上海地区水利工程地基处理简述

文/顾晶

引言

上海地区水利工程主要包括海堤、泵站、水闸、防汛墙、河道护岸等多种水工建筑物型式。上海地处长江河口平原河网地区，地质构造属扬子淮地台东缘之江南台隆东部，前震旦纪变质岩构成了本地区的基底，其后陆续发育了震旦系，古生界、中生界第三系地层。第四纪以来又相继沉积了海陆相间的松散沉积物，成为本地区人类工程经济活动关系密切的岩复盖层，也即通常意义上的软土层，其构成的建筑物地基为软土地基。根据上海地区水利工程多年的经验，为保证水工建筑物承载力和变形的要求，一般需对地基进行处理。

一、上海地区水利工程地基处理基本特点

大量工程实践表明，上海地区水利工程地基处理具有以下几方面的特点：

1.由上海地区水利工程的受力机理和方式可知，其水工建筑物的基础不但需承受较大的竖向荷载，还需同时承受较大的水平荷载。地基处理需确保水工建筑物在各种荷载作用下和各种工况条件下具有足够的稳定性，并保证水工建筑物的变形在功能要求允许的范围内。

2.对于上海地区水利工程，软土地基处理需涉及土力学中稳定、变形和渗流等三个基本课题，有时其中两方面或三方面会同时成为工程主要控制因素。

3.随着上海地区城市环境要求的逐渐提高，城市水利建设也进入了前所未有的发展阶段，周边建筑物林立，管线复杂，使水利工程的建设受到周边环境较大的限制和制约，为了保证工程的顺利进行，需采取基坑围护的方式。

4.上海地区水利工程一般周边环境较为复杂，水利工程地基处理往往需要进行沉桩，为了防止打桩产生的噪音和振动影响周围居民的生产、生活，以及防止沉桩挤土、基坑开挖和降水危及邻近的建筑物、道路交通和地下管线设施，必须采取经济合理而有效的环保措施，这已成为当前上海地区水利工程设计和施工方案的重要组成部分。

二、上海地区水利工程地基处理的现状

目前各行业和地方根据各自的特点分别制定了专门的有关地基处理方面的规范，如港口行业、建筑行业、交通行业等，而水利行业由于涉及面广、情况复杂，至今未专门针对地基处理方面的内容编制相应的规范，仅包含在特定工程规范中，其运用范围也做了较多的限制，其有关地基处理方面的内容难以满足软土地区水利工程地基处理的需要，因此目前上海地区水利工程地基处理在满足水利行业相关规范的前提下，一般还需参照国家、行业和地方相类似的规范、规程进行设计和施工。因此上海地区水利工程地基处理的发展基本与上海地区建筑、市政、港口等其他行业地基处理的相关发展同步。

（一）现行规范

目前可应用于上海地区水利工程作为地基处理设计与施工常用规范如下：

水利行业标准——《水闸设计规范》（SL265—2016）；《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）；《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203—1997）；

上海地区地方规范——《地基基础设计规范》（DGJ08—11—2010）；《地基处理技术规范》（DG/TJ 08—40—2010）；《钻孔灌注桩施工规程》（DG/TJ 08—202—2007）。

（二）理论计算

1.天然地基承载力的计算

目前国内外天然地基承载力的计算方法非常多，理论系统也不完全相同，受历史的原因，以及由于我国国土辽阔，地质情况差异非常大，造成现状国家标准、行业标准和地方标准推荐采用的理论体系和计算方法不尽相同。以上海地区水利工程为例，《建筑地基基础设计规范》和《水闸设计规范》推荐采用按塑性平衡理论，根据地基塑性变形区的开展范围确定地基承载力。上海地方规范则运用地基极限承载力的概念，推荐采用汉森公式，设计公式中考虑了分项系数，与工程结构可靠度设计统一标准的设计原则相一致。但在工程具体设计时，应根据区域的工程经验和具体情况采用不同规范进行对比计算和复核验证。

桩基竖向承载力的计算各规范均要求按现场静载荷试验确定，对于初步设计阶段，根据地区经验采用桩端端阻力和桩侧摩阻力对桩基的承载力进行估算。但不同的规范之间仍存在不同的理论体系和计算模式之间的矛盾。

桩基水平承载力的计算方法有m法、c法、k法、P-y法、N-L法等，目前应用上海地区实际工程仍以m法最为普及。

2.沉降变形计算

目前国内各规范在计算天然地基沉降变形一般采用应力面积法通过分层总和进行计算，然后通过各地区的沉降观测资料和经验确定沉降经验系数进行修正。上海地区也采用类似的方法，由于适用范围较小，地质条件相对比较单一，因此经验系数的变化范围比国家标准窄。

