某进水闸粉砂地基碎石桩加固前后沉降模拟分析

王 涛，崔莹莹

（南通市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 南通 226006）

某进水闸粉砂地基碎石桩加固前后沉降模拟分析

王 涛，崔莹莹

（南通市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 南通 226006）

粉砂地层上修建水闸等水工建筑物，易发生管涌、流土等渗透破坏、闸基不均匀沉降、闸基粉砂地震液化现象。为使闸基沉降符合工程要求，避免发生管涌、流土以及地震液化现象，需进行地基处理。文章以某进水闸为例，采用闸底板砂砾石垫层和振冲碎石桩复合地基的型式，通过ABAQUS软件对加固前后的地基沉降进行了数值模拟分析，得到了加固前后粉砂地基的沉降规律，为设计、施工提供了科学的依据。

粉砂；闸基；振冲碎石桩；有限元

随着近年来国家对水利等方面的基础设施投资规模的大幅增长，我国修建了各类大中小型的水利工程项目，大如南水北调工程，小到中小河道治理、灌区节水改造等工程。由于修建位置不同，所处的地层等地质条件也不尽相同，这其中也存在相当一部分的工程修建在粉砂地层上。尤其是修建在粉砂地层上的水闸、坝等建筑物，受到闸坝自重、外部荷载、渗透力、地震等作用下，易发生管涌、流土等渗透破坏，闸基会产生较大不均匀沉降，地基在地震的作用下会发生地震液化现象，甚至引起上部结构断裂［1-2］。为使沉降符合工程要求，避免发生管涌、流土以及地震液化现象，必须采取合适的地基处理措施。适用于粉砂地基的处理方法主要有强夯法、注浆法、振冲法、水泥土搅拌等，其中振冲法可以挤密粉砂地基，大幅降低地基的不均匀沉降，也极大的降低了地震液化的可能性［3-4］。振冲法加固粉砂地基的原理是利用振冲器的振动使其周围的饱和砂土发生液化，颗粒重新排列，孔隙减少，在振冲过程中加入碎石，使粉砂层进一步挤压，达到挤密的效果［5-6］。文章以某进水闸为例，采用闸底板砂砾石垫层和振冲碎石桩复合地基的型式，通过ABAQUS软件对加固前后的地基沉降进行了数值模拟分析，得到了加固前后粉砂地基的沉降规律，为设计、施工提供了科学的依据。

1 工程概况

某进水闸处地层岩性主要为粉土和粉砂，上部2.0～4.5m为粉土，承载力100kPa，其下全部为青灰色粉砂，承载力80kPa。设计流量为15m3/s，最大流量为20m3/s，闸室为钢筋混凝土结构，共3孔，单孔净宽4m，闸室总宽16m，顺水流向长13m，三孔共用闸底板，底板厚1m，闸墩高3.2m，厚1.0m，闸顺水流向自上游向下游依次是闸房、交通桥、16m长消力池段、海漫段、护底段和导流段，总长80.6m。由于地基承载力不足，在闸底板下顺水流向间距3m、垂直水流向间距2.5m布置桩径1m、桩长11m的振冲挤密碎石桩。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

根据水闸的规模，数值模型的计算范围顺水流向分别向上、下游均延伸5m，垂直水流向分别向左、右各延伸5m，模型的尺寸为26m×23m。模型的边界条件按以下规定：模型上边界为自由边界，下边界为三向约束的固定边界，四周的边界施加水平向约束。桩的底部边界采取三向约束的固定边界，桩与桩周土之间为绑定接触。采用ABAQUS软件中的四面体单元C3D4来模拟加固前后的地基，其中加固前地基共划分91784个单元，17287个节点；加固后地基单元共划分118133个，25645个节点。加固前后计算模型的网格剖分图如图1所示。

图1 计算模型网格剖分图

2.2 模型计算参数

粉砂地基及碎石桩采用摩尔库伦计算模型，其中粉砂的密度为1.8kg/m3，碎石桩的密度为2.2kg/m3，其他计算参数见表1。

表1 模型计算参数

2.3 碎石桩设计参数选取

在桩长、桩径确定情况下，碎石桩的设计参数主要是确定桩间距和桩的布置形式。桩间距增大会使桩承担的承载力减少，粉砂地基承担的承载力增加，复合地基的压缩变形增大，也会使承台的面积和体积增大，增加工程造价；桩距太小则会使桩身内力增大，不利于桩间土承载力的发挥，且会造成施工困难。桩距一般为3～4d，桩边距不小于桩的直径且不得超过桩径300mm。本工程根据闸室的上部结构，沿齿墙、边墩和中墩的底面布置碎石桩，顺水流向间距3m、垂直水流向间距2.5m。桩的布置应使各桩受力均匀，承台上荷载作用点与群桩重心重合，能抵抗桩在受水平荷载和弯矩大的方向产生弯矩。根据上述参数和原则，桩的布置及网格划分如图2所示。

