徒駭河壩上閘基礎(chǔ)處理方案設(shè)計

曹 陽，包第嘯，徐 成，陳星宇

(1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410000；3.溧陽市水利局，江蘇 溧陽 213300)

大部分水閘都建筑在平原區(qū)第四系松散堆積層上，覆蓋層較厚，往往會遇到諸如松散的砂土以及軟弱黏土地基。由于近年來新建水閘對閘上交通、建筑景觀、使用功能等要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)越趨于繁雜，導(dǎo)致傳至地基的荷載也相應(yīng)增加。但在各類荷載的作用下，地基必須始終穩(wěn)定，尤其是沉降與不均勻沉降應(yīng)在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。因此，對天然地基尤其是松散、軟弱、易液化的地基加固與處理，是水閘設(shè)計的重中之重。與建筑地基處理的方法類似，根據(jù)不同的地基情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工條件[1]，水閘的土基處理主要有：換填墊層法、強(qiáng)力夯實(shí)法、復(fù)合地基、樁基礎(chǔ)與沉井基礎(chǔ)等。本文以徒駭河壩上閘除險加固工程為案例，對復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)2類基礎(chǔ)處理方案進(jìn)行設(shè)計，并按步驟計算、分析。

1 工程概況

徒駭河壩上閘除險加固工程位于濱州市沾化區(qū)富國鎮(zhèn)壩上村東，徒駭河下游。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，該閘運(yùn)行年限達(dá)49a，工程老化嚴(yán)重，經(jīng)安全鑒定為四類閘，需報廢重建。

改建徒駭河壩上閘位于原閘址下游約290m處，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模大(2)型，主要建筑物級別為2級。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)按照“1961年雨型”(相當(dāng)于50a一遇)，相應(yīng)洪水流量1411.7m3/s，該流量下閘上游水位5.81m，閘下游水位5.72m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100a一遇，其洪峰流量為1590m3/s，該流量下徒駭河壩上閘上游水位6.66m，下游水位6.57m。

改建壩上閘為開敞式河道型平底水閘，共計12孔，單孔凈寬12.0m，閘孔總凈寬144.0m，總寬160.5m。閘室底板順?biāo)鞣较蜷L20m，采用分離式底板，底板頂部高程-1.60m，底部高程-3.10m，底板厚度1.50m。閘墩順?biāo)鞣较蜷L度19.1m，寬度1.5m，閘墩頂部高程7.4m，閘墩高度9m，閘上交通橋橋面高程8.5m。閘室縱剖面如圖1所示。

2 閘址工程地質(zhì)概況

閘址處地層從上到下依次為：

圖1 閘室縱剖面圖

表1 徒駭河壩上閘地基土體物理力學(xué)指標(biāo)

閘址土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

閘底板設(shè)計底高程-3.10m，位于③層粉砂頂部，③層粉砂土質(zhì)不均，多夾軟弱黏土團(tuán)塊及貝殼碎片，下伏④層砂壤土、④-2層粉砂地層，為可能液化土層，易產(chǎn)生滲透變形。③層粉砂頂部1.0m范圍內(nèi)砂層疏松，多夾有腐殖質(zhì)，土質(zhì)不均，呈淤泥質(zhì)粉砂狀，承載力較低，天然地基不宜直接作為閘室持力層。

3 基礎(chǔ)處理方案

對4種處理方案進(jìn)行技術(shù)比選，分別為振沖碎石樁、水泥土攪拌樁、旋噴樁復(fù)合地基和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3.1 方案一，振沖碎石樁復(fù)合地基

作用機(jī)理：振沖法是將需要加固處理的軟土地基中插入帶上下噴水口的振動器，啟動振動器后，在下部射水與水平向震動力的共同作用下，以每分鐘0.5～3m的速度擠入地基中并下沉到加固設(shè)計標(biāo)高[2]，此時孔周土體已在震動作用下變得密實(shí)。關(guān)閉下噴水口開啟上噴水口并向孔內(nèi)填入碎石、礫石、砂等填料，同時噴水震動使填料密實(shí)度達(dá)到設(shè)計要求后逐漸上提振沖設(shè)備，此時孔內(nèi)及周圍土體已被擠密。復(fù)合地基由振沖樁與樁間土共同構(gòu)成，該方案可顯著提高地基承載力、減少變形，同時避免地震液化風(fēng)險。

