徒骇河坝上闸基础处理方案设计

曹 阳，包第啸，徐 成，陈星宇

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410000；3.溧阳市水利局，江苏 溧阳 213300)

大部分水闸都建筑在平原区第四系松散堆积层上，覆盖层较厚，往往会遇到诸如松散的砂土以及软弱黏土地基。由于近年来新建水闸对闸上交通、建筑景观、使用功能等要求的不断提高，结构越趋于繁杂，导致传至地基的荷载也相应增加。但在各类荷载的作用下，地基必须始终稳定，尤其是沉降与不均匀沉降应在规范允许的范围内。因此，对天然地基尤其是松散、软弱、易液化的地基加固与处理，是水闸设计的重中之重。与建筑地基处理的方法类似，根据不同的地基情况、结构特点和施工条件[1]，水闸的土基处理主要有：换填垫层法、强力夯实法、复合地基、桩基础与沉井基础等。本文以徒骇河坝上闸除险加固工程为案例，对复合地基和桩基础2类基础处理方案进行设计，并按步骤计算、分析。

1 工程概况

徒骇河坝上闸除险加固工程位于滨州市沾化区富国镇坝上村东，徒骇河下游。根据现状调查，该闸运行年限达49a，工程老化严重，经安全鉴定为四类闸，需报废重建。

改建徒骇河坝上闸位于原闸址下游约290m处，工程等别为Ⅱ等，工程规模大(2)型，主要建筑物级别为2级。设计洪水标准按照“1961年雨型”(相当于50a一遇)，相应洪水流量1411.7m3/s，该流量下闸上游水位5.81m，闸下游水位5.72m；校核洪水标准采用100a一遇，其洪峰流量为1590m3/s，该流量下徒骇河坝上闸上游水位6.66m，下游水位6.57m。

改建坝上闸为开敞式河道型平底水闸，共计12孔，单孔净宽12.0m，闸孔总净宽144.0m，总宽160.5m。闸室底板顺水流方向长20m，采用分离式底板，底板顶部高程-1.60m，底部高程-3.10m，底板厚度1.50m。闸墩顺水流方向长度19.1m，宽度1.5m，闸墩顶部高程7.4m，闸墩高度9m，闸上交通桥桥面高程8.5m。闸室纵剖面如图1所示。

2 闸址工程地质概况

闸址处地层从上到下依次为：

图1 闸室纵剖面图

表1 徒骇河坝上闸地基土体物理力学指标

闸址土体物理力学指标见表1。

闸底板设计底高程-3.10m，位于③层粉砂顶部，③层粉砂土质不均，多夹软弱黏土团块及贝壳碎片，下伏④层砂壤土、④-2层粉砂地层，为可能液化土层，易产生渗透变形。③层粉砂顶部1.0m范围内砂层疏松，多夹有腐殖质，土质不均，呈淤泥质粉砂状，承载力较低，天然地基不宜直接作为闸室持力层。

3 基础处理方案

对4种处理方案进行技术比选，分别为振冲碎石桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩复合地基和钻孔灌注桩基础。

3.1 方案一，振冲碎石桩复合地基

作用机理：振冲法是将需要加固处理的软土地基中插入带上下喷水口的振动器，启动振动器后，在下部射水与水平向震动力的共同作用下，以每分钟0.5～3m的速度挤入地基中并下沉到加固设计标高[2]，此时孔周土体已在震动作用下变得密实。关闭下喷水口开启上喷水口并向孔内填入碎石、砾石、砂等填料，同时喷水震动使填料密实度达到设计要求后逐渐上提振冲设备，此时孔内及周围土体已被挤密。复合地基由振冲桩与桩间土共同构成，该方案可显著提高地基承载力、减少变形，同时避免地震液化风险。

适用土体：参考《建筑地基处理技术规范》中7.2.1节内容。当地基土为砂土或砂壤土时，处理效果最佳，而对黏性土的加固效果不及砂土地基。对黏粒含量大于10%、含水量较大、抗剪强度较低的软黏土地基不再适用。

方案适用性分析：本工程闸室基础下液化土层厚度达12.9～13.4m，经振冲桩承载力计算，振冲桩桩径1.0m，桩间距2m，桩体应穿过液化深度下界，故桩长14m，桩长较长。地基处理范围为闸室基础外缘外扩7m，需大面积满堂布置，处理的范围较大，因此，所需桩体材料量极大。碎石材料必须从工程区170km外的邹平县西董镇的石料场购买，将大大增加工程投资，故该方案经济性较差。

