船閘閘室結構不均勻沉降研究進展

1.前言

隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各種基礎設施的建設也越來越完善，作為水路運輸?shù)幕A設施，內(nèi)河航道經(jīng)過不斷的治理，航道條件已經(jīng)得到了明顯的改善。船閘作為內(nèi)河航道的咽喉，一旦船閘出現(xiàn)問題，不僅會對船舶的安全造成影響，還有可能會使該段航路癱瘓、中斷，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員損失，因此，船閘在內(nèi)河運輸中有著十分重要的作用。

船閘在建設施工以及長久的運行中，地基發(fā)生沉降在所難免，其可能會改變結構原本的受力狀態(tài)，打破結構的受力平衡，使結構局部應力增大，從而出現(xiàn)破壞。船閘在發(fā)生不均勻沉降時，輕則會對船閘日常使用造成一定的影響，重則會出現(xiàn)結構破壞、滑動、傾斜甚至倒塌等重大事故，因此對船閘閘室結構不均勻沉降的研究是十分必要的，這對類似事件發(fā)生后的安全評估以及防護加固等有著很重要的參考作用。

2.不均勻沉降對船閘閘室結構影響

2.1 不均勻沉降產(chǎn)生的原因

地基產(chǎn)生不均沉降是一個復雜的過程，產(chǎn)生原因也不盡相同，荷載加載方式、所處地理環(huán)境、結構設計型式等都會對地基的沉降產(chǎn)生不同的影響，從而導致結構的產(chǎn)生不同的沉降。對于結構產(chǎn)生不均勻沉降的具體原因，目前還沒有一個統(tǒng)一的標準。

通過對其他研究者提出觀點的總結分析，對于船閘建筑，產(chǎn)生不均勻沉降的原因大致可以分為五個方面：一是結構自身型式設計的原因，不同的結構會使得地基承受的荷載不相同，由受力不均引起不均勻沉降；二是地面原因，地面高低起伏、軟硬不均等，會導致地面承載力不均，隨著時間的推移可能會發(fā)生不均勻沉降；三是施工原因，地基處理不當、填料控制不當、壓實不足等均會導致地基承載力局部不足或過高從而發(fā)生不均勻沉降；四是錯誤運行的原因，超載、配載不均、受力不均等均可能會導致地基受力超過設計極限，從而導致不均勻沉降的發(fā)生；五是其他外界條件的干擾的原因，比如水流滲入填料、地基、基礎等導致其性能發(fā)生變化，水流沖刷導致建筑基底、擋墻等出現(xiàn)空殼，地震導致結構受力發(fā)生重大改變等，這些外界的原因也會使得地基發(fā)生不均勻沉降。

2.2 沉降的分類

沉降是指在建筑物荷載作用下，地基土因受到壓縮引起的豎向變形或下沉。均勻沉降一般對建筑物的危害較小，但過大時也會使建筑物的高程降低而影響使用；不均勻沉降對建筑物危害較大，會使建筑物產(chǎn)生附加應力而引起裂縫，甚至局部構件斷裂，危及建筑物的安全。地基基礎設計時應對沉降講行估算，不均勻沉降根部不同的建筑型式以及不同的外部條件會出現(xiàn)不同的沉降模式，其具體的沉降模式很難把握，在實際的設計研究中，一般會根據(jù)實際情況假設出一些沉降模式，然后對這些沉降模式進行分析，一般的沉降模式有鞍型沉降、直線形沉降、碟形沉降、盆形沉降等，出現(xiàn)這些沉降模式時，如果變形過大均會對建筑物產(chǎn)生危害。

2.3 不均勻沉降的危害

地基不均勻沉降是導致建筑工程事故的主要原因之一，地基結構發(fā)生不均勻沉降，會破壞結構原本的受力平衡，使上部結構產(chǎn)生附加應力，出現(xiàn)結構局部應力增加，從而威脅結構安全。不均勻沉降輕則會導致結構產(chǎn)生裂縫或者發(fā)生傾斜，影響結構部分功能和外觀；重則會使結構出現(xiàn)破壞、建筑下沉，嚴重影響結構的功能，導致結構出現(xiàn)安全隱患，甚至會使建筑徹底破壞、傾塌，對生命和財產(chǎn)安全構成嚴重的威脅。對于船閘或其他水工建筑物來說，由于所屬條件的特殊，不均勻沉降對其產(chǎn)生的危害更加巨大，不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫不僅會導致建筑結構漏水，滲透進入結構中的水還會加快結構內(nèi)部的反應，從而使結構壽命減少、安全性降低；另外，水滲透至地基或回填土中，會導致其承受力降低，還有可能發(fā)生沖刷，更劇烈的加重不均勻沉降，形成惡性循環(huán)，毀壞建筑。

