上海地區水利工程地基處理簡述

文/顧晶

引言

上海地區水利工程主要包括海堤、泵站、水閘、防汛墻、河道護岸等多種水工建筑物型式。上海地處長江河口平原河網地區，地質構造屬揚子淮地臺東緣之江南臺隆東部，前震旦紀變質巖構成了本地區的基底，其后陸續發育了震旦系，古生界、中生界第三系地層。第四紀以來又相繼沉積了海陸相間的松散沉積物，成為本地區人類工程經濟活動關系密切的巖復蓋層，也即通常意義上的軟土層，其構成的建筑物地基為軟土地基。根據上海地區水利工程多年的經驗，為保證水工建筑物承載力和變形的要求，一般需對地基進行處理。

一、上海地區水利工程地基處理基本特點

大量工程實踐表明，上海地區水利工程地基處理具有以下幾方面的特點：

1.由上海地區水利工程的受力機理和方式可知，其水工建筑物的基礎不但需承受較大的豎向荷載，還需同時承受較大的水平荷載。地基處理需確保水工建筑物在各種荷載作用下和各種工況條件下具有足夠的穩定性，并保證水工建筑物的變形在功能要求允許的范圍內。

2.對于上海地區水利工程，軟土地基處理需涉及土力學中穩定、變形和滲流等三個基本課題，有時其中兩方面或三方面會同時成為工程主要控制因素。

3.隨著上海地區城市環境要求的逐漸提高，城市水利建設也進入了前所未有的發展階段，周邊建筑物林立，管線復雜，使水利工程的建設受到周邊環境較大的限制和制約，為了保證工程的順利進行，需采取基坑圍護的方式。

4.上海地區水利工程一般周邊環境較為復雜，水利工程地基處理往往需要進行沉樁，為了防止打樁產生的噪音和振動影響周圍居民的生產、生活，以及防止沉樁擠土、基坑開挖和降水危及鄰近的建筑物、道路交通和地下管線設施，必須采取經濟合理而有效的環保措施，這已成為當前上海地區水利工程設計和施工方案的重要組成部分。

二、上海地區水利工程地基處理的現狀

目前各行業和地方根據各自的特點分別制定了專門的有關地基處理方面的規范，如港口行業、建筑行業、交通行業等，而水利行業由于涉及面廣、情況復雜，至今未專門針對地基處理方面的內容編制相應的規范，僅包含在特定工程規范中，其運用范圍也做了較多的限制，其有關地基處理方面的內容難以滿足軟土地區水利工程地基處理的需要，因此目前上海地區水利工程地基處理在滿足水利行業相關規范的前提下，一般還需參照國家、行業和地方相類似的規范、規程進行設計和施工。因此上海地區水利工程地基處理的發展基本與上海地區建筑、市政、港口等其他行業地基處理的相關發展同步。

（一）現行規范

目前可應用于上海地區水利工程作為地基處理設計與施工常用規范如下：

水利行業標準——《水閘設計規范》（SL265—2016）；《碾壓式土石壩設計規范》（SL274—2001）；《水工建筑物抗震設計規范》（SL 203—1997）；

上海地區地方規范——《地基基礎設計規范》（DGJ08—11—2010）；《地基處理技術規范》（DG/TJ 08—40—2010）；《鉆孔灌注樁施工規程》（DG/TJ 08—202—2007）。

（二）理論計算

1.天然地基承載力的計算

目前國內外天然地基承載力的計算方法非常多，理論系統也不完全相同，受歷史的原因，以及由于我國國土遼闊，地質情況差異非常大，造成現狀國家標準、行業標準和地方標準推薦采用的理論體系和計算方法不盡相同。以上海地區水利工程為例，《建筑地基基礎設計規范》和《水閘設計規范》推薦采用按塑性平衡理論，根據地基塑性變形區的開展范圍確定地基承載力。上海地方規范則運用地基極限承載力的概念，推薦采用漢森公式，設計公式中考慮了分項系數，與工程結構可靠度設計統一標準的設計原則相一致。但在工程具體設計時，應根據區域的工程經驗和具體情況采用不同規范進行對比計算和復核驗證。

樁基豎向承載力的計算各規范均要求按現場靜載荷試驗確定，對于初步設計階段，根據地區經驗采用樁端端阻力和樁側摩阻力對樁基的承載力進行估算。但不同的規范之間仍存在不同的理論體系和計算模式之間的矛盾。

樁基水平承載力的計算方法有m法、c法、k法、P-y法、N-L法等，目前應用上海地區實際工程仍以m法最為普及。

2.沉降變形計算

目前國內各規范在計算天然地基沉降變形一般采用應力面積法通過分層總和進行計算，然后通過各地區的沉降觀測資料和經驗確定沉降經驗系數進行修正。上海地區也采用類似的方法，由于適用范圍較小，地質條件相對比較單一，因此經驗系數的變化范圍比國家標準窄。

