长—短PHC管桩复合地基在裕溪闸深厚软土地基处理中的应用

2021-07-13孟范兵夏珊珊

广西水利水电 2021年3期

孟范兵，夏珊珊

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，合肥 230088）

1 工程概况

裕溪闸位于安徽省巢湖流域裕溪河入长江口4 km处，是无为大堤上的大型水利工程，具有防洪、蓄水及排涝功能，该闸20 年一遇设计排洪流量1170 m3/s，100年一遇校核流量1475 m3/s，为Ⅱ等大（2）型水闸，无为大堤为1 级堤防，裕溪闸为1 级建筑物。闸室为胸墙式结构，共14孔，单孔净宽8 m，总净宽112 m，两孔一联；闸墩间分缝，中墩厚1.2 m，缝墩厚1.0 m，单联宽19.2 m。闸室总宽度为134.4 m，闸室底槛高程为3.0 m，底板厚1.3 m，闸顶高程14.5 m，闸室顺水流方向长18 m。

2 工程地质

闸底板底高程为1.7 m，底板以下土层主要为：

（1）①层淤泥：饱和，多呈流塑状，厚度0.6～2.5 m，局部夹有粉细砂薄层或透镜体。

（2）②层淤泥质粉质粘土：饱水，以软塑状为主，厚度2.0～6.1 m，局部含有粉细砂薄层或透镜体（团块），该土层主要分布在节制闸上游河床。

（3）③层粉质壤土与粉细砂互层：饱和、软塑，厚度6.0～30.0 m，水平层理发育，粉质壤土层厚度一般3.0～7.0 mm，粉细砂层厚度一般1.0～2.0 mm。

各土层力学性能指标建议值见表1。

表1 裕溪闸各土层力学性能指标建议值表

闸基持力层为淤泥、淤泥质粉质粘土，具有高压缩性、承载力低、抗剪强度低、高灵敏度等工程特性，存在软土沉降变形、不均匀沉降及抗滑稳定问题。

3 长—短桩复合地基处理设计

3.1 地基处理方案比选

闸室最大基底应力为121 kPa，天然地基承载力不满足设计要求，需对地基进行处理。地基处理方法有灌注桩基、水泥土搅拌桩及长—短PHC管桩复合地基等。闸址处软弱土层深而厚，土体强度低，参照距离该闸轴线180 m已建成裕溪复线船闸，土层岩性相同，经水泥土搅拌桩地基处理的（船闸闸室基底应力110 kPa，粉喷桩处理的复合地基承载力检测试验值110 kPa，施工一年后累计沉降约15 cm，双向搅拌桩处理的复合地基承载力检测值160 kPa，设计处理深度16 m，一年后累计沉降近10 cm）复合地基难以达到效果，工程主体结构适宜采用灌注桩与长—短PHC管桩复合地基，控制建筑物水平位移和沉降，以一联闸室为例，拟定以下两种方案进行比较。

方案一：水上钻孔灌注桩方案。该方案灌注桩采用水上浮箱平台施工方案，不需搭建平台在水上即可施工，桩的布置根据计算确定，桩间距3.5 m，一联闸室共布置36 根桩，桩长28 m，桩径1.2 m，总桩长1008 m，桩造价为2500 元/m，水上钻孔灌注桩地基处理总投资约252万元。

方案二：长—短PHC管桩复合地基方案。该方案桩基采用C80 预应力高强砼预制管桩，桩顶设1.5 m 厚塑性砼褥垫层。PHC 管桩桩径0.8 m，长桩长25 m、桩距4.0 m×4.4 m，短桩长16 m，桩距2.8 m×4.4 m，一联闸室布置长桩36 根、短桩27 根，总桩长1 332 m、塑性混凝土褥垫层576 m3，PHC 管桩造价为395元/m，塑性混凝土单价425元，长—短桩复合地基处理总投资约77万元。

方案一主要优点为可提前进行施工，节省工期，桩基与砼底板连接可靠；主要缺点为水上施工难度大，对施工平台及钢护筒安装要求高，工程投资大。方案二主要优点为工程投资小，施工进度快、工期短，预制桩桩体质量有保证；主要缺点为打桩船体积较大，作业区域有一定限制。

