預(yù)制樁復(fù)合地基在閘站工程中的應(yīng)用

趙笑研

（北京市密云區(qū)潮白河道管理所，北京市 101500）

0 引言

預(yù)制樁復(fù)合地基目前廣泛應(yīng)用于房屋建筑、公路和市政工程的地基建設(shè)，近十幾年來(lái)發(fā)展非常迅速，技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，在工程整體結(jié)構(gòu)中可以達(dá)到物盡其用的效果，合理節(jié)約建設(shè)投資，在閘站工程地基施工中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 復(fù)合地基的基本概念

1.1 復(fù)合地基的定義

水工建筑物閘站工程建設(shè)中使用的復(fù)合地基通常是指廣義上的復(fù)合地基，廣義上的復(fù)合地基是一種對(duì)部分天然地基中的土體進(jìn)行增強(qiáng)、置換、增設(shè)加筋材料等技術(shù)處理的地基處理技術(shù)，由天然地基土體或經(jīng)過(guò)改良的天然地基土體作為加固區(qū)，與增強(qiáng)體共同組層人工地基。

1.2 復(fù)合地基的主要類別

復(fù)合地基在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中根據(jù)不同的性能需求會(huì)采取不同的增強(qiáng)體布設(shè)方式，采用樁體作為豎向增強(qiáng)體的復(fù)合地基通常被稱為樁體復(fù)合地基；復(fù)合地基的水平向增強(qiáng)體為加筋材料的可以稱為加筋土地基。樁體復(fù)合地基中地基荷載的傳遞機(jī)理主要會(huì)受到散體材料、粘結(jié)材料等樁體組成材料及其強(qiáng)度的影響。復(fù)合地基按照增強(qiáng)體材料的布設(shè)方式可以分為豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基和水平向增強(qiáng)體復(fù)合地基兩個(gè)主要類別，其中豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基根據(jù)采用的材料種類可以分為由碎石樁、砂樁、礦渣樁等材料制作的散體材料樁復(fù)合地基和粘結(jié)材料樁復(fù)合地基，粘結(jié)材料樁復(fù)合地基又包括石灰或石灰樁、水泥攪拌樁、旋噴樁等柔性樁復(fù)合地基和CFG樁、木樁、鋼或鋼筋砼樁等剛性樁復(fù)合地基。

樁體復(fù)合地基是水工建筑物采用的主要地基形式，其加固區(qū)是由非均質(zhì)且具有各向異性的基體和增強(qiáng)體兩個(gè)部分組成，這也是復(fù)合地基和均質(zhì)地基的本質(zhì)區(qū)別。樁基礎(chǔ)由樁獨(dú)立承受荷載作用，但復(fù)合地基中的基體和增強(qiáng)體會(huì)共同承擔(dān)荷載作用。近年來(lái)，由樁和土通過(guò)協(xié)同變形共同承擔(dān)直接荷載的摩擦型樁正在成為地基處理措施的重點(diǎn)發(fā)展方向，樁土共同作用的摩擦型樁符合剛性樁復(fù)合地基的基本特征，因此在計(jì)算中可以應(yīng)用復(fù)合地基理論。

1.3 復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是指依據(jù)優(yōu)化原理和現(xiàn)有工程條件采用計(jì)算機(jī)計(jì)算出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，在優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)踐應(yīng)用中需要考慮設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件三個(gè)主要影響因素。復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須立足于設(shè)計(jì)意圖，復(fù)合地基通常情況下需要滿足提高地基承載力、減少地基沉降、在提高地基承載力的同時(shí)減少地基沉降三個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)其中的一個(gè)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)意圖確定具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

