水閘設計中沉降控制復合樁基應用

紀中庭

(巴州水利水電勘測設計院，新疆 庫爾勒 841000)

水閘設計中沉降控制復合樁基應用

紀中庭

(巴州水利水電勘測設計院，新疆 庫爾勒 841000)

水利工程中常常會遇到在軟土中施工的情況，其中地基沉降現象嚴重影響了水閘的施工質量。沉降控制復合樁是一種能控制地基沉降的有效施工方式，而水閘是水利工程施工建設中最主要的組成部分，因此，將此施工基礎運用于水閘的設計當中，可以讓水閘的下部樁基布置不斷的優化，進而減少地基的沉降幅度，增加軟土基水閘施工的穩定性和安全性。

軟土地基；水閘設計；沉降控制；復合樁基

我國的地域比較遼闊，河流眾多，在水利工程項目建設不斷增加的情況下，也面臨非常大的困難。由于河流兩岸的土地比較松軟，因此在軟土地基上進行施工，面臨最大的問題是地基沉降問題，如果水閘建設期間遇到軟土地基沉降現象，不僅影響工程的施工進度，而且還會為水閘以后的工作埋下安全隱患，不利于水閘的長久工作。但隨著水利工程建設技術的不斷進步發展，水閘在軟土地基中施工可以采用沉降控制復合樁來避免其沉降問題，如何才能更好的運用沉降控制復合樁基技術是目前水利工程水閘設計建設中急需解決的問題[1]。

1 工程實例

某水閘的地理位置比較優越，閘底板總共長為22 m，寬10 m，水閘底板上部的荷載量最大可以達到35 653 kN，水閘的基底埋深在天然地面以下2 m，地基土層為沙質粉土，基底埋深為1.5 m，而水閘在天然情況下沉降量在16 cm左右。此水閘的天然沉降量比《水閘設計規范》中的要求要高，在《水閘設計規范》中要求為15 cm，因此，在水閘樁基礎施工期間，一般采用摩擦型樁，這樣將降低水閘樁基的沉降率，同時采用的樁基根數和尺寸是根據水閘底板底面以上的全部荷載來確定，因此，水閘樁基的布置要實施正方形的預制方樁，一般大小為0.4 m×0.4 m的樁基，預制方樁的長度可以選擇23 m，每一個預制方樁的間距可以保持在2 m之間，水閘樁端主要位于黏質粉土中，該處的樁基主要考慮其支撐水閘的豎向荷載，它的沉降值一般在2.2 m。

除了考慮豎向的荷載樁基礎承擔之外，還要考慮底板以下地基的樁基共同承擔的外荷載部分，這樣才能相互結合，進而促使水利工程樁基布置的全面優化[2-4]。

根據當地的勘查單位提供的水利工程水閘地質勘查報告，水閘工程施工范圍的各土層地質參數情況，見表1。

2 設計原理

2.1 復合樁基的要求

在進行沉降控制的過程中，復合樁基要滿足長細比80～100的比例要求，同時保持樁間距應為樁直徑尺寸的5～6倍，此外，復合樁基打入的持力層應當為壓縮性比較低的土層，承臺埋入的深度尺寸滿足建筑物主體高度1/15以上的要求[5]。

樁基與承臺共同承擔外界施加的荷載，而總體設計原則是在承臺底面位置計算得到的荷載值應當大于所采用的復合樁基單根荷載能力標準值加和以后的值，而樁基本身需要承擔單個復合樁極限承載能力加和以后得到的荷載值，承臺下面的地基則用于承擔余下的荷載值[6-7]。如果承臺底面計算得到的荷載值小于等于所采用的復合樁基單根荷載能力標準值加和以后的值，則全部荷載都需要由樁基自身來承擔，地基則不再承擔荷載。

表1 水閘工程地質參數表

復合樁基自身所產生的沉降問題一般由兩類原因導致，一是附加荷載作用下，加固區會產生沉降，是在對樁頂進行灌注樁操作時產生的沉降現象。根據彈性理論，一般在計算沉降情況時，會從單根復合樁基所產生的應力情況出發，按照簡單疊加的方式計算出全部復合樁基會對地基產生的應力之和，之后再根據此應力值進行沉降情況的計算。這種按照簡單疊加方式進行的計算，能夠充分考慮到單根樁基長度、樁基數目、樁基距離等參數對于整體沉降效果計算產生的影響，因此，具備較好的科學性和合理性。

2.2 沉降值計算

令建筑物的荷載永久組合值標記為P，承臺的地基土體自身重量產生的重應力為σc，承臺下采用的復合樁基數量為n，其中單根樁基最大的承載力為Rk，排除掉浮力影響以后，單根樁基自身重量產生的重應力為σpk。首先，計算n根樁基由樁頂位置附加的荷載所引起沉降情況，其中沉降經驗系數取值為1.0。

(1)

式中：s為全部樁基的總體沉降情況， mm；T為樁基的平面以下位置、沉降范圍內的土層數，層；ψm為沉降經驗系數，本文中選取為1.0；E為自重和外界附加壓力所產生的壓縮模量差，MPa；σz,j,i和Ht,i分別為樁基在平面以下位置土體所產生的豎向附加力和豎向的厚度數值， Pa和m。

(2)

