粉噴樁在水閘軟土地基處理中的應用研究

劉會橋

(寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司廣州分院，廣東 廣州 510000)

在工程建設中，天然巖土體可直接作為地基的情況較少，多數(shù)情況下需要對天然巖土體進行處理，從而獲得較高的承載力，以滿足工程建設運行的需求。樁基是目前較為常用的一種地基處理方式，有較多的研究人員對樁基設計進行了研究。牛曉松從樁基檢測角度出發(fā)，研究了不同地質(zhì)環(huán)境中地基檢驗的方法，取得了良好的效果。張曉健等結合現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬方法分析樁基的負摩阻力，認為在土石混合料地基后期會對樁基產(chǎn)生較大的負摩阻力，將會嚴重影響到樁基的承載力。付灝等以實際工程為例，研究了污水處理池采用樁基解決沉降問題的設計方法。馬文杰等使用試驗方法研究樁基的長徑比對其承載力的影響，長徑比的增加使得樁側摩阻力在承載力的比重中增大。吳志龍等研究樁基軸向的剛性系數(shù)與橫梁內(nèi)力的關系，剛性系數(shù)改變引起橫梁內(nèi)力變幅在9%～27%之間。宋波等使用室內(nèi)振動臺試驗，研究了不同樁基類型的地震動力響應及損傷特征，認為鋼管斜樁具有較好的抗震效果。李延雙等對復雜地質(zhì)條件下樁端承載力失效機理進行研究，并針對工程特點提出了處理措施，取得了良好的效果。王亮、周德卿等、梁艷軍分別以不同的工程實際為例，介紹了樁基的施工工藝。

1 工程概況

某水閘工程的主要任務是防潮排澇，同時還可以起到調(diào)水以及改善當?shù)厮h(huán)境的作用。水閘布置在河道位置，其中管理房位于河道左岸，水閘下游32m處。水閘結構為3孔上翻式平面鋼閘門，呈線形排列，總寬度為43.82m，凈寬36m。通過工程地質(zhì)調(diào)查，查明了水閘處的巖土體類型，從上向下依次為人工填土層、第四系淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等及下三系砂巖。下三系砂巖灰褐色，砂質(zhì)結構，層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯較完整，呈短-長柱狀，節(jié)長5～70cm，為較軟巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。該層所有鉆孔均有揭露，層厚3.00～8.30m，平均為6.07m，基巖強度較好，可作為樁基礎的樁端持力層。

2 地基處理方案選擇

河道處修建水閘，其地基特點是埋深較淺、厚度較大、強度較低、易變形、表層淤泥及淤泥質(zhì)砂土中含有有機質(zhì)，因此天然地基難以直接作為建筑物的地基，需要對地基進行加固處理。目前常用的樁基處理方案見表1。

綜合以上所述，本著結構安全、經(jīng)濟合理的原則，本工程擬采用多種方案結合的地基處理方案。閘室主體結構對地基沉降要求高，采用沖孔灌注樁地基處理方案。消力池等次要部位采用水泥土攪拌樁復合地基，既能滿足結構沉降要求，經(jīng)濟性又較好。

表1 不同方案樁基對比

表2 數(shù)值模擬參數(shù)選取

3 加固地基變形分析

3.1 數(shù)值模擬模型建立

閘室地基處理采用混凝土灌注樁，樁徑1.0m，樁長14.0m，共布樁72根?；炷凉嘧栋炊顺袠对O計，樁端進入微風化巖層不小于2.0m，采用C30混凝土，樁頂與水閘底板錨固，進入水閘底板0.1m。根據(jù)水閘閘室設計、地層剖面和樁基布置方案，使用FLAC3D建立數(shù)值模擬模型。計算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬計算模型

3.2 計算原理及參數(shù)選取

FLAC3D是巖土工程領域常用的有限元數(shù)值模擬軟件，使用各向同性的本構模型以及摩爾-庫倫屈服準則。

根據(jù)現(xiàn)場試驗獲取每組地層的物理和強度參數(shù)，作為數(shù)值模擬計算的輸入?yún)?shù)，各地層參數(shù)見表2。

3.3 數(shù)值模擬結果分析

3.3.1沉降分析

施工進程中樁和土沉降模擬結果如圖2所示。從圖2可以看出，在監(jiān)測的初期階段，樁土所承受側荷載均較小，因此樁和土之間的沉降差值較小，處于協(xié)同變形的階段。隨著主體工程的施工，上覆荷載增加，樁與土之間的沉降差值逐漸增大，最大值接近6mm，這說明在荷載增加的作用下，土的承載力較弱率先產(chǎn)生變形。當主體工程完成后，樁與土的沉降差值逐漸減小，接近一致。

3.3.2樁土應力比分析

樁與土的應力比值是樁土所受承載力大小的最直觀的反應，如圖3所示。在施工階段的初期樁土應力比值較小，隨著主體工程施工的進行，樁與土的應力比逐漸增大，最大的應力比為1.85，達到最大應力比之后，該值逐漸減小。當應力比達到最大時，也是沉降差值達到最大的時刻，之后應力比逐漸減小，樁土沉降差值也逐漸趨于零。

圖2 隨著主體施工進程樁和土沉降模擬結果

圖3 隨著主體施工進程樁與土應力比值

3.3.3孔隙水壓力分析

地基中孔隙水壓力模擬成果如圖4所示。在工程施工的初期，地基中不同埋深的孔隙水壓力都迅速增大，在預壓階段，隨著時間孔隙水壓力逐漸消散，地表的人工填土水壓力消散最快，粉質(zhì)粘土(淤泥質(zhì)土)中孔隙水壓力消散較慢且上部水壓力消散較快。在上部工程主體建筑荷載作用下，巖土體內(nèi)部水壓力的消散過程則為巖土體壓縮沉降的過程。

圖4 隨著主體施工進程不同深度孔隙水壓力模擬值

3.3.4水平位移分析

樁基旁的巖土體水平方向位移模擬結果如圖5所示。在開始主體工程施工階段，水平方向位移首先迅速增大，表層的巖土體首先產(chǎn)生水平方向的位移并且逐漸向下延伸。隨著工程的進行，建筑物荷載逐漸增大，各個深度的水平位移逐漸增大，但增大速率逐漸減小，最大位移小于30mm，在可控范圍內(nèi)。

圖5 隨著主體施工進程不同深度水平方向位移模擬值

4 結論

(1)樁基礎是軟土地基加固中一個常用的措施。通過比對不同的方案選取了沖孔灌注樁和水泥土復合攪拌樁作為地基處理方案。

(2)使用數(shù)值模擬的方法對主體施工過程中地基的沉降、樁土應力比、孔隙水壓以及水平方向位移等進行研究。樁土應力比與地基沉降差值是正相關的關系，應力比越大則沉降差值越大；施工初始階段孔隙水壓力迅速上升，孔隙水壓力消散的過程是巖土體壓縮沉降的過程；通過水平方向位移監(jiān)測，使用該方法可以獲取較好的側向位移控制效果。