適用土體：參考《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中7.2.1節(jié)內(nèi)容。當(dāng)?shù)鼗翞樯巴粱蛏叭劳習(xí)r，處理效果最佳，而對黏性土的加固效果不及砂土地基。對黏粒含量大于10%、含水量較大、抗剪強(qiáng)度較低的軟黏土地基不再適用。

方案適用性分析：本工程閘室基礎(chǔ)下液化土層厚度達(dá)12.9～13.4m，經(jīng)振沖樁承載力計算，振沖樁樁徑1.0m，樁間距2m，樁體應(yīng)穿過液化深度下界，故樁長14m，樁長較長。地基處理范圍為閘室基礎(chǔ)外緣外擴(kuò)7m，需大面積滿堂布置，處理的范圍較大，因此，所需樁體材料量極大。碎石材料必須從工程區(qū)170km外的鄒平縣西董鎮(zhèn)的石料場購買，將大大增加工程投資，故該方案經(jīng)濟(jì)性較差。

3.2 方案二，水泥土攪拌樁復(fù)合地基

作用機(jī)理：使用某種攪拌機(jī)械將地基深處的軟土與固化劑(水泥漿液或粉體等材料)進(jìn)行攪拌，使原軟土地基硬結(jié)成可以達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度且整體性與水穩(wěn)性較高的水泥加固土復(fù)合地基，該方案可有效提高地基土強(qiáng)度和變形模量。

適用土體：參考上述規(guī)范7.3.1節(jié)內(nèi)容。

方案適用性分析：①本工程閘址區(qū)地下水對混凝土具一般酸性型弱腐蝕、鎂離子型強(qiáng)腐蝕、硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕，為提高水泥土的抗侵蝕性能需選用抗硫酸鹽水泥。②閘址基礎(chǔ)下土層滲透性較好，具有良好的滲流通道，其中③層粉砂滲透變形類型為管涌，固化劑可能會在尚未硬結(jié)時遭地下水沖洗掉，達(dá)不到地基處理的預(yù)期效果，影響基礎(chǔ)處理質(zhì)量。③閘室中墩基底應(yīng)力最大值Pmax=201.47kPa，平均基底應(yīng)力最大值P=130.71kPa；閘室邊墩基底應(yīng)力最大值Pmax=261.07kPa，平均基底應(yīng)力最大值P=247.52kPa。而通過水泥土攪拌樁所加固的地基，其承載力普遍小于200kPa，一般在120～180kPa之間，樁徑500mm的攪拌樁單樁承載力不超過150kN，因此，水泥土攪拌樁不適用于本工程。

3.3 方案三，高壓旋噴樁復(fù)合地基

作用機(jī)理：利用鉆機(jī)鉆至于高壓旋噴樁底部設(shè)計高程，漿液通過加壓裝置從旋噴注漿管的噴嘴中高速噴出，形成一股高能量液流破壞并攪動土體。旋轉(zhuǎn)噴射的同時鉆桿抬升，這樣土體與漿液便可充分混合，在土中形成柱狀固結(jié)體，從而使地基得到加固。

適用土體：參考上述規(guī)范7.4.1節(jié)內(nèi)容。

方案適用性分析：本工程地基除了承載力外還存在地震液化問題，通過高壓旋噴樁對閘室上、下游進(jìn)行圍封以解決地基的液化問題并提高承載力。但閘址基礎(chǔ)下土層滲透性較好，同時有機(jī)質(zhì)含量高，對漿體的穩(wěn)定性影響極大，從而影響地基處理效果。

3.4 方案四，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)

