鋼筋混凝土灌注樁在地基處理中的應(yīng)用

孟 宇

（遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110003）

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鋼筋混凝土灌注樁在地基處理中的應(yīng)用

孟 宇

（遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110003）

摘要：以遼寧省沿海地區(qū)某中型水閘基礎(chǔ)處理為例，論述地基處理中采用鋼筋混凝土灌注樁的計(jì)算方法，分析不同地基土層與鋼筋混凝土灌注樁深度的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，鋼筋混凝土灌注樁的深度與單樁的最大豎向荷載、灌注樁的大小、每層土的極限摩阻力和樁端橫截面面積有關(guān)。在鋼筋混凝土灌注樁的設(shè)計(jì)中，需根據(jù)閘體所處環(huán)境的水文氣象資料、工程地質(zhì)情況和閘體運(yùn)行工況等基礎(chǔ)資料確定計(jì)算參數(shù)，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；灌注樁；基礎(chǔ)處理

1　基本情況

某水閘位于遼寧省東港市鴨綠江入海口上游，是一座綜合利用的攔河閘，具有灌溉、擋潮作用。

該閘是東港市東部31.6萬畝水田引江納潮灌溉的主要工程，年引江納潮量在0.91億m3左右，和鐵甲水庫聯(lián)合運(yùn)用灌溉水田面積30余萬畝，同時(shí)擔(dān)負(fù)著全流域330km2集雨面積的排洪任務(wù)，承泄上游鐵甲水庫和山城水庫的汛期泄洪水量。本閘位于河口處，漲潮時(shí)閘門關(guān)閉，防止海水流入，汛期遭遇洪水時(shí)，閘門開啟，排出洪水。

1.1 工程簡介

本閘在安全鑒定中被評定為四類閘，需要拆除重建，恢復(fù)其灌溉、擋潮作用。

本水閘工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級，臨時(shí)性建筑物級別為5級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，臨時(shí)性建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇，設(shè)計(jì)潮水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

本閘重建工程在原閘址下游90m處，從上游到下游分別布置有上游防沖槽、海漫、消力池、閘室段、下游消力池、海漫，防沖槽，全長總計(jì)148m，整個(gè)閘室寬63m。在閘室段上設(shè)檢修工作橋、排架、啟閉機(jī)房和交通橋。閘室剖面見圖1。

1.2 自然條件

圖1　閘室剖面圖

本閘地處溫帶濕潤地區(qū)季風(fēng)氣候，其特點(diǎn)是寒冷期長，無霜期短，降雨集中，四季分明。春季日射增強(qiáng)，冷空氣逐漸減弱，氣溫回升較快，風(fēng)大干旱；夏季盛行東南季風(fēng)，炎熱潮濕，雨量集中，多連陰雨和暴雨天氣；秋季西北風(fēng)開始增強(qiáng)，日射減弱，氣溫開始下降；冬季盛行西北季風(fēng)，北方冷空氣頻繁入侵，氣候嚴(yán)寒。

降水：年最大降水量1320.7mm，年最小降水量574.2mm，多年平均降水量967mm，多年平均蒸發(fā)量1208mm。

氣溫：年平均氣溫8.4℃，最高氣溫33.8℃，最低氣溫-28.2℃。

冰況：初冰日為12月上旬，盛冰日1月上旬開始，融冰日2月中旬開始，終冰日3月中旬，總冰期約100d，盛冰期約45 d，最大冰層厚度0.76m。

凍層：土壤最大凍深0.81m。

1.3 工程地質(zhì)概況

擬建閘址處河道寬約80m，河床底高程為-0.07～-0.79m；左側(cè)河漫灘寬約25m，高程約2.38～5.38m；右側(cè)河漫灘寬約35m，高程約2.37～5.28m；河道兩岸為土堤（堤路結(jié)合），左岸堤頂寬度約3.5m，高程約5.62～6.09m，右岸堤頂寬約4.5m，高程約5.48～6.31m，整個(gè)場地大的地貌單元為濱海相沉積平原。

根據(jù)勘察，閘址處從上到下的地層依次如下。

（1）淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰黑色，濕～飽水，流塑～軟塑狀態(tài)，含有少量的腐殖質(zhì)、云母及粉砂。層厚0.50m，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsik=10 kN/m2。

（2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂：灰黑色，濕～飽水，軟塑狀態(tài)，含有少量的腐殖質(zhì)、云母及粉砂，局部夾有較多量粉砂薄層現(xiàn)象，層厚3.00m，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsik=12 kN/m2。

（3）粉砂：灰黑色，主要礦物成分為石英、長石及云母等，飽水，松散～稍密、部分中密，層厚2.40m，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsik=15 kN/m2。

（4）粉細(xì)砂：灰黑色，主要礦物成分為石英、長石及云母等，飽水，中密～密實(shí)狀態(tài)，層厚1.60m，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsik=25 kN/m2。

（5）圓礫：灰白色、灰黃色，圓形、亞圓形，磨圓度一般，粒徑約為0.2～5cm，由硬質(zhì)巖組成，層厚大于13m，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsik=70 kN/ m2，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qpk=1000 kN/m2。

