汾河新二壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

張世泉

（山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原 030024）

1 工程概況

新二壩工程位于汾河上游綜合治理三期工程與下游二壩之間的河道上。工程主要任務(wù)是設(shè)置閘壩，河道蓄水，增補(bǔ)地下水，改善河道及周邊生態(tài)環(huán)境。

本閘壩工程主要建筑物包括4 孔鋼壩閘、5 孔弧形閘和1 孔船閘等。主槽段布置5 孔弧形擋水閘和1 孔船閘，弧形擋水閘單孔凈寬20 m，主槽中部布置船閘凈寬19 m；東西兩岸各布置2 孔灘地鋼壩閘，東岸鋼壩閘單孔凈寬20 m，西岸鋼壩閘單孔凈寬30 m。閘壩建筑物底板、閘墩全部采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。閘壩閘墩上游側(cè)布置有工作橋，寬度7 m，采用現(xiàn)澆混凝土T 梁結(jié)構(gòu)。工作橋上布置門機(jī)軌道，門機(jī)自重約70 t。

本蓄水工程等別為Ⅳ，主要建筑物鋼壩閘、弧形閘等建筑物級(jí)別為4 級(jí)。船閘采用單級(jí)單線船閘，工程等級(jí)為Ⅶ級(jí)，建筑物級(jí)別為4 級(jí)，其余臨時(shí)建筑物級(jí)別為5 級(jí)。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為0.20 g，反應(yīng)譜特征周期值為0.4 s，蓄水閘壩抗震設(shè)防烈度為8 度。

2 閘壩地基處理

2.1 地質(zhì)情況

河道閘壩基礎(chǔ)地質(zhì)情況：壩基上部厚10.5 ～15.8 m，為含細(xì)粒土砂的粉土質(zhì)砂（局部夾低液限粉土透鏡體）的液化土層，中等透水，且在壩基及上下游連續(xù)分布，延伸至左右壩頭及堤外，構(gòu)成滲漏層；下部低液限粉（黏）土，層厚大于9 m，為不液化土層，其水平滲透系數(shù)為8.92×10-5～1.04×10-6cm/s，具弱-微透水性，為隔水層。壩建基面坐落在粉土質(zhì)砂上，其承載力為90～100 kPa。

2.2 地基處理方案選擇

因本區(qū)地基存在地震液化，處理液化地基常用方法主要有換填墊層、強(qiáng)夯法、振沖砂石樁、圍封法。本工程液化土層10.5～15.8 m 厚度較大，河床地下水位較高，更換填墊和強(qiáng)夯法不適用。圍封法缺點(diǎn)：圍封結(jié)構(gòu)解決由內(nèi)至外液化傳遞擴(kuò)問題，內(nèi)部土體仍舊液化。圍封結(jié)構(gòu)的四周連續(xù)墻會(huì)造成閘壩基礎(chǔ)滲水聚集無法排出增加了閘底板揚(yáng)壓力，危及閘基穩(wěn)定。從施工方法及費(fèi)用上考慮，若采用高壓旋噴法，則費(fèi)用高，若采用水泥土攪拌法，則費(fèi)用低，因本工程地下水位較淺，且呈流動(dòng)狀態(tài)，固化劑在尚未硬結(jié)時(shí)易被地下水沖蝕破壞，加固效果受到影響，故施工質(zhì)量難以控制。

振沖碎石樁處理地基液化有很好效果。施工過程中，振沖碎石樁使地基土獲得強(qiáng)烈的預(yù)震，對(duì)增強(qiáng)砂土抗液化能力極為有利。在地基中碎石樁體和土基形成有效的復(fù)合地基，地基承載力明顯增強(qiáng)，由于碎石疊加擠壓形成樁身孔隙較大，地基中孔隙水壓力可通過孔隙快速消散，防止超孔隙水壓力的升高而使砂土產(chǎn)生液化。

地基面上部結(jié)構(gòu)情況：5 孔弧形閘門、1 孔船閘、4 孔鋼壩閘，結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，弧形閘單孔寬度20 m，邊墩厚度2 m，高度9 m，底板厚度2.2 m；鋼壩閘閘孔寬20 m，閘墩為箱涵結(jié)構(gòu)，墩寬8 m，高度9 m，墻壁厚1 m，底板厚度2.0m；船閘19 m，閘墩為箱涵結(jié)構(gòu)，墩寬5 m，高度9 m，墻壁厚1 m，底板厚度2.5 m。因建筑物尺寸較寬，自重較大，壩閘對(duì)地基的承載力要求高。而振沖碎石樁可以有效提高地基承載力。

綜合考慮上述因素，為提高地基承載力、消除地基震動(dòng)液化，地基處理采取振沖碎石樁進(jìn)行處理。

2.3 地基處理設(shè)計(jì)

