平原地区水闸深厚软土地基基础处理设计方案研究

李学德, 刘 洋, 邵真真， 谢庆跃, 吴东伟

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司滁州分公司，安徽 滁州 239000)

近年来，随着经济社会发展，我国不断加大推进水利基础设施建设。水闸是一种低水头水工建筑物，具有挡水和泄(或引)水双重作用，在防洪、排涝、灌溉、及供水等方面发挥了重大作用。水闸工作时闸门主要承受水压力，闸室岸墙同时承受侧向土压力，水闸在自重和外部荷载的作用下闸基底应力分布比较复杂，易产生不均匀沉降[1- 2]。平原地区的水闸一般建于河道、堤防或江河入海口处，其所处的位置决定了水闸地基多为松散或软弱的冲积覆盖层，天然地基的抗剪强度和承载能力较低，压缩性较大，而且常常分布不均匀[3- 4]。软弱土基抗剪强度及承载力不足，闸底板和闸基土变形不协调，易产生“脱空”现象，在水头差作用下，沿闸基底接触面容易产生渗流通道，从而导致闸基渗透破坏，引起水闸沉降、倾斜、断裂甚至倒塌，对工程安全产生极大影响[5]。

在水闸工程建设时，需要对软土地基进行处理，常见的地基处理方法有垫层法、强夯法[6]、深层搅拌桩[7]、桩基础[8- 9]及沉井基础[10- 11]等。水闸工程的地基处理方法与地基的各项参数有关[12]，本文结合工程实际，对深厚软土地基处理方案进行研究，对类似的工程具有一定的参考借鉴作用。1

1 工程概况

某拆除重建水闸位于灌南县新沂河南堤110K小潮河入灌河处，主要排泄沭阳以上新沂河桃汛，保证新沂河滩地2万hm2麦收。水闸设计流量为300m3/s，采用为3孔10m胸墙式结构。闸室底板面高程-2.50m，底板厚度1.5m，闸墩顶高程9.50m，闸身顺水流向长18.0m，闸身一块底板，总宽34.4m。闸室底板位于③2层淤泥质重粘土上，夹少量砂壤土薄层，含腐殖质，流塑—软塑状态，高压缩性，揭示层厚5～8m，含水率53.4%，凝聚力c值为15.3kPa，内摩擦角φ值为3.8°，该层地基土允许承载力为[R]=55kPa，不能满足天然地基持力层的要求，需进行基础处理。

2 地基处理方案比选

2.1 闸室基础

该水闸原闸址处地基为人工换土2m后，再人工还中粗砂2m，下卧层为淤泥质黏土。老闸自建成以来，沉降达10cm，地基压缩性大、承载力差，为保证闸室稳定，本次拆除重建工程需采取地基加固处理，根据地质情况，适合该地基处理的常规方案有：钻孔灌注桩基础、沉井基础和短桩复合基础3种。

2.1.1钻孔灌注桩基础

钻孔灌注桩即通过机械钻孔在地基上形成钻孔，并在桩孔内放置钢筋笼，浇筑混凝土成桩。水闸底板下桩基的数量一般是根据承受的水平荷载和单桩的水平允许承载能力确定，所需桩基的数量为总水平荷载除以单桩的允许承载力。单桩水平向允许承载力通常以控制桩顶的允许水平位移为控制指标[13]。经计算，闸室采用Φ100钻孔灌注桩，桩底高程为-20.0m，桩间距3.2m×(2.0～3.3)m，总计84根。灌注桩基础布置图如图1所示。

图1 灌注桩基础布置图(单位:cm)

2.1.2沉井基础

沉井基础广泛应用于基础埋置较深的较厚软土层处理中，可同时解决地基承载力和地基渗透变形的问题[13]。沉井一般为钢筋混凝土结构。施工时，先在水闸设计底高程位置制作沉井，然后在井孔内挖土，沉井在自身重力作用下克服井外土的摩阻力和沉井刃脚下土的阻力而下沉。经计算，沉井满足土体抗力稳定要求时底高程为-11.5m，平面尺寸为35m×17m，纵横隔墙间距为4.7～5.1m。

2.1.3短桩复合基础

短桩复合基础采用PHC管桩，桩顶设置褥垫层。经计算，采用Φ40PHC管桩，桩长9m，桩底高程为-13.3m，桩间距1.2m×1.2m，复合地基承载力为179.2kPa，闸室复合地基满足地基承载力要求，但复合地基总沉降量为18.5cm，沉降量偏大。由于短桩复合基础加固地基的效果一般，施工质量较难控制，一般仅用于次要部位或低等级建筑物，而本工程建筑物等级为1级，故不宜采用该方案。

对灌注桩和沉井基础投资进行比较，结果表见1。

由表1可知，灌注桩和沉井基础投资接近，灌注桩基础略省。考虑沉井基础施工复杂，施工控制要求较高，特别是存在承压水层时，沉井基础施工会遇到很大困难，甚至还会影响工程施工安全；灌注桩施工简单，质量易保证，经常用于重要建筑物的基础处理，故兼顾工程安全、施工难度以及工程质量等因素综合考虑，闸室设计采用Φ100钻孔灌注桩基础。

