的容重為10kN/m3，土體參數(shù)全部采用現(xiàn)場實測參數(shù)，地下水位的位置變化分別為1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、12.0、15.0、20.0m。材料破壞的本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖模型，網(wǎng)格生成采用全自動網(wǎng)格生成程序，其中幾何體被劃分為體積單元和剛體結(jié)構(gòu)單元。網(wǎng)格生成充分考慮幾何實體在幾何模型中的位置，以便在有限元網(wǎng)格中考慮層、荷載和結(jié)構(gòu)的準確位置，如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

4 數(shù)值計算結(jié)果

如圖2所示，給出了不同地下水位下，建筑物地基沉降結(jié)果。由于篇幅原因，只給出了地下水位為-0.6、-1.5、-2.0、-3.0、-4.0、-5.0m時的地基沉降結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果，當?shù)叵滤簧疃葹?0.6m時，模型的最大位移分別為0.11m；當?shù)叵滤簧疃葹?1.5～-3.0m時，模型的最大位移相差較小，約為0.09m；當?shù)叵滤簧疃葹?4～-12m時，模型的最大位移約為0.10m；當?shù)叵滤簧疃葹?15～-20m時，模型的最大位移約為0.11m。因此可以得出，對于本次地基工程，地下水位對泵站地基的沉降有明顯影響，最大可到11mm，發(fā)生在建筑物底部，離建筑物越遠，地基沉降越小。因此有必要對地基進行加固處理。

圖2 不同地下水位下地基沉降結(jié)果

目前常用的地基加固方法有土或灰土擠密樁法、深層攪拌法、換填法、高壓噴射注漿法、高壓噴射注漿法、預(yù)壓法、砂石樁法等。砂石樁法用振動或沖擊方法在軟弱地基中成孔后，將砂石擠壓入土中，形成大直徑的密實的砂石樁，是處理軟弱地基的一種常用的方法；土或灰土樁擠密法是處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土和雜填土等的一種地基加固方法，利用錘擊或沖擊、爆破等方法將鋼管打入土中側(cè)向擠密成孔，將管撥出后，在樁孔中分層回填土或灰土夯實而成，填夯的樁與樁間擠密土同組成復(fù)合地基，以承受上部荷載；深層攪拌法是利用水泥或水泥砂漿、石灰作為固化劑，通過特制的攪拌機械，在地基深處就地將軟土和固化劑強制攪拌，固化劑和軟土之間會產(chǎn)生一系列物理化學反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有一定強度的地基，從而提高地基承載力。由于本工程地基沉降偏小，且地基土性質(zhì)較好，建議采用土或灰土樁擠密法處理地下水位以上的土體，從而防止建筑物因為地下水變化而出現(xiàn)過大沉降。

5 結(jié)論

地下水位變化對地基沉降的影響十分顯著，是土體出現(xiàn)裂縫和破壞的主要因素之一，嚴重威脅修建在軟土地基上的水利工程安全運行。本文結(jié)合工程實際，基于數(shù)值理論探討了不同地下水位下，地基的沉降規(guī)律并提出加固措施。研究結(jié)果表明，地下水位對泵站地基的沉降有明顯影響，本例工程沉降最大可到11mm，發(fā)生在建筑物底部，離建筑物越遠，地基沉降越小。因此在軟土地基上修建水工建筑物必須嚴格對地基進行加固處理。建議如果工程地基沉降偏小，且地基土性質(zhì)較好，采用土或灰土樁擠密法處理水位以上土體，能夠?qū)Φ鼗两涤休^好控制效果。