钢筋混凝土灌注桩在地基处理中的应用

孟 宇

（辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁沈阳110003）



钢筋混凝土灌注桩在地基处理中的应用

孟 宇

（辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁沈阳110003）

摘要：以辽宁省沿海地区某中型水闸基础处理为例，论述地基处理中采用钢筋混凝土灌注桩的计算方法，分析不同地基土层与钢筋混凝土灌注桩深度的关系。计算结果表明，钢筋混凝土灌注桩的深度与单桩的最大竖向荷载、灌注桩的大小、每层土的极限摩阻力和桩端横截面面积有关。在钢筋混凝土灌注桩的设计中，需根据闸体所处环境的水文气象资料、工程地质情况和闸体运行工况等基础资料确定计算参数，以保证计算结果的准确性。

关键词：钢筋混凝土；灌注桩；基础处理

1　基本情况

某水闸位于辽宁省东港市鸭绿江入海口上游，是一座综合利用的拦河闸，具有灌溉、挡潮作用。

该闸是东港市东部31.6万亩水田引江纳潮灌溉的主要工程，年引江纳潮量在0.91亿m3左右，和铁甲水库联合运用灌溉水田面积30余万亩，同时担负着全流域330km2集雨面积的排洪任务，承泄上游铁甲水库和山城水库的汛期泄洪水量。本闸位于河口处，涨潮时闸门关闭，防止海水流入，汛期遭遇洪水时，闸门开启，排出洪水。

1.1 工程简介

本闸在安全鉴定中被评定为四类闸，需要拆除重建，恢复其灌溉、挡潮作用。

本水闸工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时性建筑物级别为5级，设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为100年一遇，临时性建筑物防洪标准为5年一遇，设计潮水标准为20年一遇。

本闸重建工程在原闸址下游90m处，从上游到下游分别布置有上游防冲槽、海漫、消力池、闸室段、下游消力池、海漫，防冲槽，全长总计148m，整个闸室宽63m。在闸室段上设检修工作桥、排架、启闭机房和交通桥。闸室剖面见图1。

1.2 自然条件

图1　闸室剖面图

本闸地处温带湿润地区季风气候，其特点是寒冷期长，无霜期短，降雨集中，四季分明。春季日射增强，冷空气逐渐减弱，气温回升较快，风大干旱；夏季盛行东南季风，炎热潮湿，雨量集中，多连阴雨和暴雨天气；秋季西北风开始增强，日射减弱，气温开始下降；冬季盛行西北季风，北方冷空气频繁入侵，气候严寒。

降水：年最大降水量1320.7mm，年最小降水量574.2mm，多年平均降水量967mm，多年平均蒸发量1208mm。

气温：年平均气温8.4℃，最高气温33.8℃，最低气温-28.2℃。

冰况：初冰日为12月上旬，盛冰日1月上旬开始，融冰日2月中旬开始，终冰日3月中旬，总冰期约100d，盛冰期约45 d，最大冰层厚度0.76m。

冻层：土壤最大冻深0.81m。

1.3 工程地质概况

拟建闸址处河道宽约80m，河床底高程为-0.07～-0.79m；左侧河漫滩宽约25m，高程约2.38～5.38m；右侧河漫滩宽约35m，高程约2.37～5.28m；河道两岸为土堤（堤路结合），左岸堤顶宽度约3.5m，高程约5.62～6.09m，右岸堤顶宽约4.5m，高程约5.48～6.31m，整个场地大的地貌单元为滨海相沉积平原。

根据勘察，闸址处从上到下的地层依次如下。

（1）淤泥质粉质粘土：灰黑色，湿～饱水，流塑～软塑状态，含有少量的腐殖质、云母及粉砂。层厚0.50m，极限侧阻力标准值Qsik=10 kN/m2。

（2）淤泥质粉质粘土夹粉砂：灰黑色，湿～饱水，软塑状态，含有少量的腐殖质、云母及粉砂，局部夹有较多量粉砂薄层现象，层厚3.00m，极限侧阻力标准值Qsik=12 kN/m2。

（3）粉砂：灰黑色，主要矿物成分为石英、长石及云母等，饱水，松散～稍密、部分中密，层厚2.40m，极限侧阻力标准值Qsik=15 kN/m2。

（4）粉细砂：灰黑色，主要矿物成分为石英、长石及云母等，饱水，中密～密实状态，层厚1.60m，极限侧阻力标准值Qsik=25 kN/m2。

（5）圆砾：灰白色、灰黄色，圆形、亚圆形，磨圆度一般，粒径约为0.2～5cm，由硬质岩组成，层厚大于13m，极限侧阻力标准值Qsik=70 kN/ m2，极限端阻力标准值Qpk=1000 kN/m2。

