水利工程中几种常见地基问题及处理方法

2023-07-09李会兴

海河水利 2023年6期

关键词：单桩特征值承载力

李会兴

（天津市水务规划勘测设计有限公司，天津 300204）

1 简述

水利工程分布地域广阔，有相当多的水利工程建设在河口、沿海、湿地、山区，地质条件复杂多样、建设条件较差。各类建筑物的地基作为支承建筑物基础的载体，其稳定性一直都是工程设计和建设者关注的重要内容。

地基是建筑物下面支承基础的土体或岩体，按地质情况分为土基和岩基，按设计施工情况分为天然地基和人工地基。土基由碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土等各类不同的土体组成，岩基由岩石构成。相对于土基来说，岩基性质稍好。

天然地基是在自然状态下即可满足承担基础全部荷载要求，不需要人工处理的地基。人工地基是天然地基不能承载基础传递的全部荷载，需要通过一定的处理措施干预后形成的地基。本文主要研究土质地基。

2 工程地质勘察

各类建筑物建造在地基之上，构成地基的土层分布，土的松密程度、压缩性的高低、强度的大小，地下水的深度与水质情况、附近是否存在不良地质现象等，都关系着建筑物的安危。因此，通过工程地质勘察查清地基土的真实状况是工程设计的重要前期工作，工程地质勘察成果是工程设计的重要依据之一。

在工程地质勘察工作中，勘察内容、工作量和工作方法应根据场地的复杂程度、建筑物的规模及等级、对建筑物场地地质条件的研究程度和当地经验、建筑物的基础型式等因素有针对性的确定。通过钻探法、触探法、掘探法等勘察手段，查清工程范围内工程地质情况，包括场地位置、地形地貌、地质构造等。对不良地质现象要重点关注，并提醒工程设计人员注意。工程地质勘察应详细描述场地的地层分布、岩土构成、各土层的均匀性、地下水埋藏深度和土层的冻结深度，通过实验确定场区各层土体的物理力学性质、地基承载力指标、地下水侵蚀性等。详实、可靠的工程地质勘察资料是工程设计的基础，也是在工程设计中判定地基是否存在问题并选取适宜的地基处理方法的重要依据。

3 工程中常见的地基问题

水利工程中，常见的地基问题主要分为3 类，即地基承载力和稳定性问题、沉降和水平位移问题、渗流问题。

3.1 地基承载力和稳定性问题

地基承载力和稳定性问题是指地基承载力不能满足建筑物荷载要求，在建筑物荷载作用下地基发生局部或整体剪切破坏，影响建筑物的正常使用甚至损毁。

作为建筑物基础的支承体，地基的承载力需要满足上部荷载的要求，能在上部建筑物基础传递下来的荷载作用下保持稳定。

造成地基承载力不足的土体有软黏土、泥炭土、膨胀土等，这些土体承载力较低，容易引起地基失稳问题。

软黏土是软弱黏性土的简称，包括淤泥、淤泥质土等。淤泥和淤泥质土主要是第四纪后期形成的滨海相、澙湖相、三角洲相和内陆河湖相等的黏性土沉积物或河流冲积物，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0。当天然孔隙比大于1.5时，称为淤泥；当天然孔隙比大于1.0 小于1.5 时，称为淤泥质土。这类土的天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数小。在荷载作用下，软黏土地基承载力较低，易发生地基不稳定问题。软黏土地基在工程中较为常见，一般需要处理后才能供工程使用。

泥炭土是在潮湿和缺氧环境中未经充分分解的植物遗体堆积而成的一种有机质土，有机质含量大于60%，其含水量高、压缩性大且不均匀。

膨胀土是指黏粒成分主要由亲水性黏土矿物组成的黏性土，在环境温度和湿度变化时可产生强烈的胀缩变形。

软黏土、泥炭土和膨胀土都是引起地基不稳定性问题的不良土质。

3.2 沉降和水平位移问题

当地基荷载过大将会产生变形，地基变形过大将导致建筑物沉降或水平位移。当建筑物不均匀沉降超过地基所能承受的范围，建筑物将产生过大裂缝、不能正常使用，也可能使建筑物整体失稳、倾覆，给工程带来严重后果。

3.3 渗流问题

当地基承受较大的水力比降，土体中部分颗粒被水带走形成较大空洞，使地基承载力大幅下降，导致地基失稳、建筑物破坏，是土质地基中常见的渗流破坏问题。

土洞是岩溶地区上覆土层被地下水冲蚀或被地下水潜蚀所形成的洞穴。因土洞的形成将在原本密实的地基下方形成空洞，因此容易造成地面变形、地基陷落，对建筑物安全影响很大。另外，管涌和流土也是土质地基常见的渗流问题。

