地基處理后閘室穩(wěn)定計(jì)算

沈曉青

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊 050021）

1 工程概況

某防潮閘于1972年10月動(dòng)工修建，1973年9月竣工。該閘原設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇，原設(shè)計(jì)過(guò)閘流量為135 m3/s。閘室總長(zhǎng)77 m，總寬39.9 m，每孔凈寬3.5 m，共9 孔，分上、中、下3 層，為胸墻式水閘。閘門(mén)均為直升式平面鋼閘門(mén)，啟閉機(jī)為10 t 手電兩用螺桿式。其主要功能為擋潮、排澇。1979年，因上層閘門(mén)封閉不嚴(yán)、漏水嚴(yán)重，當(dāng)?shù)厮謱?duì)上層閘孔進(jìn)行了封堵，并將中孔和底孔合并，將閘門(mén)改建為平板鋼閘門(mén)。

該閘建成至今已運(yùn)行40 多年，出現(xiàn)了諸多問(wèn)題：閘墩、機(jī)架橋、胸墻、交通橋混凝土破損嚴(yán)重，多處開(kāi)裂、剝落、破碎，露筋銹蝕嚴(yán)重，部分箍筋已銹斷；鋼閘門(mén)銹蝕嚴(yán)重，邊梁、頂梁多處銹穿，止水損壞；啟閉機(jī)大部分已不能運(yùn)用，5 號(hào)啟閉機(jī)底座斷裂；電氣設(shè)備陳舊老化等。

2 工程地質(zhì)

該防潮閘工程區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)自上而下依次為人工堆積層，厚0.5～2.4 m；第四系全新統(tǒng)上段陸相沖積層，厚2.9～4.1 m；第四系全新統(tǒng)中段海相沉積層，厚7.3～12.9 m；第四系全新統(tǒng)中段海陸交互相沉積層，厚12.8～17.0 m；第四系全新統(tǒng)下段陸相沖積層，揭露最大厚度8.8 m。地層整體呈黏性土、砂土多層結(jié)構(gòu)。

防潮閘除險(xiǎn)加固后閘室底板高程-2.5 m。基礎(chǔ)位于第四系全新統(tǒng)中段海相沉積層淤泥質(zhì)黏土層中，該層有效厚度約4 m，呈流塑—軟塑狀態(tài)，壓縮系數(shù)a1-2=0.35～1.36 MPa-1，具高壓縮性，易產(chǎn)生沉降問(wèn)題，承載力特征值fak=70 kPa，承載力低，不宜作為基礎(chǔ)持力層。

3 工程布置

對(duì)原閘室進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，其抗滑穩(wěn)定性以及閘室底板強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，故對(duì)原閘室進(jìn)行拆除重建。重建閘室采用鋼筋混凝土開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)，閘室總長(zhǎng)106 m。其中，上游段長(zhǎng)30 m，閘室段長(zhǎng)15 m，下游段長(zhǎng)61 m。

新建閘室段長(zhǎng)15 m，中墩厚1.3 m，縫墩和邊墩厚1.1 m，閘室為5 孔，凈寬為6 m，分為3 孔1 聯(lián)和2個(gè)單孔為1聯(lián)，其中3孔1聯(lián)段寬為22.6 m、2個(gè)單孔1聯(lián)段各為8 m，閘室總寬度為38.6 m。閘室底板厚1.6 m，高程-2.5 m，墩頂高程為4.65 m。工作閘門(mén)上下游各設(shè)置檢修閘門(mén)1 扇，交通橋布置在工作閘門(mén)上游側(cè)，橋?qū)?.0 m。墩上設(shè)凈寬1.5 m的檢修板，板厚0.3 m。閘墩上設(shè)排架，排架頂高程為12.05 m。排架頂設(shè)機(jī)架橋，機(jī)架橋頂高程12.65 m。機(jī)架橋頂設(shè)啟閉機(jī)室，啟閉機(jī)室地面高程為12.65 m。

4 閘室穩(wěn)定計(jì)算

閘室穩(wěn)定計(jì)算采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）中公式進(jìn)行計(jì)算?？够€(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用于閘室上的全部豎向荷載（kN）；∑H為作用于閘室上的全部水平向荷載（kN）；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)。

地基應(yīng)力驗(yàn)算采用下式計(jì)算：

水閘底板基礎(chǔ)坐落在淤泥質(zhì)黏土上，飽和固結(jié)快剪指標(biāo)取c=14.9、?=9.3°，地基承載力特征值fa=70 kPa。取閘室中間3孔1聯(lián)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算工況見(jiàn)表1，穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表1 閘室穩(wěn)定計(jì)算水位組合

表2 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果

經(jīng)計(jì)算，閘室在工況一時(shí)地基承載力不滿足規(guī)范要求、工況三時(shí)抗滑安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，故需進(jìn)行地基處理。