3.2 方案二，水泥土搅拌桩复合地基

作用机理：使用某种搅拌机械将地基深处的软土与固化剂(水泥浆液或粉体等材料)进行搅拌，使原软土地基硬结成可以达到设计强度且整体性与水稳性较高的水泥加固土复合地基，该方案可有效提高地基土强度和变形模量。

适用土体：参考上述规范7.3.1节内容。

方案适用性分析：①本工程闸址区地下水对混凝土具一般酸性型弱腐蚀、镁离子型强腐蚀、硫酸盐型强腐蚀，为提高水泥土的抗侵蚀性能需选用抗硫酸盐水泥。②闸址基础下土层渗透性较好，具有良好的渗流通道，其中③层粉砂渗透变形类型为管涌，固化剂可能会在尚未硬结时遭地下水冲洗掉，达不到地基处理的预期效果，影响基础处理质量。③闸室中墩基底应力最大值Pmax=201.47kPa，平均基底应力最大值P=130.71kPa；闸室边墩基底应力最大值Pmax=261.07kPa，平均基底应力最大值P=247.52kPa。而通过水泥土搅拌桩所加固的地基，其承载力普遍小于200kPa，一般在120～180kPa之间，桩径500mm的搅拌桩单桩承载力不超过150kN，因此，水泥土搅拌桩不适用于本工程。

3.3 方案三，高压旋喷桩复合地基

作用机理：利用钻机钻至于高压旋喷桩底部设计高程，浆液通过加压装置从旋喷注浆管的喷嘴中高速喷出，形成一股高能量液流破坏并搅动土体。旋转喷射的同时钻杆抬升，这样土体与浆液便可充分混合，在土中形成柱状固结体，从而使地基得到加固。

适用土体：参考上述规范7.4.1节内容。

方案适用性分析：本工程地基除了承载力外还存在地震液化问题，通过高压旋喷桩对闸室上、下游进行围封以解决地基的液化问题并提高承载力。但闸址基础下土层渗透性较好，同时有机质含量高，对浆体的稳定性影响极大，从而影响地基处理效果。

3.4 方案四，钻孔灌注桩基础

钻孔灌注桩分类：灌注桩可分为摩擦型和端承型两大类。摩擦型灌注桩主要由桩侧摩阻力承担大部分荷载，而端承型主要依靠桩端阻力来承担荷载。根据水闸类工程的运行特点，水平荷载以水压力为主，在水压力的作用下，闸底板与地基土之间必须紧密接触以免产生渗流通道，因此，土质地基若选用灌注桩，一般以摩擦型灌注桩最为常见。

适用土体：覆盖层较深厚的地基，或上部松软、下部坚硬的地基[1]。

方案适用性分析：闸室基础下液化土层厚度达12.9～13.4m，采用桩径0.8～1.0m的桩基础穿过液化土层，⑤层粉细砂作为桩基础的持力层。灌注桩可提供较高的竖向承载力，足以承担水闸运行时所产生的全部竖向荷载，通过多年来的工程经验，灌注桩基础可以很好地控制不均匀沉降，可使建筑物的倾斜不超过允许范围。灌注桩具有较强的侧向刚度和良好的抗倾覆能力，可抵御水平荷载(如风荷载、地震荷载等)以及所产生的力矩，进一步提高徒骇河坝上闸的抗倾稳定性。桩身穿过液化土层，桩端支撑在稳定的坚实土层，当地震导致表层土体液化与震陷时，坐落于深部稳固土层的桩基仍具有很强的抗压与抗拔承载力，从而可保证水闸的稳定，使其不产生过大的沉陷与倾斜。因此采用桩基础可靠性更高。

3.5 基础处理方案确定

考虑到基础承载力较低，且表层疏松不均匀，以及地基土层地震液化问题，通过上述分析，闸室采用如下处理措施：①因桩基础水平承载力需要，闸室基础垫层以下1.5m深(-3.2～-4.7m)的疏松粉砂层采用水泥土进行换填，水泥掺入比10%，换填分2层碾压，压实度0.95。水泥采用42.5抗硫水泥。②均采用C40钢筋混凝土灌注桩对地基进行处理，桩径0.8m。

4 桩基布置

中墩顺水流方向布置2列桩基，桩间距3.0m，垂直水流方向布置7排桩基，桩间距2.6m，共计14根桩基，单桩桩长24.0m。布置如图2—3所示。

边墩采用钢筋混凝土扶壁式挡土墙结构，边墩底板垂直水流方向布置9排桩基，桩间距2.4m，顺水流方向布置5排桩基，桩间距2.6m，共计45根桩基。布置如图4—5所示。

