山东某水闸地基处理设计方案分析

2021-10-09盖浩瑞

陕西水利 2021年9期

盖浩瑞

（莱阳市勘察工程队,山东莱阳 265200）

1 工程概况

山东某水闸是一宗以挡潮为主,兼有防洪、蓄淡灌溉效益的Ⅲ等中型水闸工程。设计洪水标准为20 年一遇,校核洪水标准50 年一遇,防潮标准为20 年一遇。设计引水流量0.25 m3/s,设计最大泄流量234 m3/s,同时与左右堤防形成完整的防潮（洪）体系,阻挡附近江河的洪潮倒灌,保护农田15000 亩与8000 人口的生命财产安全,为当地社会经济的持续发展提供了保证。

2 水闸闸址区基本地质条件

2.1 地形地貌

水闸场地属于河口三角洲平原地貌单元,为开挖山坡改河道建成。水闸上游段主河道正常水深3 m~4 m,水流缓慢；水闸下游段主河道水深4 m~5 m。下游段由于径流和潮流的互相制约消能作用,属弱潮河口。左右两岸地形较平坦,河道在水闸处直顺。

2.2 地层岩性

根据钻孔揭露,闸基地层主要为第四系河流相沉积的淤泥质土、淤泥质细砂、粘土、粘土质砂等,下伏二叠~三叠系的花岗岩（P-Tγ）,地层岩性特征如下：

②淤泥质细砂（Q4al）：呈灰黑色,饱和,松散,主要由粉细砂和淤泥质组成,局部含有少量的贝壳碎屑,工程力学性质差。该层标准贯入试验击数N=5 ~6 击,该层在闸址区均有分布,揭露层厚2.90 m~3.80 m。

②1 粘土（Q4al）：呈灰黄~褐黄色,软塑~可塑,岩芯呈长条状,土质均匀细滑,粘性强,韧性高,干强度高。该层呈可塑状地段的标准贯入试验击数N=7 ~9 击,呈软塑状地段的标准贯入试验击数N＜7 击,该层在闸址区分布较广,揭露层厚1.50 m~5.40 m。

②2淤泥质土（Q4al）：呈灰黑色,饱和,软塑,含有少量的粉细砂和细粒的贝壳碎屑,整体标准贯入试验击数N=2 ~4 击,其中右岸及下游偏左侧部分深度地段因粉细砂粒含量高,右岸部分深度地段标准贯入试验击数N=4 ~6 击及下游偏左侧部分深度地段N=9 ~10 击,亦说明该层部分深度地段土质均匀性较差。该层在闸址区均有分布,层厚较大,揭露层厚4.80 m~16.00 m。

③粘土质中粗砂（Q3m）：灰色为主,局部夹褐黄色,饱和,松散~稍密,主要由中粗砂和粘土组成,局部含有少量的小卵石,砂质为长英质,呈次圆状~圆状,分选差,粘土含量约20%~30%,粘土呈软塑~可塑状,稍具塑性。该层标准贯入试验击数N=15 击,该层在闸址区局部有分布,层厚较薄,揭露层厚0.60 m~1.80 m。

④全风化花岗岩（P-Tγ）：绿色,浅绿色,湿,可塑,原岩结构清晰,夹大量未完全风化的长英质砂砾,粘性差,韧性低,岩芯呈短条状。该层标准贯入试验击数N=17 击,该层在闸址区均有分布,揭露最大层厚2.30 m。

⑤强风化花岗岩（P-Tγ）：灰黑色夹灰白色呈斑点状,中粗粒结构,块状构造,节理裂隙发育,岩石破碎,岩质较坚硬,节理裂隙面呈褐色,多为褐色渲染,矿物有蚀变现象。该层在闸址区均有分布,揭露最大层厚3.00 m。

2.3 地质构造

根据区域地质资料和实地调查,闸址区次一级地质构造线不发育,无次一级地质构造线穿越,未发现挽近期活动断裂分布。地表无地质构造分布的痕迹,闸址区目前处于地质构造相对稳定状态。

2.4 水文地质

闸址区地表水为河水和海水交汇,水位受潮汐影响变化较大。地下水主要赋存于②淤泥质细砂、②2 淤泥质土之中,为孔隙型潜水,地下水直接与海水、河水发生水力联系,受地表水的补给。

