水利工程中幾種常見(jiàn)地基問(wèn)題及處理方法

李會(huì)興

（天津市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，天津 300204）

1 簡(jiǎn)述

水利工程分布地域廣闊，有相當(dāng)多的水利工程建設(shè)在河口、沿海、濕地、山區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣、建設(shè)條件較差。各類(lèi)建筑物的地基作為支承建筑物基礎(chǔ)的載體，其穩(wěn)定性一直都是工程設(shè)計(jì)和建設(shè)者關(guān)注的重要內(nèi)容。

地基是建筑物下面支承基礎(chǔ)的土體或巖體，按地質(zhì)情況分為土基和巖基，按設(shè)計(jì)施工情況分為天然地基和人工地基。土基由碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土等各類(lèi)不同的土體組成，巖基由巖石構(gòu)成。相對(duì)于土基來(lái)說(shuō)，巖基性質(zhì)稍好。

天然地基是在自然狀態(tài)下即可滿(mǎn)足承擔(dān)基礎(chǔ)全部荷載要求，不需要人工處理的地基。人工地基是天然地基不能承載基礎(chǔ)傳遞的全部荷載，需要通過(guò)一定的處理措施干預(yù)后形成的地基。本文主要研究土質(zhì)地基。

2 工程地質(zhì)勘察

各類(lèi)建筑物建造在地基之上，構(gòu)成地基的土層分布，土的松密程度、壓縮性的高低、強(qiáng)度的大小，地下水的深度與水質(zhì)情況、附近是否存在不良地質(zhì)現(xiàn)象等，都關(guān)系著建筑物的安危。因此，通過(guò)工程地質(zhì)勘察查清地基土的真實(shí)狀況是工程設(shè)計(jì)的重要前期工作，工程地質(zhì)勘察成果是工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。

在工程地質(zhì)勘察工作中，勘察內(nèi)容、工作量和工作方法應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地的復(fù)雜程度、建筑物的規(guī)模及等級(jí)、對(duì)建筑物場(chǎng)地地質(zhì)條件的研究程度和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)、建筑物的基礎(chǔ)型式等因素有針對(duì)性的確定。通過(guò)鉆探法、觸探法、掘探法等勘察手段，查清工程范圍內(nèi)工程地質(zhì)情況，包括場(chǎng)地位置、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等。對(duì)不良地質(zhì)現(xiàn)象要重點(diǎn)關(guān)注，并提醒工程設(shè)計(jì)人員注意。工程地質(zhì)勘察應(yīng)詳細(xì)描述場(chǎng)地的地層分布、巖土構(gòu)成、各土層的均勻性、地下水埋藏深度和土層的凍結(jié)深度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定場(chǎng)區(qū)各層土體的物理力學(xué)性質(zhì)、地基承載力指標(biāo)、地下水侵蝕性等。詳實(shí)、可靠的工程地質(zhì)勘察資料是工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是在工程設(shè)計(jì)中判定地基是否存在問(wèn)題并選取適宜的地基處理方法的重要依據(jù)。

3 工程中常見(jiàn)的地基問(wèn)題

水利工程中，常見(jiàn)的地基問(wèn)題主要分為3 類(lèi)，即地基承載力和穩(wěn)定性問(wèn)題、沉降和水平位移問(wèn)題、滲流問(wèn)題。

3.1 地基承載力和穩(wěn)定性問(wèn)題

地基承載力和穩(wěn)定性問(wèn)題是指地基承載力不能滿(mǎn)足建筑物荷載要求，在建筑物荷載作用下地基發(fā)生局部或整體剪切破壞，影響建筑物的正常使用甚至損毀。