1.3.1 提高地基承載力。為了提高復(fù)合地基的承載力，需要對(duì)地基的承載力進(jìn)行嚴(yán)肅算，確保沉降量能夠達(dá)到工程的合理使用需求。當(dāng)核算結(jié)果不符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定時(shí)，可以通過(guò)合理措施將承載力提高到技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。樁的測(cè)摩阻力和樁端阻力共同決定了預(yù)制樁復(fù)合地基中預(yù)制樁提的承載力，預(yù)制樁基承載力的提升可以通過(guò)加大樁體長(zhǎng)度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3.2 減少地基沉降。為了盡量降低地基的沉降量，在設(shè)計(jì)之初可以選用最小的沉降控制值，然后根據(jù)工程的使用需求情況對(duì)地基承載力進(jìn)行核驗(yàn)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能夠滿足沉降需求的設(shè)計(jì)承載力通常也在相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范允許的范圍內(nèi)，否則可以采取合理增大復(fù)合地基置換率、增加樁體長(zhǎng)度等方式將地基承載力調(diào)整到相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的合理范圍內(nèi)。

1.3.3 在提高地基承載力的同時(shí)減少地基沉降。安全性、適用性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)發(fā)展是工程設(shè)計(jì)中必須遵守的五項(xiàng)原則，其中首要的是安全性原則。對(duì)于既要提高地基承載力又要減少地基沉降的復(fù)合地基更應(yīng)注重設(shè)計(jì)方案的安全性，在滿足地基承載力要求的前提下采取合理措施減少地基的沉降量。

2 底板、樁和樁間土之間的相互作用

為了將閘站工程的基礎(chǔ)均勻落在地基上，閘站底板及其中上部結(jié)構(gòu)與預(yù)制樁、樁間土在相互作用、相互影響中共同構(gòu)成了完整的工程體系。樁體和樁間土的承載力是當(dāng)前閘站工程預(yù)制樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)中主要考慮的承載力因素，對(duì)于底板及其上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基和樁體造成的應(yīng)力影響則被排除在考慮因素之外，因此造成了閘站工程建設(shè)資金的浪費(fèi)，并對(duì)其安全性產(chǎn)生了不利影響。地基和框架結(jié)構(gòu)共同作用的概念及其計(jì)算公式由梅耶霍夫于1947年首次提出，自此地基和上部結(jié)構(gòu)的共同作用機(jī)理成為工程界和學(xué)術(shù)界的重要關(guān)注和研究對(duì)象。

樁和樁間土的荷載分擔(dān)比：根據(jù)對(duì)預(yù)制樁復(fù)合地基閘站底板、樁和樁間土之間的相互作用性狀開展的計(jì)算機(jī)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，在完建期工況、設(shè)計(jì)工況、校核工況和檢修期工況下，地基土和占底板面積88%～90%的大部分閘站底板底面的中間部位基本沒有發(fā)生接觸，僅僅在底板垂直水流方向占底板面積約10%～12%的兩側(cè)端部位置上產(chǎn)生了輕微的接觸。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是地基土和底板在閘站兩側(cè)邊較大的荷載作用下發(fā)生局部脫空。因此，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中需要通過(guò)施工組織設(shè)計(jì)對(duì)閘站兩側(cè)的填土情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，或者采取其他措施消除荷載對(duì)閘站兩側(cè)底板造成的影響，實(shí)現(xiàn)復(fù)合地基加固區(qū)域的擴(kuò)展?？偠灾?，在上述四種工況下，垂直和水平向荷載的共同作用導(dǎo)致閘站的地基土和閘站底板地面之間產(chǎn)生了比較緊密的接觸，基本不存在脫空現(xiàn)象。

2.1 豎向荷載分擔(dān)比

根據(jù)計(jì)算機(jī)取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在底板底面的進(jìn)出水側(cè)邊緣處，地基土和閘站底板地面在接觸中產(chǎn)生了稍大的壓強(qiáng)，底板底面進(jìn)水側(cè)齒坎部位與節(jié)制閘、泵站底板的分縫處產(chǎn)生了壓強(qiáng)的最大值。由于預(yù)制樁設(shè)置在閘站底板的中間部位，從閘站上部傳遞而來(lái)的荷載主要由協(xié)同樁間地基土承擔(dān)，分散了原本應(yīng)由樁間地基土承擔(dān)的豎向荷載，因此閘站底板中間部位僅產(chǎn)生了較小的接觸壓強(qiáng)。通常情況下，閘站工程會(huì)在完建期達(dá)到固結(jié)壓縮量的最高峰值，底板和地基土在地基土固結(jié)壓縮過(guò)程中存在一定發(fā)生脫空的可能性，樁間地基土承擔(dān)了較小的荷載份額。

