粉噴樁在水閘軟土地基處理中的應(yīng)用研究

劉會(huì)橋

(寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司廣州分院，廣東 廣州 510000)

在工程建設(shè)中，天然巖土體可直接作為地基的情況較少，多數(shù)情況下需要對(duì)天然巖土體進(jìn)行處理，從而獲得較高的承載力，以滿足工程建設(shè)運(yùn)行的需求。樁基是目前較為常用的一種地基處理方式，有較多的研究人員對(duì)樁基設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。牛曉松從樁基檢測(cè)角度出發(fā)，研究了不同地質(zhì)環(huán)境中地基檢驗(yàn)的方法，取得了良好的效果。張曉健等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法分析樁基的負(fù)摩阻力，認(rèn)為在土石混合料地基后期會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生較大的負(fù)摩阻力，將會(huì)嚴(yán)重影響到樁基的承載力。付灝等以實(shí)際工程為例，研究了污水處理池采用樁基解決沉降問(wèn)題的設(shè)計(jì)方法。馬文杰等使用試驗(yàn)方法研究樁基的長(zhǎng)徑比對(duì)其承載力的影響，長(zhǎng)徑比的增加使得樁側(cè)摩阻力在承載力的比重中增大。吳志龍等研究樁基軸向的剛性系數(shù)與橫梁內(nèi)力的關(guān)系，剛性系數(shù)改變引起橫梁內(nèi)力變幅在9%～27%之間。宋波等使用室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了不同樁基類型的地震動(dòng)力響應(yīng)及損傷特征，認(rèn)為鋼管斜樁具有較好的抗震效果。李延雙等對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下樁端承載力失效機(jī)理進(jìn)行研究，并針對(duì)工程特點(diǎn)提出了處理措施，取得了良好的效果。王亮、周德卿等、梁艷軍分別以不同的工程實(shí)際為例，介紹了樁基的施工工藝。

1 工程概況

某水閘工程的主要任務(wù)是防潮排澇，同時(shí)還可以起到調(diào)水以及改善當(dāng)?shù)厮h(huán)境的作用。水閘布置在河道位置，其中管理房位于河道左岸，水閘下游32m處。水閘結(jié)構(gòu)為3孔上翻式平面鋼閘門，呈線形排列，總寬度為43.82m，凈寬36m。通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查，查明了水閘處的巖土體類型，從上向下依次為人工填土層、第四系淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等及下三系砂巖。下三系砂巖灰褐色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯較完整，呈短-長(zhǎng)柱狀，節(jié)長(zhǎng)5～70cm，為較軟巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。該層所有鉆孔均有揭露，層厚3.00～8.30m，平均為6.07m，基巖強(qiáng)度較好，可作為樁基礎(chǔ)的樁端持力層。

2 地基處理方案選擇

河道處修建水閘，其地基特點(diǎn)是埋深較淺、厚度較大、強(qiáng)度較低、易變形、表層淤泥及淤泥質(zhì)砂土中含有有機(jī)質(zhì)，因此天然地基難以直接作為建筑物的地基，需要對(duì)地基進(jìn)行加固處理。目前常用的樁基處理方案見表1。

綜合以上所述，本著結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理的原則，本工程擬采用多種方案結(jié)合的地基處理方案。閘室主體結(jié)構(gòu)對(duì)地基沉降要求高，采用沖孔灌注樁地基處理方案。消力池等次要部位采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基，既能滿足結(jié)構(gòu)沉降要求，經(jīng)濟(jì)性又較好。

表1 不同方案樁基對(duì)比

表2 數(shù)值模擬參數(shù)選取

3 加固地基變形分析

3.1 數(shù)值模擬模型建立

閘室地基處理采用混凝土灌注樁，樁徑1.0m，樁長(zhǎng)14.0m，共布樁72根。混凝土灌注樁按端承樁設(shè)計(jì)，樁端進(jìn)入微風(fēng)化巖層不小于2.0m，采用C30混凝土，樁頂與水閘底板錨固，進(jìn)入水閘底板0.1m。根據(jù)水閘閘室設(shè)計(jì)、地層剖面和樁基布置方案，使用FLAC3D建立數(shù)值模擬模型。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

