预应力混凝土管桩联合水泥搅拌桩在水闸基础工程中的应用

崔应坤

(广州华申建设工程管理有限公司湛江分公司，广东 湛江 524037)

1 工程概况

1.1 工程布置

本文选择某水闸作为研究对象，其组成可以分为上游部分的连接段、水闸前的铺盖段、出口的渐变段，以及闸室、涵洞等。本工程全长182 m，闸室长14 m、宽31.62 m，有5孔负责灌溉，宽4.4 m、高4.4 m，1孔负责供水，宽2.0 m、高4.4 m，其闸底板、闸墩顶高程分别为55.30 m、65.40 m。现将启闭机房设置于水闸的上方，机房平台高程为72.30 m，而机房自身也有3 m高。闸室共有两联六孔，工程设计水位可达58.63 m。

1.2 本工程地质情况

在施工前，由专业人员对施工地区进行地质勘察。根据报告所示，涵闸周边的土质是第四系填筑土，可以被划分成以下几类:第一类为人工填土层，主要是褐黄色的壤土，有一些黏土，混杂少量的砂壤土透镜体。土层具有可塑能力，而土层厚度为5.0～12.6 m;第二类为河流冲积层(Q4al)，主要是壤土，有一些黏土、砂壤土，混杂部分粉细砂透镜体。这一土层具有连续分布特性，部分土层没有被揭穿，土层厚度为10～25 m;第三类为河流冲积层(Q3al)，土层主要为壤土，有超量的黏土，部分土层夹杂少砂壤土透镜体。其特点是连续分布，一些土层还未揭穿，土层厚度为1.5～9.0 m;第四类为河流冲积层(Q3al)，是褐黄色的粉细砂层，褐黄色，呈现中密状，已经揭露的位置最大厚度为6 m。而涵闸负责持力主要是黏土与壤土，承载力特征值处于90～110 kPa，承载力相对较低;而当前的地震烈度为Ⅶ度，在地表之下的15 m区域内，有低于17%黏粒含量的土层，在地震的影响下，极易发生液化，导致当前地基是无法直接投入使用，一定要展开科学的地基处理，确保水闸使用的稳定性[1-3]。

2 地基应力计算

现在影响闸室稳定的荷载可以分为以下几种：设备与闸室，例如闸室与设备的自身重量；自然因素，例如水重、地震力等。所以，根据材料力学的偏心受压公式，在结构布置及受力情况对称情况下，则通过公式(1)完成计算:

(1)

式中:∑G为影响闸室的竖向荷载，kN;A为闸室的基底面积，m2;∑Mx、∑My为影响闸室的所有荷载，会对底面形心轴x、y的力矩造成影响，kN·m;Wx、Wy为闸室底面形心轴x、y的面积矩，m2·m。

经过计算后，将闸室地基应力整理为表1内容。

表1 闸室地基应力计算数据

从计算数据可以看出，在特殊组合模式下的地震工况，是一种控制工况，这一涵闸地基，在地震的工况影响下，地基应力可以达到221.45 kPa，其底层承载力仅在90～110 kPa区间，可以看出承载力明显偏低，即原地区的地基无法满足水闸施工所需的基础承载力，一定要进行地基处理后，才能将其投入应用。

3 水闸地基处理方案选择

3.1 几种地基处理方案对比

根据施工区域现在的地质条件，分析常规水闸工程经验，可以将以下方法作为地基处理方案使用，保证桩径、桩长符合地基使用需求即可。

素混凝土桩:这种处理方式，并不会将配筋加入结构设计中，是利用混凝土直接浇筑制备，所以，其承载力不大，实际应用时有较大概率会产生开裂，抗弯性能差，延性不强，多是在一些承载力需求低的工程中使用。

钢筋混凝土灌注桩:本文设计的工程是穿堤涵闸，而施工区域土层多是壤土，工期也较为紧张。而这种处理方式需要前期投较多资金、工期偏长，并不将这种方式纳入考虑当中。

CFG桩(即水泥粉煤灰碎石桩):多用在黏性土、粉土地基，或者是自重固结已结束的素填土地基。可是这种施工工艺具有较高的施工需求，极易被地下水所影响，应用质量偏低，同样不将其作为本工程的应用对象考虑。

高压喷射注浆法:多用在提升地基牢固性，提升土层抗剪能力，可以得到地基变形性质有效改善。根据使用需求，通过闭合帷幕，对地下水流起到控制作用，降低流沙对工程的负面影响。黏性土等土类都可以应用。而一些砾石粒径偏大，土壤具有较多的腐殖质，加固质量则会降低;如果地下水流偏大、地基土受到严重腐蚀，也不建议应用。

预应力混凝土管桩(PHC管桩)有以下优点:

桩承载力高、应用场景广、质量稳定、造价偏低、施工时间短。整理以上内容，并做好对比分析，现将素混凝土桩、高压旋喷桩、预应力混凝土管桩等作为地基基础处理方案，方案支出成本整理为表2内容。