2.2 橫向荷載分擔(dān)比

在閘站底板和地基土的摩擦作用下，閘站底板和地基土的接觸面在任何計(jì)算工況下都會(huì)出現(xiàn)剪應(yīng)力分布。上、下游側(cè)齒坎處在所有工況下的剪應(yīng)力均為最大值，應(yīng)力較小處為接觸面的中間部位。造成這一現(xiàn)象的原因是上游齒坎和樁間土體在水平荷載作用下發(fā)生擠壓，而擠壓作用在下游齒坎和樁間土體上較弱，甚至土體與齒坎之間會(huì)出現(xiàn)脫離。

由于預(yù)制樁頂附近土體表面的剪應(yīng)力在土體壓縮固結(jié)后與天然土體的抗剪能力相去甚遠(yuǎn)，隨著水平荷載的增加，樁頂附近土體表面的剪應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增加，因此樁間地基土的水平荷載分擔(dān)額在檢修工況下達(dá)到了19.49%的最高峰值。由于預(yù)制樁和樁周地基土的相互作用產(chǎn)生的效應(yīng)會(huì)隨著上部荷載的增加而相應(yīng)的增強(qiáng)，預(yù)制樁群的位移在校核工況下達(dá)到了最大值，因此樁間地基土在校核工況下僅分擔(dān)了11.21%的水平荷載，達(dá)到了最低值。由此可見，預(yù)制樁樁體承擔(dān)了更多的水平荷載。

3 預(yù)制樁復(fù)合地基在外部荷載影響下的變化規(guī)律

3.1 地基沉降的變化規(guī)律

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果顯示的預(yù)制樁復(fù)合地基在不同特征水位情況和豎向荷載影響下的沉降趨勢(shì)，預(yù)制樁復(fù)合地基在某種工控下的水平向荷載作用范圍內(nèi)沉降值會(huì)隨著豎向荷載的增加而相應(yīng)增加，較為明顯的預(yù)制樁和樁周土的協(xié)同作用與變形效果顯示了閘站上部豎向荷載對(duì)預(yù)制樁復(fù)合地基的最大沉降值具有比較顯著的影響。

3.2 樁體水平位移的變化規(guī)律

由于閘站底板和樁間土之間的接觸作用會(huì)隨著豎向荷載的增加而增強(qiáng)，導(dǎo)致兩者之間的壓強(qiáng)也相應(yīng)增加，相較于其他情況，預(yù)制樁樁體承擔(dān)的水平荷載會(huì)有所下降。因此，預(yù)制樁復(fù)合地基樁頂?shù)乃轿灰圃谀撤N工況下的水平向荷載作用范圍內(nèi)會(huì)隨著豎向荷載的增加表現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢(shì)。由此可見，預(yù)制樁復(fù)合地基樁頂?shù)乃轿灰茣?huì)在一定程度上受到豎向荷載的影響。

3.3 樁間土體荷載分擔(dān)比的變化規(guī)律

由于閘站底板和樁間土之間的接觸作用會(huì)隨著豎向荷載的增加而增強(qiáng)，導(dǎo)致兩者之間的壓強(qiáng)增大，相較于其他情況，預(yù)制樁樁體承擔(dān)的水平荷載此時(shí)會(huì)有所降低。因此，預(yù)制樁復(fù)合地基樁頂?shù)乃轿灰圃谀撤N工況下的水平向荷載作用范圍內(nèi)會(huì)隨著豎向荷載的增加而表現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢(shì)。由此可見，預(yù)制樁復(fù)合地基的樁頂水平位移在一定程度上會(huì)受到豎向荷載的影響。