3.船閘閘室結構不均勻沉降的研究

目前國內(nèi)船閘不均勻沉降的研究較少，本文主要就船閘不均勻沉降進行分析，對文獻進行總結發(fā)現(xiàn)，對船閘不均勻沉降研究主要集中在三個方面。一是對船閘結構沉降的觀測，主要包括觀測方法以及沉降觀測的應用；二是對船閘結構沉降的計算以及計算方法的研究分析；三是船閘結構不均勻沉降的整治措施以及預防措施。根據(jù)查閱的文獻統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，專家和學者們對船閘結構沉降后結構的受力特性鮮有分析，因此在這方面是值得深入研究的，這對船閘或者其他水工結構在發(fā)生不均勻沉降后的加固有很重要的作用。

3.1 對于船閘閘室結構沉降觀測的研究

通過閱讀相關文獻發(fā)現(xiàn)，對于沉降觀測，多使用水準測量方法進行觀測。劉長明等[2]通過寶應船閘的沉降觀測，探討了沉降觀測后期數(shù)據(jù)處理的措施，提出可以通過采用EXCEL等工具簡化計算過程，減輕后期數(shù)據(jù)處理及分析報告的工作量。何建興等介紹了船閘主體建筑物沉降觀測的具體做法，總結了技術的要點，并探討沉降觀測在船閘建設過程中的作用，對今后同類工程有較好的借鑒意義。夏猛，方海東等通過定期觀測和分析云善船閘，得到了船閘各部位的沉降情況，根據(jù)沉降觀測資料分析了沉降規(guī)律，并探討了船閘變形的原因。

3.2 船閘沉降的計算方法研究

對于船閘沉降的計算方法，主要通過有限元方法進行預測或者根據(jù)實際情況通過規(guī)范進行計算，許瑞東利用有限元軟件分析了扶壁式閘墻從原土基開挖到蓄水調(diào)試各個階段地基沉降及閘墻傾斜趨勢，并分析了閘室灌泄水過程中墻底水壓及土應力之和的變化趨勢及閘墻墻頂水平向位移變化，并分析得出了該閘室傾斜主要影響因素為前后趾不均勻沉降。朱磊考慮地基、基礎、上部結構三者之間的變形協(xié)調(diào)條件和靜立平衡條件，利用Autobank 軟件進行整體的相互作用定性分析，分析認為施加在整體結構荷載盡量均勻，一般多為結構的自重效應影響較大。王建敏、李艷青[7]采用有限元非線性分析方法預測水閘的沉降量，結合相關規(guī)范計算水閘地基沉降量和沉降差，確保水閘的正常運行。伊明坤[8]對處理后的沙潁河阜陽船閘工程進行地基沉降計算，得出其滿足規(guī)范要求的結論。

3.3 對不均勻沉降地基的處理研究

對不均勻沉降地基的處理，程曉航通過對珠三角軟土地基船閘實例的研究，在閘室沉降量方面，對進一步優(yōu)化深厚淤泥土的基礎處理措施提出一些建議和對策，對進一步完善工程設計有積極意義。李光輝根據(jù)工程實例，分析了由砂性土地基在潛水、承壓水頭共同作用，使構造物基礎底部土體掏空、產(chǎn)生不均勻沉降，采用注漿進行處理修復等技術措施，證明其有較好的社會經(jīng)濟效益。

4.船閘閘室結構不均勻沉降研究展望

結構在發(fā)生不均勻沉降后，閘墻結構的受力受力狀態(tài)是十分復雜的，除了已經(jīng)出現(xiàn)破壞的地方，還可能存在一些應力、剪切力、彎矩過大的位置，只是還未出現(xiàn)破壞，這些位置只有在清楚結構內(nèi)部受力狀態(tài)的情況下才能發(fā)現(xiàn)，以往國內(nèi)外很多專家學者主要針對沉降的觀測、地基沉降的計算、沉降的預防和整治措施三個方面對閘墻的沉降進行研究，對發(fā)生不均勻沉降后結構的受力狀態(tài)鮮有研究。結合目前國內(nèi)外對船閘不均勻沉降的研究，認為下一階段還需對以下問題進行重點研究：

1）研究結構在已經(jīng)發(fā)生不均勻沉降或傾斜時結構內(nèi)部的受力特性，分析出結構薄弱部位，這對類似事件發(fā)生后的安全評估以及防護加固等有著很重要的參考作用。

2）由于結構受力分析具有強烈的非線性特征，不均勻沉降條件具有不確定性，并且傳統(tǒng)的解析法和試驗方法往往具有很大的局限性。因此需要借助于有限元分析方法，通過建立閘室結構的三維模型來對這一問題進行研究。