閘墩、底板自重及疊加上游側(cè)工作橋現(xiàn)澆混凝土T 梁結(jié)構(gòu)自重、門機(jī)自重以及考慮實(shí)際運(yùn)行工況下，門機(jī)起吊閘墩上游側(cè)檢修閘門荷載，閘壩基礎(chǔ)承載力要求：正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的最不利組合下作用在復(fù)合地基上平均壓力值176.3 KPa，最大基底應(yīng)力為206.4 KPa。處理部位包括弧形門閘、船閘及鋼壩閘、左右岸翼墻基礎(chǔ)。碎石樁布置見示意圖1。

圖1 基礎(chǔ)碎石樁布置圖

地基處理設(shè)計(jì)根據(jù)地基承載力計(jì)算確定碎石樁徑、樁位、間距、同時(shí)要進(jìn)行地基變形計(jì)算。

1）碎石樁徑、樁位、間距確定

考慮粉土質(zhì)砂地質(zhì)情況、采用振沖器成樁等因素初步擬定樁徑為0.8 m，為了完全消除地基地震液化，建筑物基礎(chǔ)尺寸外圍再擴(kuò)大6.5 m，作為振沖碎石樁處理范圍，樁底深入至下部低液限黏土層（不液化土層）1 m，確定碎石樁身長(zhǎng)度11.5～16 m。因基礎(chǔ)為大面積滿堂基礎(chǔ)，樁位布置可采用三角形布置，樁間距通過調(diào)整面積置換率計(jì)算復(fù)合地基承載力特征值確定。初步擬定樁間距2.5 m、2 m，采用理正巖土工程計(jì)算軟件，按下列公式計(jì)算，結(jié)果如下。

fak=［1+m（n-1）］·fsk

式中：fak——復(fù)合地基承載力特征值，kPa；

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；

n——復(fù)合地基土應(yīng)力比，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；

m——面積置換率，，d為樁身平均直徑，m；de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，m；等邊三角形de=1.05 s，s為樁間距。

因建筑物埋置深度大于0.5 m，地基承載力特征值，應(yīng)按下式進(jìn)行修正。

式中：fa——修正后的地基承載力特征值，kPa；

fak——地基承載力特征值，kPa；

ηb、ηd——基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)；

r——基礎(chǔ)底面以下土的重度，kN/m3，對(duì)于地下水位以下取浮重度；

b——基礎(chǔ)底面寬度，m，大于6 m，按6 m 考慮；

rm——基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，kN/m3，地下水位以下取浮重度；

d——基礎(chǔ)埋置深度，m。

不同樁間距下復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同樁間距條件下復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算結(jié)果

計(jì)算出的復(fù)合地基基礎(chǔ)底面的壓力值，應(yīng)符合下列規(guī)定：

Pk≤fa

Pkmax≤1.2fa

式中：Pk——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處平均壓力值，kPa；

Pkmax——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面邊緣的最大壓力值，kPa；

fa——修正后的地基承載力特征值，kPa。

從表1結(jié)果上看，碎石樁按照等邊三角形布孔，樁距2.0 m，樁徑0.8 m，修正后的地基承載力特征值fa能滿足上述規(guī)定。

2）變形計(jì)算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，最終變形量按下列公式計(jì)算：

式中：s——地基最終沉降量，mm；

p0——相應(yīng)于作用的準(zhǔn)永久組合時(shí)基礎(chǔ)底面處的附加壓力，kPa；

Esi——基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，MPa，應(yīng)取土的自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段計(jì)算；

φs——沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

Zi、Zi-1——基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1 層土底面的距離，m；

計(jì)算結(jié)果見下表2。

表2 變形沉降成果表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，地基承載力以及變形沉降均能滿足規(guī)范要求。

3）靜載荷、標(biāo)貫試驗(yàn)檢驗(yàn)

碎石樁施工完成后，30 天后進(jìn)行監(jiān)理進(jìn)行了復(fù)合地基靜載荷、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，檢測(cè)了3 個(gè)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果見下表3、表4。

表3 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

從上表可以看出，地基處理后的復(fù)合地基承載力經(jīng)修正后的特征值均大于荷載效應(yīng)最不利組合下最大壓力值206.4 KPa；同時(shí)檢驗(yàn)消除地基液化的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)均大于其臨界值，消除了地基液化。

表4 標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

河道上建造閘壩工程地基處理是閘壩工程建設(shè)一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，處理方案至關(guān)重要。本項(xiàng)目地基處理后效果明顯，滿足設(shè)計(jì)要求，所以對(duì)于含細(xì)粒土砂的粉土質(zhì)砂、存在震動(dòng)液化不利地質(zhì)條件，采用碎石樁處理地基方案是比較合適的選擇。