从设计闸底板底面高程来看，闸基位于淤泥质粉质粘土层、淤泥质粉质粘土夹粉砂层，其中淤泥质粉质粘土层、淤泥质粉质粘土夹粉砂层土层较厚，压缩性较大，为流塑～软塑状态，承载力较低，层面起伏较大，密实度较低，严重液化。闸基不宜直接采用天然地基作为持力层。

2　灌注桩设计

2.1 综合分析

根据地勘报告，闸室基础下广泛分布的淤泥质粉质粘土，含水量高，孔隙比大，具有高压缩性，承载力低，抗剪强度低，加载后变形量大等特点。场地土地震设防烈度为7°，在地震力作用下存在着液化的可能性。为了防止地震时地基液化、水位差较大时发生渗透破坏，同时提高地基承载力，对闸室地基采用桩基础进行处理，以满足各种工况的不同要求。

根据其他工程实例，地基为较深厚的软基的大中型水闸，一般采用桩基础进行地基处理，该处理方法不仅在提高基础承载力、减小沉降量方面作用显著，而且工程量较小、施工进度快。

钢筋混凝土灌注桩是将结构全部荷载通过桩传到基础下部的持力层，以保证结构的安全稳定。采用混凝土灌注桩不仅在提高地基承载力，减少地基沉降量方面作用显著，而且稳定可控。

考虑到闸室、消力池、海漫和翼墙底板下基础为淤泥质粉质粘土，基础承载力低，施工时重型机械无法正常运行，本次对其基础进行回填1m厚山皮土，回填后对其土料进行压实，使其沉陷至设计高程再进行施工。

2.2 桩的平面布置

为了充分利用水闸基础各桩的承载能力，桩的平面布置尽量使桩群形心与底板底面以上基本荷载组合的合力作用点相接近，使各桩实际承担的荷载尽量相等，这对减小地基的不均匀沉降，维护水闸结构安全和正常使用是有利的。

本闸设计钢筋混凝土灌注桩桩径0.8m。为避免桩基础施工可能引起的松弛效应和挤压效应对相邻桩的不利影响，要求钢筋混凝土灌注桩的中心距不能小于2.5倍桩径（2.0m）；同时，为了使桩群构成整体基础，中心距不能大于6倍桩径（4.8m）。本闸灌注桩成矩阵布置，顺水流方向中心距3.25m，垂直水流方向中心距4.3m和4.175m。闸室桩基础平面布置见图2、图3。

2.3 各桩承受的竖向荷载

不考虑桩间土的作用，按桩基全部承担其上部荷载，各桩所承受的竖向荷载按式（1）计算：

式中：Pi为第i根桩承担的竖向荷载（kN）；∑G为底板底面以上的全部竖向荷载（kN）；N为桩数（根）；∑Mχ为底板底面以上的全部荷载对桩群重心轴x的力矩（kN·m）；yi为第i根桩距重心轴x的距离（m）。

图2　闸室（3孔一联）桩基础平面布置图

图3　闸室（2孔一联）桩基础平面布置图

取闸室3孔一联和2孔一联的一纵排1#、2#、3#、4#、5#桩为典型设计代表桩，经计算各桩承受最大的竖向荷载相差不大，比较均匀，本闸最大荷载Pmax=1242.32 kN，根据最大荷载设计桩长。

2.4 单桩竖向允许承载力计算

根据单桩的最大竖向荷载确定桩长，按式（2）计算：

式中：Nd为单桩竖向允许承载力（kN）；K为安全系数；Up为桩身的截面周长（m）；fi为桩周第i层土的极限摩阻力（kN/m2）；li为第i层土的厚度（m）；fp为桩端处的极限端承力（kN/m2）；Ap为桩端横截面面积（m2）。

经计算确定桩长为19m，单桩竖向允许承载力为1409.23 kN＞单桩最大荷载1242.32 kN，满足工程设计要求。

3　结语

钢筋混凝土灌注桩是将结构全部荷载通过桩传到基础下部的持力层，以保证结构的安全稳定。采用混凝土灌注桩不仅在提高地基承载力，减少地基沉降量方面作用显著，而且稳定可控。据调研，我国沿海地区净宽大于50m、拥有相似地质条件（淤泥或淤泥质粉质粘土地基）的大中型挡潮闸普遍采用钢筋混凝土灌注桩进行地基处理，对大中型水闸设计中地基处理方案可以起到一定的借鉴和参考作用。

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作者简介：孟 宇（1982年—），男，工程师。

收稿日期：2015-02-11

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.032

中图分类号：TV223

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）03-0089-04