鉆孔灌注樁在二干河水閘地基處理中的應(yīng)用

吳 洋，趙 東，賀 鵬，嚴(yán)家家

(1.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223000；2江蘇茂源勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，江蘇 儀征 211400)

軟土承載力較為低下已經(jīng)成為制約工程建設(shè)的一個重要因素。在軟土地基上直接修建建筑物，極易出現(xiàn)沉降量過大或者不均勻沉降等問題[1-2]。因此，對軟土地基進行處理是非常必要的。可在一定程度上提高軟土承載力，控制變形沉降量，保證上部結(jié)構(gòu)的安全。目前，對軟土地基的處理方式主要包括：振沖碎石樁、高壓旋噴樁、強夯法、預(yù)壓法等[3-9]。針對不同的地質(zhì)情況和上部荷載要求采取不同的地基處理方法。針對地基加固效果的研究通常采用數(shù)值模擬方法，具有建模速度快，計算結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢[10-11]。結(jié)合二干河水閘工程，對鉆孔灌注樁在地基處理工程中的應(yīng)用進行分析。

1 工程概況

現(xiàn)狀二干河水閘主要功能是防洪、排澇和灌溉。該閘按20a一遇設(shè)計，100a一遇校核，設(shè)計最大過閘流量為175m3/s，分3孔布置，每孔凈寬6m，閘底堰頂高程2.5m，采用鋼筋混凝土平板閘門、卷揚式啟閉機。

2 地基處理方案

2.1 處理方式

根據(jù)閘室、泵室穩(wěn)定、地基沉降的計算成果，閘室、泵室軟弱下臥層承載力和地基沉降不滿足要求，因此需進行地基處理。水閘關(guān)于下臥層承載力不足以及沉降不滿足要求的常規(guī)地基處理方法為：水泥土攪拌樁復(fù)合地基、高壓旋噴樁復(fù)合地基處理、預(yù)制砼樁處理、鉆孔灌注樁處理。

根據(jù)地勘資料本工程閘室、泵室持力層自上而下為0.5～0.9m③1含碎石粉砂(稍密)層、3.5～3.1m③2含碎石粉砂(中密)層，水泥土攪拌樁鉆進困難，并且對軟弱層地基承載力提高有限；若采用預(yù)制樁處理，持力層為密實的含碎石粉砂，將樁打入土層難度較大，并且因樁基較長需接樁，垂直度不能保證。因此本次對高壓旋噴樁復(fù)合地基處理、鉆孔灌注樁處理2種方案進行比選，見表1。

表1 閘室、泵室、岸墻地基處理方案比選

因為已對閘室、泵室進行垂直防滲圍封，消除了灌注樁防滲不利影響，而鉆孔灌注樁方案地基處理費用為高壓旋噴樁方案的一半，因此本次閘室、泵室、岸墻采用鉆孔灌注樁地基處理方案。

2.2 樁基設(shè)計

2.2.1樁基布置

考慮上部荷載全部由樁基礎(chǔ)和底板共同承擔(dān)，確定在閘室底板下布置樁基45根、泵室底板下布置樁基28根、左右岸墻共布置樁基57根。閘室、水閘、岸墻均采用?1000mm鉆孔灌注樁，樁長25m。

2.2.2樁基礎(chǔ)豎向承載力計算

以完建期為控制工況，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk按式(1)計算，計算結(jié)果見表2。

表2 閘室灌注樁豎向承載力計算成果

Quk=uΣqsiali+qpaAp

(1)

式中，u—樁身周長，mm；li—樁長，m；Ap—樁端面積，mm2；qsia—樁側(cè)極限側(cè)阻力，kN；qpa—樁端阻力，kN。

單樁豎向承載力特征值Ra：

(2)

式中，k—安全系數(shù)，取k=2。

由于閘室采用整底板結(jié)構(gòu)，整體剛度較好，并且底板持力土層承載力較好，因此考慮承臺效應(yīng)?？紤]承臺效應(yīng)的單樁承載力特征值按下列公式計算：

R=Ra+ηfakAc

(3)

Ac=(A-nAps)/n

(4)

式中，fak—承臺下1/2承臺寬度且不超過5m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；η—承臺效應(yīng)系數(shù)；Aps—樁身截面積，mm2；Ac—計算樁基所對應(yīng)的承臺面積，m2；A—承臺面積，m2。