5 计算过程

5.1 工况和水位计算

闸墩桩基计算水位组合见表2。

5.2 桩基计算过程

5.2.1单桩竖直方向的承载力特征值

计算公式：

(1)

Quk=Qsk+Qpk=μ∑qsikli+qpkAp

(2)

式中，安全系数K=2；qsik、qpk可通过地质资料查询。其他系数参考JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》中式(5.2.2)与式(5.3.10)中描述。

图2 徒骇河坝上闸中墩桩基础布置平面图(单位：mm)

图3 徒骇河坝上闸中墩桩基础布置剖面图(单位：mm)

图4 徒骇河坝上闸边墩桩基础布置平面图(单位：mm)

图5 徒骇河坝上闸边墩桩基础布置剖面图(单位：mm)

表2 徒骇河坝上闸闸墩桩基计算水位组合表

闸室底板基础采用水泥土换填1.5m厚的③层粉砂后，经计算，直径为0.8m的灌注桩竖向承载力特征值Ra见表3。

表3 灌注桩单桩竖直方向的承载力特征值

5.2.2单桩水平向承载力特征值

若混凝土灌注桩配筋率大于0.65%，单桩水平向承载力特征值Rha采用如下公式：

(3)

式中，EI=0.85EcI0；χoa=5mm；νx=0.94；桩的水平变形系数α计算公式见上述规范5.7.5中内容，其他系数参考该规范中式(5.7.2-2)中描述。

闸室底板基础以下1.5m采用水泥土换填，经计算，在非地震工况下桩侧水平抗力系数的比例系数m=5.2MN/m4；在地震工况下桩侧水平抗力系数的比例系数m=2.3MN/m4。直径为0.8m的灌注桩水平承载力特征值Rha详见表4。

表4 灌注桩单桩水平向承载力特征值

5.2.3群桩中基桩或复合基桩单桩竖向力

计算公式为：

(4)

式中，系数参考上述规范中式(5.1.1- 1)与(5.1.1- 2)中描述。

5.2.4单桩承受水平力

计算公式：

(5)

式中，系数参考上述规范中式(5.1.1- 3)中描述。

5.2.5桩长长度复核

初步拟定桩长代入上述公式复核是否满足规范要求，若满足则说明桩基布置合适。判断公式如下：

Nk≤Ra

(6)

Nkmax≤1.2Ra

(7)

Hik≤Rh

(8)

NEk≤1.25Ra

(9)

NEmax≤1.5Ra

(10)

对于单桩基础，Rh=Rha。式中系数参考上述规范中式(5.2.1- 1～4)中描述。

5.3 桩基计算成果分析

5.3.1中墩桩基(直径0.8m)

在地震工况下，单桩最大竖向力Ni=1299.30kN(正常挡潮+地震工况(逆河向))，单桩最大水平力Hik=155.40kN(正常蓄水+地震工况(顺河向))；在非地震工况下，单桩最大竖向力Ni=1099.21kN(校核挡水工况)，单桩最大水平力Hik=142.70kN(校核挡水工况)。在地震工况下单桩竖向承载力特征值Ra=1107.50kN，单桩水平承载力特征值Rha=162.94kN；在非地震工况下的单桩竖向承载力特征值Ra=1435.67kN，单桩水平承载力特征值Rha=178.26kN。

地震工况时，Ni<1.25Ra=1.25×1107.50=1384.38kN，Hik<1.25Rha=1.25×162.94=203.68kN，满足要求；

非地震工况时，Ni

5.3.2边墩桩基

在地震工况下，单桩最大竖向力Ni=1007.77kN(正常蓄水+地震工况(垂直河向))，单桩最大水平力Hik=178.90kN(正常挡潮+地震工况(垂直河向))；在非地震工况下的单桩最大竖向力Ni=1039.36kN(完建工况)，单桩最大水平力Hik=100.30kN(校核挡水工况)。直径0.8m的桩基，在地震工况下的单桩竖向承载力特征值Ra=1107.50kN，单桩水平承载力特征值Rha=162.94kN；在非地震工况下的单桩竖向承载力特征值Ra=1435.67kN，单桩水平承载力特征值Rha=178.26kN。

地震工况时，Ni<1.25Ra=1.25×1107.50=1384.38kN，Hik<1.25Rha=1.25×162.94=203.68kN，满足要求；非地震工况时，Ni

6 结语

(1)本工程属软土基础，承载力较低、液化土层较深，且土层有机质含量较高，因此，选择合适的桩型以及桩长应作为重点问题分析。

(2)桩型的选取，除了考虑土体的适用性以外，还应对施工难度、工程进度、造价及桩体的可靠性进行综合比较分析。