预制桩复合地基在闸站工程中的应用

赵笑研

（北京市密云区潮白河道管理所，北京市 101500）

0 引言

预制桩复合地基目前广泛应用于房屋建筑、公路和市政工程的地基建设，近十几年来发展非常迅速，技术已经趋于成熟，在工程整体结构中可以达到物尽其用的效果，合理节约建设投资，在闸站工程地基施工中具有非常广阔的应用前景。

1 复合地基的基本概念

1.1 复合地基的定义

水工建筑物闸站工程建设中使用的复合地基通常是指广义上的复合地基，广义上的复合地基是一种对部分天然地基中的土体进行增强、置换、增设加筋材料等技术处理的地基处理技术，由天然地基土体或经过改良的天然地基土体作为加固区，与增强体共同组层人工地基。

1.2 复合地基的主要类别

复合地基在设计和施工过程中根据不同的性能需求会采取不同的增强体布设方式，采用桩体作为竖向增强体的复合地基通常被称为桩体复合地基；复合地基的水平向增强体为加筋材料的可以称为加筋土地基。桩体复合地基中地基荷载的传递机理主要会受到散体材料、粘结材料等桩体组成材料及其强度的影响。复合地基按照增强体材料的布设方式可以分为竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基两个主要类别，其中竖向增强体复合地基根据采用的材料种类可以分为由碎石桩、砂桩、矿渣桩等材料制作的散体材料桩复合地基和粘结材料桩复合地基，粘结材料桩复合地基又包括石灰或石灰桩、水泥搅拌桩、旋喷桩等柔性桩复合地基和CFG桩、木桩、钢或钢筋砼桩等刚性桩复合地基。

桩体复合地基是水工建筑物采用的主要地基形式，其加固区是由非均质且具有各向异性的基体和增强体两个部分组成，这也是复合地基和均质地基的本质区别。桩基础由桩独立承受荷载作用，但复合地基中的基体和增强体会共同承担荷载作用。近年来，由桩和土通过协同变形共同承担直接荷载的摩擦型桩正在成为地基处理措施的重点发展方向，桩土共同作用的摩擦型桩符合刚性桩复合地基的基本特征，因此在计算中可以应用复合地基理论。

1.3 复合地基的优化设计

优化设计是指依据优化原理和现有工程条件采用计算机计算出最优设计方案，在优化设计在实践应用中需要考虑设计变量、目标函数、约束条件三个主要影响因素。复合地基的优化设计必须立足于设计意图，复合地基通常情况下需要满足提高地基承载力、减少地基沉降、在提高地基承载力的同时减少地基沉降三个设计目标其中的一个，然后根据设计意图确定具体的优化设计思路。

1.3.1 提高地基承载力。为了提高复合地基的承载力，需要对地基的承载力进行严肃算，确保沉降量能够达到工程的合理使用需求。当核算结果不符合相关技术规范中的规定时，可以通过合理措施将承载力提高到技术规范中规定的标准范围内。桩的测摩阻力和桩端阻力共同决定了预制桩复合地基中预制桩提的承载力，预制桩基承载力的提升可以通过加大桩体长度的方式来实现。

1.3.2 减少地基沉降。为了尽量降低地基的沉降量，在设计之初可以选用最小的沉降控制值，然后根据工程的使用需求情况对地基承载力进行核验。根据实践经验，能够满足沉降需求的设计承载力通常也在相关设计规范允许的范围内，否则可以采取合理增大复合地基置换率、增加桩体长度等方式将地基承载力调整到相关技术规范规定的合理范围内。

1.3.3 在提高地基承载力的同时减少地基沉降。安全性、适用性、耐久性、经济性、可持续发展是工程设计中必须遵守的五项原则，其中首要的是安全性原则。对于既要提高地基承载力又要减少地基沉降的复合地基更应注重设计方案的安全性，在满足地基承载力要求的前提下采取合理措施减少地基的沉降量。

2 底板、桩和桩间土之间的相互作用

为了将闸站工程的基础均匀落在地基上，闸站底板及其中上部结构与预制桩、桩间土在相互作用、相互影响中共同构成了完整的工程体系。桩体和桩间土的承载力是当前闸站工程预制桩复合地基设计中主要考虑的承载力因素，对于底板及其上部结构对地基和桩体造成的应力影响则被排除在考虑因素之外，因此造成了闸站工程建设资金的浪费，并对其安全性产生了不利影响。地基和框架结构共同作用的概念及其计算公式由梅耶霍夫于1947年首次提出，自此地基和上部结构的共同作用机理成为工程界和学术界的重要关注和研究对象。