5 地基處理后閘室穩(wěn)定計(jì)算

地基處理采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）中公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用樁長(zhǎng)為18 m，樁徑為1.0 m，樁間距為3.5 m 的鋼筋混凝土灌注樁對(duì)閘室基底進(jìn)行處理。

采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)以后，閘室底板即樁頂承臺(tái)，樁頂嵌入閘室底板，樁頂材料的抗剪斷能力是不可忽略的阻滑力。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于土基上采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的水閘來(lái)說(shuō)，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，即應(yīng)在下式的分子項(xiàng)中計(jì)入樁體材料抗剪斷強(qiáng)度與樁體橫截面面積的乘積。

式中：φ0為閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角（°）；C0為閘室基底面與土質(zhì)地基之間的粘結(jié)力（kPa）；A為閘室基底面的面積（m2）；其余符號(hào)意義同上。

但是，對(duì)于抗彎性能好的鋼筋混凝土灌注樁來(lái)說(shuō)，在樁身斷裂之前，樁身的水平位移已經(jīng)超過(guò)建筑物的允許值，所以此種情況應(yīng)由水平位移作為控制條件來(lái)進(jìn)行閘室穩(wěn)定計(jì)算。

當(dāng)樁頂發(fā)生水平位移時(shí)，閘室基底的水平力應(yīng)考慮群樁基礎(chǔ)的作用效應(yīng)，基于《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中公式，群樁基礎(chǔ)的基樁水平承載力特征值按下式計(jì)算：

式中：Rh為單樁基礎(chǔ)或群樁中基樁的水平承載力特征值（kPa），對(duì)于單樁基礎(chǔ)，可取單樁的水平承載力特征值；Rha為單樁水平承載力特征值（kPa）；ηh為群樁效應(yīng)綜合系數(shù)；ηi為樁之間相互影響效應(yīng)系數(shù)；ηr為樁頂約束效應(yīng)系數(shù)；ηl為承臺(tái)側(cè)向土水平抗力效應(yīng)系數(shù)；ηb為承臺(tái)底摩阻效應(yīng)系數(shù)；sa d為沿水平荷載方向的距徑比；n1，n2分別為沿水平荷載方向與垂直水平荷載方向每排樁中的樁數(shù)；m為承臺(tái)側(cè)向土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；χ0a為樁頂水平位移允許值（mm），本次設(shè)計(jì)取6 mm；Bc′為承臺(tái)受側(cè)向土抗力一邊的計(jì)算寬度（m）；Bc為承臺(tái)寬度（m）；hc為承臺(tái)高度（m）；μ為承臺(tái)底與地基土間的摩擦系數(shù)；Pc為承臺(tái)底與地基土分擔(dān)的豎向總荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；ηc為承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)；fak為承臺(tái)下1/2承臺(tái)寬度且不超過(guò)5 m深度范圍內(nèi)各層土的地基承載力特征值按厚度加權(quán)的平均值；A為承臺(tái)總面積（m2）；Aps為樁身截面面積（m2）；n為樁基中的樁數(shù)。

其中，單樁水平承載力特征值可按下式估算：

式中：Rha為單樁水平承載力特征值（kPa）；EI為樁身抗彎剛度，對(duì)于鋼筋混凝土樁，取EI=0.85EcI0；α為樁的水平變形系數(shù)；χ0a為樁頂允許水平位移（mm）；vx為樁頂水平位移系數(shù)；m 為樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；b0為樁身的計(jì)算寬度（m）。

計(jì)算過(guò)程中以水平位移作為控制條件，取χ0a=6 mm。將由此計(jì)算得出的樁身承擔(dān)的水平承載力計(jì)入閘室穩(wěn)定計(jì)算各個(gè)工況中的水平力中進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算工況同表1，計(jì)算成果見(jiàn)表3—4。

表3 地基處理后閘室穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果

表4 地基處理后閘室基底應(yīng)力計(jì)算成果

由上表可以得出，經(jīng)過(guò)地基處理之后，閘室的抗滑穩(wěn)定以及地基應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于以樁身強(qiáng)度控制的低配筋灌注樁來(lái)說(shuō)，樁在破壞之前，樁身與地基的變形是協(xié)調(diào)的，相應(yīng)的樁身產(chǎn)生了內(nèi)力，隨著樁身變形與內(nèi)力的增大，經(jīng)常是樁身首先出現(xiàn)裂縫，然后斷裂破壞，應(yīng)由樁身強(qiáng)度作為控制條件進(jìn)行閘室穩(wěn)定計(jì)算。對(duì)于抗彎性能好的鋼筋混凝土灌注樁來(lái)說(shuō)，樁身雖未斷裂，但樁的水平位移已經(jīng)超過(guò)建筑物的允許值，應(yīng)由水平位移作為控制條件來(lái)進(jìn)行閘室穩(wěn)定計(jì)算。實(shí)際工程中上述兩種情況應(yīng)加以區(qū)分。