裴庄闸改建工程基础处理方案设计

赵文利

摘要：沿海地区地基一般均为软土地基，存在压缩性大，承载力低等特点，以裴庄闸改建工程为例，介绍沿海水闸工程基础处理设计方法。

关键词：水闸；软土地基；沉降；承载力；基础处理；桩基；

中图分类号： TU471.8文献标识码： A 文章编号：

1 工程概况

裴庄闸工程位于河北省汉沽农场境内，津唐运河与还乡河改道交汇处。该工程主要功能是防止蓟运河及还乡河汛期洪水倒灌津唐运河，解决津唐运河在丰南县境内排沥问题及利用河道蓄水灌溉农田。

裴庄闸工程始建于1973年，共五孔，中间三孔过水，两边孔封堵，单孔净宽为8.4m，闸门为平板直升式。该工程在1976年地震中破坏严重，节制闸机架桥全部发生位移及结构变形，操作控制室倒塌，闸门受挤，启闭机失灵，两岸护坡多处裂缝，地震后虽经修复，但经过30多年的运用，现存在闸门腐蚀漏水、启闭机锈蚀、电气设备老化、护坡裂缝渗水漫流等问题，成为津唐运河上的一处险工，一旦还乡河发生大洪水，洪水将倒灌津唐运河，威胁津唐运河两岸人民生命财产安全。经安全鉴定评定为四类闸，建议报废拆除重建。

2 基础处理原因分析

2.1 承载力复核计算

闸室及上、下游翼墙基底应力计算采用《水闸设计规范》（SL265-2001）第7.3.4-1条公式进行计算：

式中：—闸室基础底面的面积（m2）；

—作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩（kN·m）；

—闸室基础底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩（m3）。

平均基底应力

经计算，完建工况闸室基底平均地基应力107.5kPa；上游翼墙基底平均地基应力152kPa，下游翼墙基底平均地基应力206kPa，远大于地基允许承载力80kPa。

2.2沉降计算

（1）闸室

取一联闸室进行沉降计算。计算工况：完建情况，计算采用公式为《建筑地基基础设计规范》（5.3.5）式：

式中 —地基最终沉降量（mm）；

— 按分层总和法计算出的地基变形量；

—沉降计算经验系数；

—地基变形计算深度范围内所划分的土层数；

—基础底面处的附加压力（kPa）；

—基础底面下第层土的压缩模量（MPa）；

、—基础底面至第层土、 层土底面的距离（m）；

、—基础底面计算点至第层土、 层土底面范围内平均附加应力系数。

计算工况的地基附加压力为100kPa，地基变形计算深度为20m。经计算，地基变形量为362.64mm，考虑经验系数后，闸室地基最终沉降量为471.73mm。

（2）上、下游翼墙

翼墙沉降计算公式与闸室沉降计算公式相同。上、下游翼墙地基附加压力分别为130kPa、150kPa。沉降计算成果见表1。

表1

由表1知：闸室、上、下游翼墙地基最大沉降量均大于规范允许值15cm；闸室与上游翼墙沉降差大于规范允许值5cm。

综上，闸室、上下游翼墙地基承载力及沉降变形均不满足规范要求，需进行地基处理。

3 基础处理方案比选

改建裴庄节制闸闸址区位于华北沉降带的东北部，基岩深埋地下，上部覆盖厚层新生代地层。对工程有影响的表层为第四系沉积物。属海相沉积层和河口陆相冲积层，为软土地基。闸底板建基面高程为-5.3m，两岸翼墙建基面高程在-6.0～-4.8m之间，持力层为第一海相层，属高或中等压缩性土，地基允许承载力为80kPa。根据计算，闸基、上下游翼墙地基平均压力大于地基允许承载力，沉降量及沉降差不满足规范要求。因此，必须进行基础处理。

结合本工程的地质特征，比较了换土垫层、深层搅拌和桩基础。

换土垫层法施工简单易行，广泛用于水闸软基处理，但只适用于软土层厚度较小的情况，该闸址处软土层深厚，若全部采用换土垫层法进行地基处理，彻底换基则工程量大，难以实施；部分换基则沉降量较大，处理效果不佳。

深层搅拌桩法加固地基是利用水泥或石灰作固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深部就地将软粘土与水泥或石灰强力拌合，形成水泥加固土柱，从而形成强度较高的复合地基。深层拌合法适合于软土地基，施工速度较快。由于闸基持力层为海相层，其硫酸盐、有机质及含水量均较高，这些因素将导致桩体强度增长缓慢，将会影响上部结构的施工进度。

采用灌注桩基础承受上部结构的竖向和水平荷载，能有效解决原地基承载力不足的问题，同时还能有效的控制建筑物的沉降和侧向位移，并具有一定的抗震作用。经比选，本工程闸室、上下游翼墙均采用混凝土灌注桩基础。

利用第④地质单元细砂层作为桩基持力层。闸室桩底高程为-25.2m，桩长20m，桩径1.0 m；上游翼墙桩底高程为-25.3m，桩长20m，桩径1.2m；下游翼墙桩底高程为-28.7.0m，桩长22m，桩径1.2m。采用桩的型式均为摩擦式灌注桩。

4 桩基础设计

4.1 桩的水平承载力

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.7.2条知：当缺少少单桩水平静载试验资料时，可按下式估算桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩单桩水平承载力设计值：

式中—桩身的抗弯刚度，；

—桩深换算截面惯性距；

—桩身换算截面受拉边缘的截面模量，圆形截面为

—桩身配筋率；

—钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比值；

—桩顶容许水平位移（根据水闸设计规范取5mm）；

—桩顶水平位移系数；

—桩的水平变形系数（1/m）；

—桩侧土水平抗力系数的比例系数；取m=6.0×103（kN/m4）

—桩身的计算宽度（m）。

群桩中单桩水平承载力考虑放大系数1.1、组合地震工况下放大系数1.2。由单桩水平承载力确定布桩根数计算成果见表2。

表2

4.2桩的竖向承载力及布桩

由单桩竖向承载力确定布桩根数计算成果见表3。

表3

由上述计算结果可知，闸室布桩根数由竖向承载力控制，桩基布置形式为矩形，桩间距3.4×3.5m,共计45根桩；上游翼墙最大单桩竖向力1273 kN小于单桩最大竖向承载力1294kN；下游翼墙最大单桩竖向力1730 kN小于1.2倍的单桩最大竖向承载力1863kN。桩基布置形式为矩形，桩间距3.0×3.0m,上游翼墙左右岸布桩共计54根，下游翼墙左右岸布桩共计92根。

5 结语

对软土地基，当利用天然地基有困难时，采用钻孔灌注桩不仅在提高地基承载力、减少沉降量方面作用显著，而且可减轻上部结构重量，工程量小，投资省，已经成为一种独特的闸型。为了保证闸基的防渗安全，避免形成渗漏通道，土质地基上的水闸一般采用摩擦型桩承担。

参考文献 ：

SL265-2001,水闸设计规范［S］

GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范［S］

俞仲泉.水工建筑物软基处理［K］

叶书麟.地基处理工程实例应用手册［K］

陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学［K］

GB50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］

JGJ94-2008,建筑桩基技术规范［S］