为评价闸址区场地环境水对混凝土的腐蚀性,勘察期间在闸址区采取2 组地表水样进行室内水质分析。根据水质检验报告,参照《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）附录L的评价标准[1],环境水对混凝土具有中等腐蚀性,对钢结构具有弱腐蚀性。

3 地基主要问题

工程区场地分布有较厚的淤泥质土及淤泥质细砂,具有含水量大,强度低,高压缩性等特点,属软土,存在不均匀沉降的问题。

淤泥质土及淤泥质细砂厚度较大,含水量大,一般呈软塑~流塑状态,地基抗滑稳定性差,对水闸抗滑不利。②1 层粘土由粘粒组成,土的粘性好,土细滑,土的含水量一般,呈软塑~可塑状态,②1 粘土层地基抗滑稳定性差,也是水闸抗滑稳定不利土层。闸基应对地基土进行强度和变形验算,如验算未能满足建筑物强度和变形要求,需对下伏软土层采取地基处理措施,如采用换填块石或采用水泥土搅拌桩等地基处理措施,避免地基产生不均匀沉降。

4 水闸地基处理设计

4.1 水闸地基沉降计算与分析

4.1.1 计算工况

参考海堤工程沉降计算工况,计算工况采用正常蓄水位与多年平均低潮位组合,同时由于旧闸室断面较小,新建闸室断面较大,在沉降计算中的对原闸室荷载只考虑原上下游护坦及闸室底板作为原地基面层自重,见表1。

表1 闸室沉降计算工况

4.1.2 计算公式

（1）天然地基土层

根据《水闸设计规范》（SL 265 -2016）8.3.2 的计算公式[2]：

式中：S∞为地基最终沉降量,m；n为地基压缩层计算深度范围内土层数；e1i为基础底面以下第i层土在平均自重应力作用下对应的空隙比；e2i基础底面以下第i层土在平均自重应力加平均附加应力作用下对应的空隙比；hi为基础底面以下第i层土的厚度；m为地基沉降量修正系数,取1.3。

（2）水泥土搅拌桩复合地基

水泥土搅拌桩复合地基,设计桩径0.5 m,桩距1.0 m,闸室地基梅花型布置,两岸挡墙地基双向布置,桩长6.0 m,基础与桩间设置0.3 m褥垫层。

水泥土搅拌桩复合地基变形由复合土层和桩端以下的土层变形两部分组成,复合地基层的变形计算采用《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2015）中的计算公式：

式中：Po为搅拌桩复合土层顶面的附加压力值,kPa；Po1为搅拌桩复合土层底面的附加压力值, kPa；Eps为搅拌桩复合土层的压缩模量；Ep为搅拌桩的压缩模量,取100fuk；Es为桩间土的压缩模量。

复合土层以下各土层的沉降计算,仍采用分层总和法计算影响深度范围内的各土层沉降量。

4.1.3 沉降计算结果与分析

（1）断面选择及计算点

断面选择：中孔闸室。计算点：取底板两端和中点。计算简图见图1。

图1 沉降荷载计算简图

（2）计算结果

本闸室沉降按空间问题计算,只列出最大压力边点的计算表格,其余2 个计算点按相同方法计算。由于本水闸采用分期导流,工期相对紧张,同时闸室基础及左侧岸墙的搅拌桩只需要解决沉降问题,为了缩短养护周期,搅拌桩的弹性模量采用28 d的弹性模量作为设计计算值,利于在枯水期内完成水闸基础浇筑。计算结果见表2。

表2 闸室沉降计算

计算结果表明,闸室在地基处理之前,最大沉降量为20. 2 cm>15 cm,最大沉降差为5.3 cm>5.0 cm,均不满足规范要求。因此,需要对地基进行处理,根据软弱土层的特性,采用水泥土搅拌桩加固地基:设计桩径为0.5 m,桩距1.0 m,桩长为5.0 m,桩体在28 d龄期下立方体抗压强度要求fcu>0.8 MPa, 90 d龄期的立方体抗压强度要求fcu>1.5 MPa。经过地基处理后,闸室最大沉降量为13.4 cm<15 cm,最大沉降差为2.6 cm<5.0 cm,满足规范要求。