對于樁基沉降的計算方法，上海地區根據大量工程的經驗和對實測數據的分析，將Mindlin課題的應力解引入到樁基沉降計算中。國家標準《建筑地基基礎設計規范》考慮到實際應用的方便，以及以往工程的經驗，保留了實體深基礎的計算方法。

對于由規范方法計算得到的沉降值僅為最大平均沉降值，未推薦不均勻沉降和差異沉降的計算方法，為了滿足工程的需要，工程人員也只能根據各自的經驗對其進行估算。

3.滲流計算

上海地區水利工程的滲流計算一般按照《水閘設計規范》推薦的改進阻力系數法進行計算，在有條件或工程需要的前提下也可采用流網法進行計算。

4.邊坡整體穩定計算

上海地區水利工程的邊坡整體穩定計算主要采用瑞典條分法、簡化的畢肖普法和有效固結應力法，但在計算參數取值上不盡相同，在具體應用時，應從盡可能接近工程的實際應力狀態情況以及根據不同工況選取合理的計算參數，從而保證工程計算的合理性和精確性。

隨著有限元計算方法應用的逐漸普及，以上各計算內容在許多重大工程中也逐步運用有限元的方法進行計算復核。

5.計算軟件

由于巖土工程的復雜性，因此涉及有關地基處理的計算軟件也非常多，目前上海地區水利工程地基處理應用較為廣泛、工程技術人員較易掌握的軟件主要有理正軟土系列計算軟件、同濟啟明星系列計算軟件以及各設計單位編制的專業計算軟件。對于處理一些較為復雜的工程問題，也可運用巖土專業分析軟件進行計算，如：Plaxis、Ansys-CivilFEM、3-σ、MSC.Marc、Flac3D等等。

（三）地基處理常見型式

根據上海地區水利工程的類型，其相應的地基處理方式主要包括樁基（以剛性樁為主，如：預制樁、PHC管樁、鉆孔灌注樁、鋼管樁等）、地下連續墻、SMW工法樁、高壓噴射注漿、水泥土攪拌法、排水固結法、反壓坡法等。其中水利控制工程以樁基應用最為廣泛，海堤工程以排水固結最為廣泛。

基坑圍護的方式主要包括地下連續墻法、排樁法（如鉆孔灌注樁、鋼板樁等）、SMW工法、重力式墻體法（如水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁等）、放坡開挖法、土釘墻法等。

以上各處理方式均有一定的適用條件，一般需根據具體工程，結合地質條件、周邊環境情況、施工可行性、工程造價等多種因素綜合確定。

三、上海地區水利工程地基處理關鍵技術研究展望

（一）新材料、新工藝以及新技術在軟基處理中得到開發和應用

利用鋼纖維、碳纖維材料解決水利工程耐久性和安全性問題，減小地下結構的裂縫開展寬度；摻合泡沫材料制成的輕質地基土可以解決高填土的問題，減輕設計施工荷載；許多新型土工結構型式得以開發，如采用地下連續墻形成開放式沉井作為水工結構的基礎型式等；在新工藝方面，對于軟基處理，效率更高的排水固結工藝、深層攪拌、超級高壓旋噴工法等得到開發及應用。

（二）環境土力學和環境水利工程相結合

在密集的城市地區無論進行何種形式的工程施工都會對周邊建（構）筑物產生影響。因此，為盡可能減少工程建設對周圍環境的影響，應研究發展對周圍土體擾動小的施工方法，并強調基于現場檢測的信息化動態施工反饋技術的應用，同時開展新的理論方法研究，將環境土力學與環境水利工程有機系統地結合。

（三）土力學與城市防災減災的研究

近年來，地震、臺風、暴雨、洪水等自然災害中如何保證水利工程等基礎設施的安全，對城市的災害降到最低，成為一個熱點問題并引起重視。如暴雨時邊坡穩定的問題、地下公共工程防汛問題、如何通過地基處理等巖土力學手段提高城市抵御大地震災害的能力等。因此應開展土動力學與抗震減災理論的研究和對策，以及城市水利工程災害、風險分析和控制的研究。

（四）海洋土力學理論和應用的研究

圍海造地是上海地區解決土地問題首選策略，隨著社會經濟的進一步發展，這方面的力度還在不斷加大。隨著深水中海堤的建設，堤前高灘沒有了，帶來的不僅是河勢和生態上的問題，直接面臨的是防臺保安問題。因此開展波浪往復荷載作用下地基土的弱化效應、海洋地基土的動力特性、海堤等結構物變形與穩定、海岸工程抵御海洋災害能力的研究是保障城市安全和減少城市災害的前提。

四、結束語

隨著上海城市經濟的發展，大城市的基礎設施、城市防洪等生命線工程的建設得到了空前的發展，城市水利工程建設要求達到環境水利的高度。今后針對上海軟土地基的特征，基坑維護的研究方向或更注重數學、地質、結構、信息、管理、地球科學、海洋、環境、能源等學科的融合，以及智能化預測和監測、可視化仿真等信息化手段的運用。