桩和桩间土的荷载分担比：根据对预制桩复合地基闸站底板、桩和桩间土之间的相互作用性状开展的计算机模型试验数据分析结果，在完建期工况、设计工况、校核工况和检修期工况下，地基土和占底板面积88%～90%的大部分闸站底板底面的中间部位基本没有发生接触，仅仅在底板垂直水流方向占底板面积约10%～12%的两侧端部位置上产生了轻微的接触。导致这一现象的主要原因是地基土和底板在闸站两侧边较大的荷载作用下发生局部脱空。因此，在设计和施工过程中需要通过施工组织设计对闸站两侧的填土情况进行优化调整，或者采取其他措施消除荷载对闸站两侧底板造成的影响，实现复合地基加固区域的扩展。总而言之，在上述四种工况下，垂直和水平向荷载的共同作用导致闸站的地基土和闸站底板地面之间产生了比较紧密的接触，基本不存在脱空现象。

2.1 竖向荷载分担比

根据计算机取得的实验数据，在底板底面的进出水侧边缘处，地基土和闸站底板地面在接触中产生了稍大的压强，底板底面进水侧齿坎部位与节制闸、泵站底板的分缝处产生了压强的最大值。由于预制桩设置在闸站底板的中间部位，从闸站上部传递而来的荷载主要由协同桩间地基土承担，分散了原本应由桩间地基土承担的竖向荷载，因此闸站底板中间部位仅产生了较小的接触压强。通常情况下，闸站工程会在完建期达到固结压缩量的最高峰值，底板和地基土在地基土固结压缩过程中存在一定发生脱空的可能性，桩间地基土承担了较小的荷载份额。

2.2 横向荷载分担比

在闸站底板和地基土的摩擦作用下，闸站底板和地基土的接触面在任何计算工况下都会出现剪应力分布。上、下游侧齿坎处在所有工况下的剪应力均为最大值，应力较小处为接触面的中间部位。造成这一现象的原因是上游齿坎和桩间土体在水平荷载作用下发生挤压，而挤压作用在下游齿坎和桩间土体上较弱，甚至土体与齿坎之间会出现脱离。

由于预制桩顶附近土体表面的剪应力在土体压缩固结后与天然土体的抗剪能力相去甚远，随着水平荷载的增加，桩顶附近土体表面的剪应力也会相应增加，因此桩间地基土的水平荷载分担额在检修工况下达到了19.49%的最高峰值。由于预制桩和桩周地基土的相互作用产生的效应会随着上部荷载的增加而相应的增强，预制桩群的位移在校核工况下达到了最大值，因此桩间地基土在校核工况下仅分担了11.21%的水平荷载，达到了最低值。由此可见，预制桩桩体承担了更多的水平荷载。

3 预制桩复合地基在外部荷载影响下的变化规律

3.1 地基沉降的变化规律

根据模型计算结果显示的预制桩复合地基在不同特征水位情况和竖向荷载影响下的沉降趋势，预制桩复合地基在某种工控下的水平向荷载作用范围内沉降值会随着竖向荷载的增加而相应增加，较为明显的预制桩和桩周土的协同作用与变形效果显示了闸站上部竖向荷载对预制桩复合地基的最大沉降值具有比较显著的影响。

3.2 桩体水平位移的变化规律

由于闸站底板和桩间土之间的接触作用会随着竖向荷载的增加而增强，导致两者之间的压强也相应增加，相较于其他情况，预制桩桩体承担的水平荷载会有所下降。因此，预制桩复合地基桩顶的水平位移在某种工况下的水平向荷载作用范围内会随着竖向荷载的增加表现出逐渐下降的变化趋势。由此可见，预制桩复合地基桩顶的水平位移会在一定程度上受到竖向荷载的影响。

3.3 桩间土体荷载分担比的变化规律

由于闸站底板和桩间土之间的接触作用会随着竖向荷载的增加而增强，导致两者之间的压强增大，相较于其他情况，预制桩桩体承担的水平荷载此时会有所降低。因此，预制桩复合地基桩顶的水平位移在某种工况下的水平向荷载作用范围内会随着竖向荷载的增加而表现出逐渐下降的变化趋势。由此可见，预制桩复合地基的桩顶水平位移在一定程度上会受到竖向荷载的影响。