鉆孔灌注樁分類：灌注樁可分為摩擦型和端承型兩大類。摩擦型灌注樁主要由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)大部分荷載，而端承型主要依靠樁端阻力來承擔(dān)荷載。根據(jù)水閘類工程的運(yùn)行特點(diǎn)，水平荷載以水壓力為主，在水壓力的作用下，閘底板與地基土之間必須緊密接觸以免產(chǎn)生滲流通道，因此，土質(zhì)地基若選用灌注樁，一般以摩擦型灌注樁最為常見。

適用土體：覆蓋層較深厚的地基，或上部松軟、下部堅硬的地基[1]。

方案適用性分析：閘室基礎(chǔ)下液化土層厚度達(dá)12.9～13.4m，采用樁徑0.8～1.0m的樁基礎(chǔ)穿過液化土層，⑤層粉細(xì)砂作為樁基礎(chǔ)的持力層。灌注樁可提供較高的豎向承載力，足以承擔(dān)水閘運(yùn)行時所產(chǎn)生的全部豎向荷載，通過多年來的工程經(jīng)驗(yàn)，灌注樁基礎(chǔ)可以很好地控制不均勻沉降，可使建筑物的傾斜不超過允許范圍。灌注樁具有較強(qiáng)的側(cè)向剛度和良好的抗傾覆能力，可抵御水平荷載(如風(fēng)荷載、地震荷載等)以及所產(chǎn)生的力矩，進(jìn)一步提高徒駭河壩上閘的抗傾穩(wěn)定性。樁身穿過液化土層，樁端支撐在穩(wěn)定的堅實(shí)土層，當(dāng)?shù)卣饘?dǎo)致表層土體液化與震陷時，坐落于深部穩(wěn)固土層的樁基仍具有很強(qiáng)的抗壓與抗拔承載力，從而可保證水閘的穩(wěn)定，使其不產(chǎn)生過大的沉陷與傾斜。因此采用樁基礎(chǔ)可靠性更高。

3.5 基礎(chǔ)處理方案確定

考慮到基礎(chǔ)承載力較低，且表層疏松不均勻，以及地基土層地震液化問題，通過上述分析，閘室采用如下處理措施：①因樁基礎(chǔ)水平承載力需要，閘室基礎(chǔ)墊層以下1.5m深(-3.2～-4.7m)的疏松粉砂層采用水泥土進(jìn)行換填，水泥摻入比10%，換填分2層碾壓，壓實(shí)度0.95。水泥采用42.5抗硫水泥。②均采用C40鋼筋混凝土灌注樁對地基進(jìn)行處理，樁徑0.8m。

4 樁基布置

中墩順?biāo)鞣较虿贾?列樁基，樁間距3.0m，垂直水流方向布置7排樁基，樁間距2.6m，共計14根樁基，單樁樁長24.0m。布置如圖2—3所示。

邊墩采用鋼筋混凝土扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)，邊墩底板垂直水流方向布置9排樁基，樁間距2.4m，順?biāo)鞣较虿贾?排樁基，樁間距2.6m，共計45根樁基。布置如圖4—5所示。

5 計算過程

5.1 工況和水位計算

閘墩樁基計算水位組合見表2。

5.2 樁基計算過程

5.2.1單樁豎直方向的承載力特征值

計算公式：

(1)

Quk=Qsk+Qpk=μ∑qsikli+qpkAp

(2)

式中，安全系數(shù)K=2；qsik、qpk可通過地質(zhì)資料查詢。其他系數(shù)參考JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中式(5.2.2)與式(5.3.10)中描述。

圖2 徒駭河壩上閘中墩樁基礎(chǔ)布置平面圖(單位：mm)

圖3 徒駭河壩上閘中墩樁基礎(chǔ)布置剖面圖(單位：mm)

圖4 徒駭河壩上閘邊墩樁基礎(chǔ)布置平面圖(單位：mm)

圖5 徒駭河壩上閘邊墩樁基礎(chǔ)布置剖面圖(單位：mm)