2.2 翼墙基础

翼墙各底板均坐落在淤泥质黏土上，地基承载力不满足要求。本工程上下游第一、二节翼墙挡土高度(12～10m)较高，综合考虑，上下游第一、二节翼墙采用Φ80灌注桩基础，其他翼墙采用Φ60灌注桩基础。上游第一、二节翼墙共布置168 根灌注桩，桩底高程为-18.5m ；下游第一、二节共布置140根灌注桩，桩底高程为-20.0m。同时对比以下2个可减小水平荷载的方案措施。

(1)拖板方案。在翼墙墙后底板处增设一块拖板，利用其与地基土的摩擦力，消除翼墙本身的一部分水平力。

表1 闸室基础处理方案投资对比表

表2 翼墙基础处理方案投资对比表

(2)撑梁方案。两岸翼墙底板间采用撑梁对撑。

由于两岸翼墙间距离较大，如果采用撑梁，撑梁需分段，承担水平力的作用有限。由于工程本身在两岸翼墙底板间是护坦(下游是消力池)，施工时考虑在翼墙底板与护坦之间以及护坦与护坦间水平止水以下伸缩缝间采用钢板顶块，使其在适应伸缩变形的同时，也能互相顶撑，作为承担水平荷载的安全储备。

经计算，拖板方案宽度至少需设置3.5m，上游一、二节翼墙共需布置138根灌注桩，下游一、二节翼墙共需布置110根灌注桩，拖板方案较灌注桩方案投资增加约4.5万元；撑梁方案在灌注桩方案上需增加64块钢板的材料和安装费用，撑梁方案较灌注桩方案投资增加约2万元。

由上述分析比较，2个减载方案均可行，但灌注桩结合拖板及增设撑梁的地基处理方式非常规使用，且投资较灌注桩方案有所增加。故从工程的安全出发，翼墙基础仍采用灌注桩方案，设计时考虑桩土共同作用，桩承受85%的水平荷载，剩余15%水平荷载由桩间土和两岸翼墙间护坦共同承担。

3 灌注桩基础计算

闸室及上下游翼墙地基采用灌注桩基础，计算时考虑桩土共同作用。

3.1 单桩竖向承载力

根据《建筑桩基规范》，单桩坚向承载力特征值按下列公式计算[14]：

(1)

式中，Ra—单桩坚向承载力特征值，kPa；Quk—单桩坚向极限承载力标准值，kPa；K—安全系数，取K=2。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(2)

式中，Qsk、Qpk—总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值，kPa；qsik—桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；qpk—极限端阻力标准值，kPa；u—桩身周长，m。

3.2 单桩水平承载力

水平承载力采用“m”法计算，控制桩顶位移5mm，桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩单桩水平承载力特征值按下式计算[14]：

(3)

式中，Rha—单桩水平承载力特征值，kN；x0α—桩顶允许水平位移，mm；vx—桩顶水平位移系数，按规范表中取值；EI—桩身抗弯刚度。

对于钢筋混凝土桩，EI的计算公式为：

EI=0.85EcIo

(4)

式中，Ec—混凝土弹性模量；I0—桩身换算截面惯性矩。

Io=Wodo/2

(5)

式中，d0—扣除保护层厚度的桩直径，m。

根据公式(1)～(5)计算，闸室、翼墙灌注桩基础的单桩坚向承载力特征值及水平承载力特征值计算成果见表3。

3.3 基础沉降

为确定各建筑物地基的最终沉降量及相邻建筑物间的沉降差，分别计算桩身部分压缩量S1和桩底下各土层的沉降量S2。桩底下各土层的最终沉降量S2根据《水闸设计规范》，按分层总和法计算[15]，选择有代表性的断面和计算点，以各计算点沉降量的平均值作为底板的沉降量。

(6)

式中，S∞—地基最终沉降量，mm；i—土层号；n—在地基压缩层计算深度内的分层数；hi—i层土的厚度，m；ei1、ei2—基础底面以下第i层土在平均自重应力作用下的孔隙比和在平均自重应力、平均附加应力共同作用下的孔隙比。

经计算，闸室地基平均沉降量S=S1+S2，为43.1mm，其上、下游第一节翼墙地基平均沉降量分别为46.2、51.7mm，与闸室间的沉降差分别为3.1、8.6mm。满足规范要求。

表3 灌注桩单桩承载力特征值计算成果表

4 结语

平原地区水闸工程中深厚软土地基处理方法存在各自的优缺点。本文通过工程实例，针对工程特点，阐述了软土地基处理中常用的3种方法，综合分析比较后选择了灌注桩基础作为该水闸工程闸室及翼墙的基础处理方式，并对灌注桩基础承载力及沉降值进行了计算。结果表明，闸室地基平均沉降量及闸室与翼墙之间的沉降差均远小于原老闸的基础处理方式，灌注桩基础在提高地基承载力，减少地基沉降量方面作用显著，可以有效解决水闸深厚软土地基的基础问题。另外灌注桩施工方便，稳定可控，在工程中得到了广泛的应用。