作為建筑物基礎(chǔ)的支承體，地基的承載力需要滿(mǎn)足上部荷載的要求，能在上部建筑物基礎(chǔ)傳遞下來(lái)的荷載作用下保持穩(wěn)定。

造成地基承載力不足的土體有軟黏土、泥炭土、膨脹土等，這些土體承載力較低，容易引起地基失穩(wěn)問(wèn)題。

軟黏土是軟弱黏性土的簡(jiǎn)稱(chēng)，包括淤泥、淤泥質(zhì)土等。淤泥和淤泥質(zhì)土主要是第四紀(jì)后期形成的濱海相、澙湖相、三角洲相和內(nèi)陸河湖相等的黏性土沉積物或河流沖積物，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0。當(dāng)天然孔隙比大于1.5時(shí)，稱(chēng)為淤泥；當(dāng)天然孔隙比大于1.0 小于1.5 時(shí)，稱(chēng)為淤泥質(zhì)土。這類(lèi)土的天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小。在荷載作用下，軟黏土地基承載力較低，易發(fā)生地基不穩(wěn)定問(wèn)題。軟黏土地基在工程中較為常見(jiàn)，一般需要處理后才能供工程使用。

泥炭土是在潮濕和缺氧環(huán)境中未經(jīng)充分分解的植物遺體堆積而成的一種有機(jī)質(zhì)土，有機(jī)質(zhì)含量大于60%，其含水量高、壓縮性大且不均勻。

膨脹土是指黏粒成分主要由親水性黏土礦物組成的黏性土，在環(huán)境溫度和濕度變化時(shí)可產(chǎn)生強(qiáng)烈的脹縮變形。

軟黏土、泥炭土和膨脹土都是引起地基不穩(wěn)定性問(wèn)題的不良土質(zhì)。

3.2 沉降和水平位移問(wèn)題

當(dāng)?shù)鼗奢d過(guò)大將會(huì)產(chǎn)生變形，地基變形過(guò)大將導(dǎo)致建筑物沉降或水平位移。當(dāng)建筑物不均勻沉降超過(guò)地基所能承受的范圍，建筑物將產(chǎn)生過(guò)大裂縫、不能正常使用，也可能使建筑物整體失穩(wěn)、傾覆，給工程帶來(lái)嚴(yán)重后果。

3.3 滲流問(wèn)題

當(dāng)?shù)鼗惺茌^大的水力比降，土體中部分顆粒被水帶走形成較大空洞，使地基承載力大幅下降，導(dǎo)致地基失穩(wěn)、建筑物破壞，是土質(zhì)地基中常見(jiàn)的滲流破壞問(wèn)題。

土洞是巖溶地區(qū)上覆土層被地下水沖蝕或被地下水潛蝕所形成的洞穴。因土洞的形成將在原本密實(shí)的地基下方形成空洞，因此容易造成地面變形、地基陷落，對(duì)建筑物安全影響很大。另外，管涌和流土也是土質(zhì)地基常見(jiàn)的滲流問(wèn)題。

水利工程中的地基問(wèn)題往往不是單一存在的，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，常會(huì)遇到天然地基存在上述3 類(lèi)問(wèn)題中的一種或幾種。因此，需要采取措施處理好全部地基問(wèn)題，形成滿(mǎn)足建筑物對(duì)地基安全、可靠要求的人工地基，供工程建設(shè)使用。

4 地基處理方法

針對(duì)地基存在的問(wèn)題，需要采用人為干預(yù)措施進(jìn)行處理，使之滿(mǎn)足相關(guān)使用要求。目前，常用的地基處理方法可以歸納為置換、排水固結(jié)、灌入固化物、振密和擠密、加筋等幾類(lèi)[1]，具體處理方法及適用范圍詳見(jiàn)表1。

表1 地基處理方法及適用范圍

選取地基處理方法，應(yīng)首先研究天然地基地質(zhì)情況及水文地質(zhì)條件，弄清楚地基土體構(gòu)成及存在問(wèn)題，然后有針對(duì)性地選擇。地基處理方法的選擇，應(yīng)能改善地基性質(zhì)，確保工程安全，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，力求以較少的資金投入解決較大的實(shí)際問(wèn)題。

同一種地基問(wèn)題往往有多種解決方法，為此在確定地基處理方案前，應(yīng)提出幾種可行的方案，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選取技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理、滿(mǎn)足施工進(jìn)度、對(duì)周邊環(huán)境影響小的最佳地基處理方案[2]。

深層攪拌法和鋼筋混凝土樁法是2 種常用的地基處理方法，因其可靠性較高被廣泛應(yīng)用于地基處理工程。本文對(duì)此2種地基處理方法的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