式中：σc為單根樁基的沉降情況，mm；Q為單根樁基所需要承受的荷載計算值，kN/m2；L為樁基的長度，m；a為在計算沉降荷載時樁端產生阻力所占的比例，而1-a則表示樁側摩擦產生的阻力所占比例；I為阻力的應力影響系數，而下角標p,k,j分別代表的是樁端、樁側、樁基的根數，根。

其次，對于由承臺附加荷載所引起的樁基沉降情況計算公式為：

(3)

式中：s為計算得到的沉降值，mm；ψm為沉降經驗系數，本文中選取為1.0；P0為地面產生的基礎的附加壓力，Pa；n為地基的土層數目，層；i為土層系數，δ為沉降系數；Es,0.1-0.2低級的壓縮模量，具體計算的是0.1～0.2 MPa條件下的值，MPa。

3 沉降計算分析與樁基優化設計

本項目中關于沉降計算和樁基優化設計的相關內容都遵守《地基基礎設計規范》(DGJ 08-11-2010)中的相關內容。

3.1 水閘沉降情況與所使用樁基長度的關系

在軟土地基水閘沉降控制復合樁基的應用設計中，在樁數、樁距、樁端持力層情況相同的情況下，隨著樁基長度的加長沉降值會逐漸減小。當樁基的樁端向下深入到淤泥質黏土層后，隨著樁基長度的加長沉降值會出現急速下降的情況，一般能夠達到樁基長度每增加1 m，沉降值就會減少10～20 mm。而當樁端向下深入到含沙淤泥質黏土層時，隨著樁基長度的增加沉降值仍然會下降，但是下降的速度就非常緩慢了，一般樁基長度每增加1 m，沉降值只能減小1～6 mm。因此，在軟土地基水閘設計中使用沉降控制復合樁基，選擇淤泥質黏土層作為持力層，一方面控制沉降的效果好，另一方面也能節約施工成本。在本工程中，為了較好的控制樁基的持力層位置，應當盡量確保樁基的終端在淤泥黏土層中，而盡量與含沙淤泥質黏土層保持一定的距離，本項目選用的樁基長度為23 m。

3.2 閘底板沉降情況與樁數、樁距的關系

在確定樁基樁長之后，要對具體的樁數和樁距進行計算，復合樁的長度可選擇為23 m，當樁數選擇為32根、樁距確定為7 m時，由公式(1)～(3)計算可得沉降值為75.6 mm，而樁數確定為49根、樁距為5 m時，沉降值達到66.7 mm。對比兩種沉降值后能夠發現，雖然后者的沉降值更為合理，但使用的復合樁基數目差距非常大，從施工成本角度綜合分析后，本項目采用沉降值達到75.6 mm的方案。

3.3 方案的可行性驗證

在軟土地基水閘涉及的沉降控制復合樁基實際應用的過程中，針對摩擦型的樁基，由于樁基和樁基之間的土體有摩擦產生的阻力，因此能夠分擔一部分主體產生的荷載。因此，可以將10%～15%的荷載去掉，剩余的荷載作為實驗計算中所需要考慮的荷載，在實際應用中，方案也是安全、可行的。

以本項目的方案為例，P值為35 673.5 kN時，閘底面積為403 m2，此時計算可得復合樁基所需要承受的荷載值為23 918 kN，而樁基數目為31根，單根樁基荷載能力為699.5 kN，復合樁基整體能夠承受的荷載值為21 684.5 kN。由數據對比可知滿足大于計算得到的復合樁基需要承載的荷載值的85%～90%的要求，因此，這個計算方案在實際應用中是安全、可靠，且具備經濟性的。

4 結 論

在具體應用過程中，需要充分考慮地基的實際情況，從樁基長度、樁基數目和樁基距離等方面進行科學計算，同時兼顧樁基的經濟性、安全性、可行性和可靠性的要求，在滿足工程實踐條件的情況下，提升復合樁基的施工水平，保證軟土地基水閘的使用安全性。本文根據《地基基礎設計規范》(DGJ 08-11-2010)中沉降控制復合樁基理論，對于工程實踐中的具體項目進行沉降控制方案設計，在保證水閘結構安全的情況下，控制混凝土的使用總量，降低了工程造價。

[1] 李宏峰.軟土地基水閘設計中沉降控制復合樁基應用的價值分析[J].中國水運(下半月),2015(2):179-180，182.

[2] 徐炳林.軟土地基水閘設計中沉降控制復合樁基應用實踐[J].珠江水運,2015(24):70-71.

[3] 胡翀宇.軟土地基水閘設計中沉降控制復合樁基應用研究[J].山西建筑,2016(4):54-55.

[4] 黃智鑫.沉降控制復合樁基在軟土地基水閘設計中的應用[J].中國水運(下半月),2014(6):352-353，363.

[5] 陳新.軟土地基沉降控制復合樁基的設計計算[J].中國市政工程,2012(1):21-23.

[6] 尹威.應用沉降控制復合樁基理論對軟土地基進行加固[J].西部探礦工程,2007(8):41-42.

[7] 唐潔.沉降控制復合樁基承臺設計研究和工程應用[J].建筑施工,2011(6):471-472.

紀中庭(1984-)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事水利工程設計工作。E-mail：396677980@qq.com。

TU473.1

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2096-0506(2017)07-0084-03