4.2 地基处理方案的分析与选择

由于本水闸地基中存在约15 m厚的高压缩性土层,闸室部位天然地基满足承载力的要求及防渗良好,但不满足沉降量要求；右侧局部岸墙及翼墙位于②2 淤泥质土,地基承载力仅为80 kPa,承载力及沉降量均不满足规范要求。

水闸松软地基处理一般采用以下几种：换土垫层、沙井预压、挤密砂石桩、桩基、沉井、强夯、搅拌桩等方法处理。本工程的软基比较厚,换土层法不合适；沙井预压需要较长的预压时间,在分期围堰施工的情况下,难于满足工期要求；挤密砂石桩一般适用于松砂或砂壤土地,在粘性地基效果甚微,还容易造成防渗问题；桩基适用范围比较广,在本工程中地质条件也比较适用,但需要打穿15 m厚的软土层,进入持层,但桩基施工时间长,水闸后期运行期间有可能造成闸室底板脱空,出现防渗问题；强夯一般适用于透水性好的土层,本水闸地基层渗透系数为3.82 ×10-7cm/s,效果甚微,时间也长；水泥土搅拌桩适用本水闸地基基础处理,施工速度快,工期养护方面可以采用提高水泥掺入量来缩短养护周期,同时在本工程周围地区的水闸基础处理中均有应用,效果较好。综合考虑下,本工程地基处理采用水泥土搅拌桩进行加固。

4.3 地基处理后地基承载力计算与分析

由于右侧局部岸墙及翼墙位于②2 淤泥质土,地基承载力仅为80 kPa。因此,在满足沉降要求的基础上,复核其复合地基的承载力是否满足要求。设计桩径为0.5 m,桩距1.0 m,桩长为5.0 m,褥垫层厚度0.3 m,桩端与桩间土均位于②2 淤泥质土。

4.3.1 单桩承载力计算

单桩竖向承载力特征值应通过现场试验确定。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）式（7.1.5）[3]式（4）估算并满足式（5）要求：

式中：fcu为与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90 d龄期的立方体抗压强度平均值,取3.0 MPa；η为桩身强度折减系数,湿法取0.25；Ap为桩的截面积；up为桩的周长,为1.57 m；n为桩长范围内所划分的土层数,n=1 层；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值,取10 kPa；li为桩长范围内第i层土的厚度,②2 淤泥质土6 m,桩长为6.0 m；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值,根据地质建议取80 kPa；a为桩端天然地基土的承载力折减系数,取0.6。

由式（4）计算,由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力为Ra=103.67kN。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）式（7.3.3）[3],计算桩身材料强度：

式中：η为桩身强度折减系数,取0.25；fcu为与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90 d龄期的立方体抗压强度平均值,kPa；Ap为桩的截面积,m2。

经计算,桩身材料强度为147 kN,大于由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力103.67 kN,符合规范要求。

4.3.2 复合地基承载力计算

复合地基承载力计算,应通过现场复合地基载荷试验确定,初设时可按式（7）计算：

式中：fspk为复合地基承载力标准值,kPa；m为桩土面积置换率,取0.196；Ra为单桩竖向承载力特征值,kN；Ap为桩的截面积,取0.196 m2；β为桩间土承载力发挥系数,取0.2；fsp为处理后桩间土承载力特征值,取fsp=80 kPa。

计算结果为复合地基承载力,大于由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力 103.67 kN,满足复合地基承载力要求。

4.3.3 持力层承载力验算

水泥土搅拌桩为群桩基础,搅拌桩置换率接近20%,且非单排排列,应验算下卧层的地基强度。假定搅拌桩的桩群体与桩间土为实体基础,②2淤泥质土内摩擦角为1.63°,假想实体基础地面压力按式（8）计算：

计算得,f1=［116×4.65+119×4.99-（4.65×2+2）×6×10-80×（4.65 -4.99）］/4.99 =96.6 kPa,假想实体基础底面积=4.65+2×6×tan1.63=4.99 m2,桩端修正地基承载力特征值=80+1.0×（18.1-10）×（7.3-0.5）+1 ×（18.1-10）×（4.85-3）=150 kPa＞96.6 kPa。满足持力层承载力要求。