对于桩基沉降的计算方法，上海地区根据大量工程的经验和对实测数据的分析，将Mindlin课题的应力解引入到桩基沉降计算中。国家标准《建筑地基基础设计规范》考虑到实际应用的方便，以及以往工程的经验，保留了实体深基础的计算方法。

对于由规范方法计算得到的沉降值仅为最大平均沉降值，未推荐不均匀沉降和差异沉降的计算方法，为了满足工程的需要，工程人员也只能根据各自的经验对其进行估算。

3.渗流计算

上海地区水利工程的渗流计算一般按照《水闸设计规范》推荐的改进阻力系数法进行计算，在有条件或工程需要的前提下也可采用流网法进行计算。

4.边坡整体稳定计算

上海地区水利工程的边坡整体稳定计算主要采用瑞典条分法、简化的毕肖普法和有效固结应力法，但在计算参数取值上不尽相同，在具体应用时，应从尽可能接近工程的实际应力状态情况以及根据不同工况选取合理的计算参数，从而保证工程计算的合理性和精确性。

随着有限元计算方法应用的逐渐普及，以上各计算内容在许多重大工程中也逐步运用有限元的方法进行计算复核。

5.计算软件

由于岩土工程的复杂性，因此涉及有关地基处理的计算软件也非常多，目前上海地区水利工程地基处理应用较为广泛、工程技术人员较易掌握的软件主要有理正软土系列计算软件、同济启明星系列计算软件以及各设计单位编制的专业计算软件。对于处理一些较为复杂的工程问题，也可运用岩土专业分析软件进行计算，如：Plaxis、Ansys-CivilFEM、3-σ、MSC.Marc、Flac3D等等。

（三）地基处理常见型式

根据上海地区水利工程的类型，其相应的地基处理方式主要包括桩基（以刚性桩为主，如：预制桩、PHC管桩、钻孔灌注桩、钢管桩等）、地下连续墙、SMW工法桩、高压喷射注浆、水泥土搅拌法、排水固结法、反压坡法等。其中水利控制工程以桩基应用最为广泛，海堤工程以排水固结最为广泛。

基坑围护的方式主要包括地下连续墙法、排桩法（如钻孔灌注桩、钢板桩等）、SMW工法、重力式墙体法（如水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等）、放坡开挖法、土钉墙法等。

以上各处理方式均有一定的适用条件，一般需根据具体工程，结合地质条件、周边环境情况、施工可行性、工程造价等多种因素综合确定。

三、上海地区水利工程地基处理关键技术研究展望

（一）新材料、新工艺以及新技术在软基处理中得到开发和应用

利用钢纤维、碳纤维材料解决水利工程耐久性和安全性问题，减小地下结构的裂缝开展宽度；掺合泡沫材料制成的轻质地基土可以解决高填土的问题，减轻设计施工荷载；许多新型土工结构型式得以开发，如采用地下连续墙形成开放式沉井作为水工结构的基础型式等；在新工艺方面，对于软基处理，效率更高的排水固结工艺、深层搅拌、超级高压旋喷工法等得到开发及应用。

（二）环境土力学和环境水利工程相结合

在密集的城市地区无论进行何种形式的工程施工都会对周边建（构）筑物产生影响。因此，为尽可能减少工程建设对周围环境的影响，应研究发展对周围土体扰动小的施工方法，并强调基于现场检测的信息化动态施工反馈技术的应用，同时开展新的理论方法研究，将环境土力学与环境水利工程有机系统地结合。

（三）土力学与城市防灾减灾的研究

近年来，地震、台风、暴雨、洪水等自然灾害中如何保证水利工程等基础设施的安全，对城市的灾害降到最低，成为一个热点问题并引起重视。如暴雨时边坡稳定的问题、地下公共工程防汛问题、如何通过地基处理等岩土力学手段提高城市抵御大地震灾害的能力等。因此应开展土动力学与抗震减灾理论的研究和对策，以及城市水利工程灾害、风险分析和控制的研究。

（四）海洋土力学理论和应用的研究

围海造地是上海地区解决土地问题首选策略，随着社会经济的进一步发展，这方面的力度还在不断加大。随着深水中海堤的建设，堤前高滩没有了，带来的不仅是河势和生态上的问题，直接面临的是防台保安问题。因此开展波浪往复荷载作用下地基土的弱化效应、海洋地基土的动力特性、海堤等结构物变形与稳定、海岸工程抵御海洋灾害能力的研究是保障城市安全和减少城市灾害的前提。

四、结束语

随着上海城市经济的发展，大城市的基础设施、城市防洪等生命线工程的建设得到了空前的发展，城市水利工程建设要求达到环境水利的高度。今后针对上海软土地基的特征，基坑维护的研究方向或更注重数学、地质、结构、信息、管理、地球科学、海洋、环境、能源等学科的融合，以及智能化预测和监测、可视化仿真等信息化手段的运用。