表2 处理方案资金支出比较

对处理方案详细分析后，总结出以下几点：素混凝土灌注桩前期投入成本大，而钻孔护壁使用具有一定难度，施工也需要花费一定的时间成本;钢筋混凝土灌注桩需要花费较大的投资成本，时间成本高;CFG桩具有较高的工艺需求，施工时也受到地下水影响，不具备更稳定的施工质量;高压旋喷桩支出成本大、施工质量差。而预制混凝土管桩施工不需要花费过多时间，无论是施工质量还是工期都符合施工需求，投资成本最低，所以，现把预制混凝土管桩复合地基作为处理方案。

3.2 地基处理方案

3.2.1 承载力

完成复合地基载荷试验，可获得PHC桩正式复合地基承载力，结合住房和城乡建设部《预应力混凝土管桩技术标准》 (JGJ/T 406—2017)[4]，在复合地基承载力验算时，可采用式(2)进行承载力验算：

(2)

式中:fspk为复合地基承载力，kPa;λ为单桩承载力的发挥系数，多应用当前施工经验获得具体数值，取0.8～1.0；m为PHC桩的面积置换率;Ra为单桩竖向承载力，kN;Ap为单桩的横截面积，m2;β为两个桩之间土承载力发挥系数，取0.75～0.95;fs k为两个桩间土质的承载力。单桩竖向承载力特征值Ra，在无单桩载荷试验资料情况下，可按式(3)估算：

(3)

式中:up为桩周长，m;n为桩长涉及范围内具体土层数;qsi为桩周围第i层由土层提供的侧阻力，kPa;li为桩长涉及范围的第i层土层厚度，m;αp为桩的顶端位置阻力发挥系数;qp为桩顶端位置阻力的特征值，kPa。

3.2.2 处理地基具体内容

从涵闸工程质量、施工进度、投资成本等因素入手，分析项目所处地区的地质条件、施工区域周边环境等，所以对涵闸基础处理，将采用预应力混凝土管桩，配合双排水泥土搅拌桩的联合支护模式。地基处理模式整理为以下内容:

(1)闸基承载力不足。涵闸闸室段应用PHC桩复合地基方案:将AB型预应力混凝土管桩投入应用，壁厚保证0.125 m，而管桩的直径、长度则要达到0.5 m、25.0 m，利用正三角形设置管桩，桩间距需要控制在2 m，桩的顶部设计厚度为0.3 m的水泥土垫层。需要在施工前对场地充分清理，保持场地平整，测量施工的具体位置，使用桩机对管桩锤击。

(2)地震液化。在地表至下方15 m深度范围内，因为其地基土黏粒含量小于17%，砂壤土极易在地震影响下发生液化。本工程是穿堤涵闸，所以否决碎石桩、砂桩一类处理方法，应用水泥搅拌桩。水泥搅拌桩的桩径、桩间距需要控制为0.6 m、0.4 m，让管桩进入土层约10 m，并以双排壁模式进行布设。需要先测量放线，移动桩机，通过下钻喷浆与喷浆搅拌，为管桩拓展足够空间，最后对搅拌机充分清理即可。

(3)基坑降排水。因为闸室高度54.29 m，所以需要将开挖控制在53.79 m以上，而施工地区的地下水位高度在59.10 m，会导致基坑有过多积水，影响施工效果。为使该土方开挖、混凝土浇筑不会受到积水影响，现采用人工方法控制水位。根据当地地质资料，闸室施工区域多为砂壤土，其渗透系数为K，所以,地下水位至少降低6 m。以井点排水特性，将轻型井点投入应用。

使用布设方案，加固地基基础，同时对地基承载力进行检验，其最初承载力为100.00 kPa，现在提高至245.00 kPa，满足基底应力221.45 kPa使用需求，符合涵闸的地基承载力基本需求，并通过水泥搅拌桩围封方案，处理地基地震液化问题。

水闸建设完毕后，针对闸室展开基础沉降观测，以预制混凝土管桩为施工基础，搭配双排水泥土搅拌桩，完成联合支护工作，本工程可以保持均匀沉降，使用后期的沉降也保持稳定，施工效果较好[5-7]。

4 结 论

作为水闸基础工程的重要内容，地基处理质量会影响到水闸工程后续使用的安全性。因为，工程所处区域、地质条件不同，所以，要以现场勘察报告为准，科学选择地基处理方案。本文使用预应力混凝土管桩与双排水泥土搅拌桩联合模式，在水闸地基处理中，较好地解决了下游涵闸建设过程中存在的地基承载力不足、地基轻微液化等问题，大幅度提高了工程施工质量和安全稳定性。同时，有效降低了工程施工材料成本支出和施工周期，可以作为闸基地质处理的参考方案使用。