從設(shè)計(jì)閘底板底面高程來看，閘基位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂層，其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂層土層較厚，壓縮性較大，為流塑～軟塑狀態(tài)，承載力較低，層面起伏較大，密實(shí)度較低，嚴(yán)重液化。閘基不宜直接采用天然地基作為持力層。

2　灌注樁設(shè)計(jì)

2.1 綜合分析

根據(jù)地勘報(bào)告，閘室基礎(chǔ)下廣泛分布的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，含水量高，孔隙比大，具有高壓縮性，承載力低，抗剪強(qiáng)度低，加載后變形量大等特點(diǎn)。場地土地震設(shè)防烈度為7°，在地震力作用下存在著液化的可能性。為了防止地震時(shí)地基液化、水位差較大時(shí)發(fā)生滲透破壞，同時(shí)提高地基承載力，對閘室地基采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行處理，以滿足各種工況的不同要求。

根據(jù)其他工程實(shí)例，地基為較深厚的軟基的大中型水閘，一般采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行地基處理，該處理方法不僅在提高基礎(chǔ)承載力、減小沉降量方面作用顯著，而且工程量較小、施工進(jìn)度快。

鋼筋混凝土灌注樁是將結(jié)構(gòu)全部荷載通過樁傳到基礎(chǔ)下部的持力層，以保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。采用混凝土灌注樁不僅在提高地基承載力，減少地基沉降量方面作用顯著，而且穩(wěn)定可控。

考慮到閘室、消力池、海漫和翼墻底板下基礎(chǔ)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，基礎(chǔ)承載力低，施工時(shí)重型機(jī)械無法正常運(yùn)行，本次對其基礎(chǔ)進(jìn)行回填1m厚山皮土，回填后對其土料進(jìn)行壓實(shí)，使其沉陷至設(shè)計(jì)高程再進(jìn)行施工。

2.2 樁的平面布置

為了充分利用水閘基礎(chǔ)各樁的承載能力，樁的平面布置盡量使樁群形心與底板底面以上基本荷載組合的合力作用點(diǎn)相接近，使各樁實(shí)際承擔(dān)的荷載盡量相等，這對減小地基的不均勻沉降，維護(hù)水閘結(jié)構(gòu)安全和正常使用是有利的。

本閘設(shè)計(jì)鋼筋混凝土灌注樁樁徑0.8m。為避免樁基礎(chǔ)施工可能引起的松弛效應(yīng)和擠壓效應(yīng)對相鄰樁的不利影響，要求鋼筋混凝土灌注樁的中心距不能小于2.5倍樁徑（2.0m）；同時(shí)，為了使樁群構(gòu)成整體基礎(chǔ)，中心距不能大于6倍樁徑（4.8m）。本閘灌注樁成矩陣布置，順?biāo)鞣较蛑行木?.25m，垂直水流方向中心距4.3m和4.175m。閘室樁基礎(chǔ)平面布置見圖2、圖3。

2.3 各樁承受的豎向荷載

不考慮樁間土的作用，按樁基全部承擔(dān)其上部荷載，各樁所承受的豎向荷載按式（1）計(jì)算：

式中：Pi為第i根樁承擔(dān)的豎向荷載（kN）；∑G為底板底面以上的全部豎向荷載（kN）；N為樁數(shù)（根）；∑Mχ為底板底面以上的全部荷載對樁群重心軸x的力矩（kN·m）；yi為第i根樁距重心軸x的距離（m）。

圖2　閘室（3孔一聯(lián)）樁基礎(chǔ)平面布置圖

圖3　閘室（2孔一聯(lián)）樁基礎(chǔ)平面布置圖

取閘室3孔一聯(lián)和2孔一聯(lián)的一縱排1#、2#、3#、4#、5#樁為典型設(shè)計(jì)代表樁，經(jīng)計(jì)算各樁承受最大的豎向荷載相差不大，比較均勻，本閘最大荷載Pmax=1242.32 kN，根據(jù)最大荷載設(shè)計(jì)樁長。

2.4 單樁豎向允許承載力計(jì)算

根據(jù)單樁的最大豎向荷載確定樁長，按式（2）計(jì)算：

式中：Nd為單樁豎向允許承載力（kN）；K為安全系數(shù)；Up為樁身的截面周長（m）；fi為樁周第i層土的極限摩阻力（kN/m2）；li為第i層土的厚度（m）；fp為樁端處的極限端承力（kN/m2）；Ap為樁端橫截面面積（m2）。

經(jīng)計(jì)算確定樁長為19m，單樁豎向允許承載力為1409.23 kN＞單樁最大荷載1242.32 kN，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)語

鋼筋混凝土灌注樁是將結(jié)構(gòu)全部荷載通過樁傳到基礎(chǔ)下部的持力層，以保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。采用混凝土灌注樁不僅在提高地基承載力，減少地基沉降量方面作用顯著，而且穩(wěn)定可控。據(jù)調(diào)研，我國沿海地區(qū)凈寬大于50m、擁有相似地質(zhì)條件（淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土地基）的大中型擋潮閘普遍采用鋼筋混凝土灌注樁進(jìn)行地基處理，對大中型水閘設(shè)計(jì)中地基處理方案可以起到一定的借鑒和參考作用。

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作者簡介：孟 宇（1982年—），男，工程師。

收稿日期：2015-02-11

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.032

中圖分類號(hào)：TV223

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）03-0089-04