表2 徒駭河壩上閘閘墩樁基計算水位組合表

閘室底板基礎(chǔ)采用水泥土換填1.5m厚的③層粉砂后，經(jīng)計算，直徑為0.8m的灌注樁豎向承載力特征值Ra見表3。

表3 灌注樁單樁豎直方向的承載力特征值

5.2.2單樁水平向承載力特征值

若混凝土灌注樁配筋率大于0.65%，單樁水平向承載力特征值Rha采用如下公式：

(3)

式中，EI=0.85EcI0；χoa=5mm；νx=0.94；樁的水平變形系數(shù)α計算公式見上述規(guī)范5.7.5中內(nèi)容，其他系數(shù)參考該規(guī)范中式(5.7.2-2)中描述。

閘室底板基礎(chǔ)以下1.5m采用水泥土換填，經(jīng)計算，在非地震工況下樁側(cè)水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=5.2MN/m4；在地震工況下樁側(cè)水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=2.3MN/m4。直徑為0.8m的灌注樁水平承載力特征值Rha詳見表4。

表4 灌注樁單樁水平向承載力特征值

5.2.3群樁中基樁或復(fù)合基樁單樁豎向力

計算公式為：

(4)

式中，系數(shù)參考上述規(guī)范中式(5.1.1- 1)與(5.1.1- 2)中描述。

5.2.4單樁承受水平力

計算公式：

(5)

式中，系數(shù)參考上述規(guī)范中式(5.1.1- 3)中描述。

5.2.5樁長長度復(fù)核

初步擬定樁長代入上述公式復(fù)核是否滿足規(guī)范要求，若滿足則說明樁基布置合適。判斷公式如下：

Nk≤Ra

(6)

Nkmax≤1.2Ra

(7)

Hik≤Rh

(8)

NEk≤1.25Ra

(9)

NEmax≤1.5Ra

(10)

對于單樁基礎(chǔ)，Rh=Rha。式中系數(shù)參考上述規(guī)范中式(5.2.1- 1～4)中描述。

5.3 樁基計算成果分析

5.3.1中墩樁基(直徑0.8m)

在地震工況下，單樁最大豎向力Ni=1299.30kN(正常擋潮+地震工況(逆河向))，單樁最大水平力Hik=155.40kN(正常蓄水+地震工況(順河向))；在非地震工況下，單樁最大豎向力Ni=1099.21kN(校核擋水工況)，單樁最大水平力Hik=142.70kN(校核擋水工況)。在地震工況下單樁豎向承載力特征值Ra=1107.50kN，單樁水平承載力特征值Rha=162.94kN；在非地震工況下的單樁豎向承載力特征值Ra=1435.67kN，單樁水平承載力特征值Rha=178.26kN。

地震工況時，Ni<1.25Ra=1.25×1107.50=1384.38kN，Hik<1.25Rha=1.25×162.94=203.68kN，滿足要求；

非地震工況時，Ni

5.3.2邊墩樁基

在地震工況下，單樁最大豎向力Ni=1007.77kN(正常蓄水+地震工況(垂直河向))，單樁最大水平力Hik=178.90kN(正常擋潮+地震工況(垂直河向))；在非地震工況下的單樁最大豎向力Ni=1039.36kN(完建工況)，單樁最大水平力Hik=100.30kN(校核擋水工況)。直徑0.8m的樁基，在地震工況下的單樁豎向承載力特征值Ra=1107.50kN，單樁水平承載力特征值Rha=162.94kN；在非地震工況下的單樁豎向承載力特征值Ra=1435.67kN，單樁水平承載力特征值Rha=178.26kN。

地震工況時，Ni<1.25Ra=1.25×1107.50=1384.38kN，Hik<1.25Rha=1.25×162.94=203.68kN，滿足要求；非地震工況時，Ni

6 結(jié)語

(1)本工程屬軟土基礎(chǔ)，承載力較低、液化土層較深，且土層有機(jī)質(zhì)含量較高，因此，選擇合適的樁型以及樁長應(yīng)作為重點(diǎn)問題分析。

(2)樁型的選取，除了考慮土體的適用性以外，還應(yīng)對施工難度、工程進(jìn)度、造價及樁體的可靠性進(jìn)行綜合比較分析。