由計算結(jié)果可知，各部位底板下樁基豎向承載力均滿足要求。

2.2.3樁頂位移計算

經(jīng)分析，樁頂位移的控制工況為完建期，按JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定計算樁頂位移，計算結(jié)果見表3。

表3 灌注樁樁頂位移計算成果

由計算結(jié)果可知，各部位底板下灌注樁的樁頂位移都滿足規(guī)范小于5mm的要求。

3 加固效果分析

3.1 數(shù)值模擬模型建立

結(jié)合二干河水閘基礎(chǔ)地質(zhì)資料可知，水閘處主要地基土層為：第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土(Q4)、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4)、含碎石粉砂(Q4)、粉土(Q4)及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾薄層粉砂(Q4)等。根據(jù)設(shè)計樁長及樁間距建立數(shù)值模擬模型。研究鉆孔灌注樁施工完成后，上部水閘施工過程及施工完成運行期間，鉆孔灌注樁及樁間土的變形和樁土應(yīng)力比變化情況。計算模型如圖1所示，計算參數(shù)見表4。

圖1 FLAC數(shù)值模擬模型

表4 各土層力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

3.2.1沉降變形分析

在水閘主體結(jié)構(gòu)施工期間及施工完成后，鉆孔灌注樁和樁間土之間的沉降變形結(jié)果如圖2所示。

圖2 沉降變形監(jiān)測結(jié)果

由圖2可知，在水閘施工過程中，灌注樁及樁間土的沉降量隨著主體結(jié)構(gòu)的施工而逐漸增大，沉降變形速率較為穩(wěn)定，主要原因是考慮到在施工過程中，上部結(jié)構(gòu)施工速度較為穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)荷載的增加速度較為平穩(wěn)。當(dāng)泵站施工完成后，灌注樁及樁間土的沉降變形速率有所下降。上部結(jié)構(gòu)施工早期，樁和樁間土之間的沉降差值較小，隨著上部荷載不斷增大，超過樁間土承載力時，樁間土沉降差值不斷擴大。直至上部結(jié)構(gòu)施工完成，荷載保持穩(wěn)定，樁間土固結(jié)承載力增大，由樁和樁間土共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載，此時，樁與樁間土之間的沉降差呈不斷縮小的趨勢。

3.2.2樁土應(yīng)力比研究

樁土應(yīng)力比是樁、土所承受荷載差值的反映，樁土應(yīng)力比越大表明樁土承受荷載的差值越大。在施工期、完工期樁土應(yīng)力比值大小如圖3所示。

圖3 樁土應(yīng)力比

由圖3可知，樁土應(yīng)力比在整個過程中呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢。在剛剛完成上部結(jié)構(gòu)施工時，樁土應(yīng)力比達到最大值，之后樁土應(yīng)力比逐漸減小。其主要原因是：在施工過程中，水閘荷載不斷增大，超過樁間土承載力后，將由灌注樁承擔(dān)主要荷載，之后，灌注樁承擔(dān)荷載不斷增大，在上部結(jié)構(gòu)施工完成時達到最大值。之后，水閘荷載趨于穩(wěn)定，樁間土不斷固結(jié)，承載力有所提升，樁土應(yīng)力比不斷減小。

4 結(jié)論

(1)二干河水閘軟土厚度大，不滿足承載力要求。通過方案比選，采用鉆孔灌注樁進行地基處理，具有投資低等優(yōu)勢。

(2)通過理論計算結(jié)合數(shù)值模擬分析，采用鉆孔灌注樁處理后，可較好控制地基沉降量，有利于上部結(jié)構(gòu)安全。

(3)樁土應(yīng)力比、樁土沉降差隨著水閘施工不斷增大，在水閘施工完成時達到最大值，之后樁土應(yīng)力比、樁土沉降差呈現(xiàn)減小趨勢。主要原因是：施工初期，上部荷載不斷增大，超過樁間土承載力時，樁間土沉降量不斷增大，主要由灌注樁承擔(dān)上部荷載，之后荷載穩(wěn)定，樁間土固結(jié)沉降、承載力提升，樁土應(yīng)力比、樁土沉降差趨于穩(wěn)定。