以上两种地基处理方式均能满足地基承载力设计要求，方案二施工进度快、工期短、工程投资少，综合考虑，采用长—短PHC 管桩复合地基处理方案。

（1）增加人力资本投资，教育培训是人力资本投资的重要部分，各级政府财政支出中应进一步增大教育支出占比，完善相关教育财政制度，加强各级政府官员对教育发展、教育投入的重视程度；

3.2 长—短桩复合地基设计

3.2.1 长—短桩布置技术要求

对深厚软土地基，采用长—短桩复合地基处理，能达到建筑物地基强度与变形控制要求。长—短桩复合地基上部置换率高、刚度大，下部置换率底、刚度小，与荷载作用下地基上部附加应力大，下部附加应力小相适应，不仅能满足地基承载力要求，且能节省工程投资。

长—短桩桩长确定原则：满足复合地基承载力和地基沉降要求，长桩穿过深厚软土层、进入强度相对较高硬土层；短桩穿过浅层最软土层，当短桩桩端位于软弱土层时，验算桩端的软弱下卧层承载力。本工程长、短桩均采用C80 预制PHC 管桩，桩径0.8 m、壁厚0.11 m，长桩穿过软弱层，进入强度相对高的④层粉细砂层1.5 m、桩长25 m，短桩桩端位于③层粉质壤土与粉细砂互层，桩长16 m。

3.2.2 复合地基承载力计算

（1）计算长—短PHC 单桩竖向抗压承载力特征值Ra

根据《复合地基技术规范》（GB/T50783-2012），PHC单桩竖向抗压承载力特征值Ra，取由桩周土和桩端土的抗力能提供的单桩竖向抗压承载力特征值和由桩体材料强度能提供的单桩竖向抗压承载力特征值二者中的较小值。分别由下列公式计算：

式中：Ra为单桩竖向抗压承载力特征值，kN；Ap为单桩横截面积，m2；up为桩的横截面周长，m；n为桩长范围所内所划分的土层数；qsi为第i层土的桩侧摩阻力特征值，kPa；li为桩长范围内第i层土的厚度，m；qp为桩端土地基承载力特征值，kPa；α 为桩端土地基承载力折减系数，刚性桩复合地基α 取1.0；fcu为桩体抗压强度平均值，C80PHC 管桩fcu取35 900 kPa；η为桩体强度折减系数，η可取0.34。

经计算长、短桩单桩竖向抗压承载力特征值分别为Ra1=1398 kN，Ra2=860 kN。

（2）确定长、短桩间距

长—短桩复合地基承载力特征值fspk可由下式计算：

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；fsk为桩间土地基承载力特征值，kPa；Ra1、Ra2分别为长桩、短桩竖向抗压承载力特征值，kN；Ap1、Ap2分别为长桩、短桩单桩横截面积，m2；m1、m2分别为长桩、短桩复合地基置换率，m=d2/d2e，d为桩身直径，de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，矩形布桩de=1.13d1d2，d1、d2分别为桩纵向间距和横向间距；βp1、βp2分别为长桩、短桩竖向抗压承载力修正系数，βp1可取1.0，βp2可取0.70～0.95，本工程βp2取0.70；βs为桩间土地基承载力修正系数，βs可取0.50～0.90，本工程取0.50。

复合地基置换率m影响复合地基承载力大小，调整桩间距，也相应改变复合地基承载力大小。水上施工采用锤击预制成桩[1]，为避免产生明显挤土的效应及减弱复合地基承载力，桩最小中心距宜不小于2.5d。闸室最大基底应力为121 kPa，经计算：长桩与短桩交错布置，长桩间距5.3 m×2.2 m、置换率m1为0.043，短桩间距5.3 m×2.2 m、置换率m2为0.043，复合地基承载力特征值fspk=184 kPa，故复合地基承载力满足设计要求。

3.2.3 验算短桩桩端的复合地基承载力

短桩桩端位于③层粉质壤土与粉细砂互层，该层承载力底、压缩性高，按式（4）式验算短桩桩端的复合地基承载力。

式中：pz为短桩桩端处的附加压力值，kPa；L0为矩形基础底边长度，m；B0为矩形基础底边宽度，m；h为复合地基加固区深度，m；a0为基础长度方向桩的外包尺寸，m；b0为基础宽度方向桩的外包尺寸，m；p0为复合地基加固区顶部附加压力，kPa；qs为复合地基加固区桩侧摩阻力，kPa；pcz为短桩桩端处地基土的自重压力值，kPa；faz为短桩桩端经深度修正后的地基承载力特征值，kPa；γm为基础底面以上土的加权平均重度，kN/m3，地下水位以下取浮重度；D为基础埋置深度，m；fspd为短桩桩端未经深度修正的复合地基承载力特征值，kPa，由式（7）计算。