图2 桩的布置和网格剖分图

3 结果及分析

进水闸结构荷载由振冲碎石桩复合地基的粉砂地基土和碎石桩共同承担，且水闸常年在设计水位下运行，为了模拟复合地基的沉降，假设粉砂地基与碎石桩在上部荷载作用下一起沉降。加固前后的复合地基沉降位移模拟结果如图3所示，加固前后典型剖面的沉降位移等值线图如图4所示。

图3 地基沉降位移分布云图

由图3可知：加固前受闸室荷载的作用，闸墩齿墙底部粉砂地表的沉降均大于规范允许值0.05m，且粉砂地基发生不均匀沉降，易造成闸底板拉裂，威胁水闸的安全运行；而振冲碎石桩加固后的粉砂地基在闸室荷载作用下，相同部位的地表沉降最大值仅为0.018m，满足规范要求，闸室底板地基的沉降差异较小，承载力得到明显提高，说明桩基参数及布置形式合理，能够满足上部闸室荷载的要求。

图4 地基竖向沉降等值线图

由图4可知：加固前受闸室荷载的作用，中墩剖面闸底板前齿墙下粉砂地基地表的沉降值为0.071m，中墩剖面闸底板后齿墙下粉砂地基地表沉降值为0.064m，边墩剖面闸底板前齿墙下粉砂地基地表的沉降值为0.072m，边墩剖面闸底板后齿墙下粉砂地基地表沉降值为0.068m，闸室沉降偏差较小，不会发生大的倾斜，但总体沉降量大于规范要求，易造成闸室与上游护坦、下游消力池等结构之间产生错位，影响水闸的正常运行；而振冲碎石桩加固后的粉砂地基在闸室荷载作用下，中墩剖面闸底板前齿墙下粉砂地基地表的沉降值仅为0.022m，中墩剖面闸底板后齿墙下粉砂地基地表沉降值为0.02m，边墩剖面闸底板前齿墙下粉砂地基地表的沉降值为0.021m，边墩剖面闸底板后齿墙下粉砂地基地表沉降值为0.02m，闸室沉降偏差仅为0.002m，沉降均匀，总体沉降量满足规范要求，闸室结构不会发生倾斜，能够满足上部闸室在各种荷载作用下安全、稳定运行的要求。

4 结论

采用ABAQUS软件对进水闸粉砂地基在振冲碎石桩加固前后的地基沉降位移进行了数值模拟，分析粉砂地基在加固前、后的沉降变形，得到了地基沉降变形规律，加固前沉降均大于规范允许值，地基发生不均匀沉降，加固后沉降最大值仅为0.018m，满足规范要求，闸室底板地基的沉降差异较小；加固前中墩及边墩剖面闸底板总体沉降量大于规范要求，易造成闸室与上、下游结构错位，影响水闸的正常运行；加固后闸室沉降偏差仅为0.002m，总体沉降量满足规范要求，闸室结构不会发生倾斜，能够满足安全、稳定运行的要求。

［1］赵志江，孙宇臣，姚旭初，等.振冲碎石桩法地基处理在榆林庄闸改建工程中的应用［J］.水利规划与设计，2013（11）：84-86.

［2］吕起云，杨绍江.振冲碎石桩在出流改造工程中的应用［J］.水利规划与设计，2012（04）：72-74.

［3］余锦地，吴文峰，朱亚磊.无填料振冲挤密法在粉砂土地基处理中的应用［J］.人民长江，2013，44（09）：44-46+66.

［4］刘涵.某泵站厂房泥质粉砂岩地基固结沉降有限元分析［J］.水利科技与经济，2016，22（08）：37-40.

［5］于德国，宁亚瑜.碎石桩复合地基在处理可液化地基中的应用［J］.广东石油化工学院学报，2014，24（03）：74-76.

［6］李效明，袁伟.振冲碎石桩在易液化粉土地基处理中的作用［J］.中国水运，2011，11（03）：228-229.

TV223.2

B

1672-2469（2017）10-0165-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.047

2017-03-09

王 涛（1984年-），男，工程师。