水利工程中的地基问题往往不是单一存在的，在工程设计和建设中，常会遇到天然地基存在上述3 类问题中的一种或几种。因此，需要采取措施处理好全部地基问题，形成满足建筑物对地基安全、可靠要求的人工地基，供工程建设使用。

4 地基处理方法

针对地基存在的问题，需要采用人为干预措施进行处理，使之满足相关使用要求。目前，常用的地基处理方法可以归纳为置换、排水固结、灌入固化物、振密和挤密、加筋等几类[1]，具体处理方法及适用范围详见表1。

表1 地基处理方法及适用范围

选取地基处理方法，应首先研究天然地基地质情况及水文地质条件，弄清楚地基土体构成及存在问题，然后有针对性地选择。地基处理方法的选择，应能改善地基性质，确保工程安全，同时兼顾经济性，力求以较少的资金投入解决较大的实际问题。

同一种地基问题往往有多种解决方法，为此在确定地基处理方案前，应提出几种可行的方案，通过技术经济比较，选取技术上可靠、经济上合理、满足施工进度、对周边环境影响小的最佳地基处理方案[2]。

深层搅拌法和钢筋混凝土桩法是2 种常用的地基处理方法，因其可靠性较高被广泛应用于地基处理工程。本文对此2种地基处理方法的设计进行论述。

5 深层搅拌法复合地基设计

深层搅拌法是将水泥等固化物和地基土搅拌成圆柱状的桩体，与桩间土形成复合地基，提高地基承载力，改善地基性质。

设计中，分别进行水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值、复合地基承载力特征值计算，选取其中的较小值作为深层搅拌法复合地基承载力设计值。经计算，处理后的复合地基承载力设计值应能满足承受上部建筑物荷载的要求。

5.1 单桩竖向承载力特征值计算

水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值Ra按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）中的2 种方法分别进行计算，并选取2 种计算方法所得结果中的较小值作为水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值。

（1）方法1。Ra按下式计算：

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值（kN）；up为桩的周长（m）；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值（kPa）；lpi为桩长范围内第i层土的厚度（m）；αp为桩端端阻力发挥系数；qp为桩端端阻力特征值（kPa）；Ap为桩身横截面面积（m2）。

（2）方法2。Ra按下式计算：

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值（kN）；fcu为与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为70.7 mm 的立方体）在标准养护条件下90 d 龄期的立方体抗压强度平均值（kPa）；η为桩身强度折减系数，取0.25；Ap为桩的截面积（m2）。

5.2 复合地基承载力特征值计算

复合地基承载力特征值计算公式为：

式中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；λ为单桩承载力发挥系数，取1.0；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap为桩身横截面面积（m2）；β为桩间土承载力发挥系数；fsk为桩间土承载力特征值（kPa）。

6 钢筋混凝土桩法地基设计

钢筋混凝土桩法是在现场开孔至所需深度，随即在孔内放置钢筋笼、浇筑混凝土，经捣实后成为钢筋混凝土桩。钢筋混凝土桩法地基用于解决地基承载力不足、不均匀性较差等问题，也是解决水平力较大的主要处理措施之一。钢筋混凝土桩设备简单、施工方便，承载能力大，不受地下水位的限制。钢筋混凝土桩的布置一般采用矩形或梅花形，桩数根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）通过计算确定。

6.1 钢筋混凝土桩法地基设计原则

（1）由于桩间土与桩体刚度相差较大，计算中不考虑桩间土的作用，竖向荷载和水平荷载全部由桩承受，桩顶与建筑物底板刚性嵌固，桩顶转角为零。

（2）不考虑各桩受力后弹性变形不一致的影响。

6.2 单桩竖向承载力特征值的确定

采用《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）相关公式，计算大直径单桩竖向极限承载力标准值：

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值（kN）；Qsk为单桩总极限侧阻力标准值（kN）；Qpk为单桩总极限端阻力标准值（kN）；u为桩身周长（m）；φsi为大直径桩侧阻尺寸效应系数；φp为大直径桩端阻尺寸效应系数；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值（kPa）；qpk为桩的极限端阻力标准值（kPa）；lsi为桩穿越第i层土的厚度（m）；Ap为桩身横截面面积（m2）。

通过单桩竖向承载力标准值Quk计算单桩竖向承载力特征值Ra：

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值（kN）；K为安全系数，取2；Quk为单桩竖向极限承载力标准值（kN）。