式中：fskd为短桩桩端桩间土地基承载力特征值，kPa；Ra3为短桩桩端下长桩竖向抗压承载力特征值，kN；m1为长桩复合地基置换率；βp1为长桩竖向抗压承载力修正系数，可取1.0；βs为桩间土地基承载力修正系数，可取0.5～0.9，本工程取0.5。

经计算，fspd=115 kPa，faz=254 kPa，pz=76 kPa，pcz=144 kPa，可见pz+pcz=220 kPa

3.2.4 复合地基沉降计算

复合地基沉降由加固区复合土层压缩变形量S1和桩端下未加固土层的压缩变形量S2组成，其中加固区复合土层压缩变形量S1由短桩范围内复合土层压缩变形量S11和短桩以下只有长桩部分复合土层压缩变形量S12组成，其中S11、S12均由式（8）计算，S2式（9）计算：

式中：Δpi为第i层土的平均附加应力增量，kPa，附加应力pz由式（5）计算；li为第i层土的厚度，mm；Espi为长、短桩范围内第i层复合土体的压缩模量，kPa；Ep1、Ep2分别为长桩、短桩压缩模量，kPa；m1、m2分别为长桩、短桩复合地基置换率，本工程均为0.043；Ψs1为复合地基加固区压缩变形量计算经验系数，本工程取1.2；Esi基础底面下第i层土压缩模量，kPa；Ψs2为复合地基加固区下卧土层压缩变形量计算经验系数，本工程取1.3。

经计算长—短桩桩复合地基最大沉降为S=S11+S12+S2=16 mm，沉降量满足设计要求。且2016 年水下工程验收运行至今，经现场监测，水平位移为5 mm，最大沉降为16 mm。

3.3 PHC管桩桩顶褥垫层设计

长—短桩均采用PHC管桩，复合地基中PHC管桩、天然地基的变形模量差距较大，且分布不均匀，需要有适宜的褥垫层，合理调整桩、土受力，保证桩和土共同受力形成复合地基[2]。在水利工程中普遍采用掺入比为8%的水泥土褥垫层，满足地基的防渗要求，针对PHC 刚性桩复合地基，使用水泥土褥垫层，在施工压实或受力过程中，较易发生刚性桩向上刺入等复合地基扰动。

本工程采用塑性砼褥垫层，不仅能满足刚性桩桩顶抗压、抗冲切等对褥垫层强度要求，且塑性砼还具有较好的变形能力、抗渗能力和施工便捷等特点。塑性砼力学性能指标：扩散度300～340 mm，塌落度200～220 mm，28 d 静压弹模600～1000 MPa，容重不小于20 kN/m3，28 d 抗压强度1.5 MPa～3.0 MPa，28 d渗透系数K小于1×10-6cm/s。褥垫层厚度影响桩、土承担荷载比，褥垫越薄桩承担的荷载占总荷载的百分比越高，本工程厚度为1.5 m，褥垫层顶部铺一层直径8 mm@150 的钢筋网，该钢筋网能防止褥垫层因桩土沉降不均匀产生反射裂缝，加强整体作用及增大褥垫层对桩的抗冲切能力。

3.4 长—短桩PHC刚性桩布置

根据长—短桩复合地基承载力和沉降计算，本工程闸室基础采用预制B 型PHC 管桩，长、短桩桩径均为0.8 m，壁厚0.11 m，长桩与短桩交错布置，长桩间距5.3 m×2.2 m、短桩间距5.3 m×2.2 m，长桩穿过软弱层、进入强度相对高的④层粉细砂层1.5 m、桩长25 m，短桩桩端位于③层粉质壤土与粉细砂互层，桩长16 m，桩内回填细砂，桩头3 m 范围内采用C25 细石砼填充。闸室底板下设1.5 m 厚塑性砼褥垫层，桩顶深入褥垫层1 m，在桩顶设一层直径8 mm钢筋网。单联闸室长—短桩复合地基布置见图1。