5 深層攪拌法復(fù)合地基設(shè)計(jì)

深層攪拌法是將水泥等固化物和地基土攪拌成圓柱狀的樁體，與樁間土形成復(fù)合地基，提高地基承載力，改善地基性質(zhì)。

設(shè)計(jì)中，分別進(jìn)行水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值、復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算，選取其中的較小值作為深層攪拌法復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值。經(jīng)計(jì)算，處理后的復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)能滿(mǎn)足承受上部建筑物荷載的要求。

5.1 單樁豎向承載力特征值計(jì)算

水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值Ra按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）中的2 種方法分別進(jìn)行計(jì)算，并選取2 種計(jì)算方法所得結(jié)果中的較小值作為水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值。

（1）方法1。Ra按下式計(jì)算：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；up為樁的周長(zhǎng)（m）；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值（kPa）；lpi為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)；qp為樁端端阻力特征值（kPa）；Ap為樁身橫截面面積（m2）。

（2）方法2。Ra按下式計(jì)算：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊（邊長(zhǎng)為70.7 mm 的立方體）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90 d 齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值（kPa）；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.25；Ap為樁的截面積（m2）。

5.2 復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算

復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算公式為：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取1.0；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；Ap為樁身橫截面面積（m2）；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fsk為樁間土承載力特征值（kPa）。

6 鋼筋混凝土樁法地基設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土樁法是在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)孔至所需深度，隨即在孔內(nèi)放置鋼筋籠、澆筑混凝土，經(jīng)搗實(shí)后成為鋼筋混凝土樁。鋼筋混凝土樁法地基用于解決地基承載力不足、不均勻性較差等問(wèn)題，也是解決水平力較大的主要處理措施之一。鋼筋混凝土樁設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便，承載能力大，不受地下水位的限制。鋼筋混凝土樁的布置一般采用矩形或梅花形，樁數(shù)根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）通過(guò)計(jì)算確定。

6.1 鋼筋混凝土樁法地基設(shè)計(jì)原則

（1）由于樁間土與樁體剛度相差較大，計(jì)算中不考慮樁間土的作用，豎向荷載和水平荷載全部由樁承受，樁頂與建筑物底板剛性嵌固，樁頂轉(zhuǎn)角為零。

（2）不考慮各樁受力后彈性變形不一致的影響。

6.2 單樁豎向承載力特征值的確定

采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）相關(guān)公式，計(jì)算大直徑單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Qsk為單樁總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Qpk為單樁總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；u為樁身周長(zhǎng)（m）；φsi為大直徑樁側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù)；φp為大直徑樁端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；qpk為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；lsi為樁穿越第i層土的厚度（m）；Ap為樁身橫截面面積（m2）。

通過(guò)單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk計(jì)算單樁豎向承載力特征值Ra：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；K為安全系數(shù)，取2；Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）。

6.3 單樁水平承載力設(shè)計(jì)值的確定

單樁水平承載力設(shè)計(jì)值按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）相關(guān)公式計(jì)算：

式中：Rh為單樁水平承載力設(shè)計(jì)值（kN）；X0a為樁頂容許水平位移（m）；vx為樁頂水平位移系數(shù)，取0.94；α為樁的水平變形系數(shù)（m-1）；EI為樁身抗彎剛度（kN·m2），對(duì)于鋼筋混凝土樁取EI=0.85EcI0；Ec為混凝土的彈性模量（kN/m2）；I0為樁身的截面慣性矩（m4）。

通過(guò)計(jì)算，單樁豎向承載力特征值、單樁水平承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)能滿(mǎn)足工程建設(shè)的需要，并以此確定工程樁的數(shù)量。

7 結(jié)語(yǔ)

在水利工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，工程技術(shù)人員遇到越來(lái)越多的地基問(wèn)題，地基處理方案的選取關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度和投資。工程地基問(wèn)題常常是一種或幾種問(wèn)題同時(shí)存在，地基處理也往往是包括一種或幾種處理方式的綜合處理方案。地基處理方案應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終選取技術(shù)可靠、施工方便、經(jīng)濟(jì)合理的最佳方案。