3.2 計(jì)算原理及參數(shù)選取

FLAC3D是巖土工程領(lǐng)域常用的有限元數(shù)值模擬軟件，使用各向同性的本構(gòu)模型以及摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取每組地層的物理和強(qiáng)度參數(shù)，作為數(shù)值模擬計(jì)算的輸入?yún)?shù)，各地層參數(shù)見表2。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1沉降分析

施工進(jìn)程中樁和土沉降模擬結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，在監(jiān)測(cè)的初期階段，樁土所承受側(cè)荷載均較小，因此樁和土之間的沉降差值較小，處于協(xié)同變形的階段。隨著主體工程的施工，上覆荷載增加，樁與土之間的沉降差值逐漸增大，最大值接近6mm，這說(shuō)明在荷載增加的作用下，土的承載力較弱率先產(chǎn)生變形。當(dāng)主體工程完成后，樁與土的沉降差值逐漸減小，接近一致。

3.3.2樁土應(yīng)力比分析

樁與土的應(yīng)力比值是樁土所受承載力大小的最直觀的反應(yīng)，如圖3所示。在施工階段的初期樁土應(yīng)力比值較小，隨著主體工程施工的進(jìn)行，樁與土的應(yīng)力比逐漸增大，最大的應(yīng)力比為1.85，達(dá)到最大應(yīng)力比之后，該值逐漸減小。當(dāng)應(yīng)力比達(dá)到最大時(shí)，也是沉降差值達(dá)到最大的時(shí)刻，之后應(yīng)力比逐漸減小，樁土沉降差值也逐漸趨于零。

圖2 隨著主體施工進(jìn)程樁和土沉降模擬結(jié)果

圖3 隨著主體施工進(jìn)程樁與土應(yīng)力比值

3.3.3孔隙水壓力分析

地基中孔隙水壓力模擬成果如圖4所示。在工程施工的初期，地基中不同埋深的孔隙水壓力都迅速增大，在預(yù)壓階段，隨著時(shí)間孔隙水壓力逐漸消散，地表的人工填土水壓力消散最快，粉質(zhì)粘土(淤泥質(zhì)土)中孔隙水壓力消散較慢且上部水壓力消散較快。在上部工程主體建筑荷載作用下，巖土體內(nèi)部水壓力的消散過(guò)程則為巖土體壓縮沉降的過(guò)程。

圖4 隨著主體施工進(jìn)程不同深度孔隙水壓力模擬值

3.3.4水平位移分析

樁基旁的巖土體水平方向位移模擬結(jié)果如圖5所示。在開始主體工程施工階段，水平方向位移首先迅速增大，表層的巖土體首先產(chǎn)生水平方向的位移并且逐漸向下延伸。隨著工程的進(jìn)行，建筑物荷載逐漸增大，各個(gè)深度的水平位移逐漸增大，但增大速率逐漸減小，最大位移小于30mm，在可控范圍內(nèi)。

圖5 隨著主體施工進(jìn)程不同深度水平方向位移模擬值

4 結(jié)論

(1)樁基礎(chǔ)是軟土地基加固中一個(gè)常用的措施。通過(guò)比對(duì)不同的方案選取了沖孔灌注樁和水泥土復(fù)合攪拌樁作為地基處理方案。

(2)使用數(shù)值模擬的方法對(duì)主體施工過(guò)程中地基的沉降、樁土應(yīng)力比、孔隙水壓以及水平方向位移等進(jìn)行研究。樁土應(yīng)力比與地基沉降差值是正相關(guān)的關(guān)系，應(yīng)力比越大則沉降差值越大；施工初始階段孔隙水壓力迅速上升，孔隙水壓力消散的過(guò)程是巖土體壓縮沉降的過(guò)程；通過(guò)水平方向位移監(jiān)測(cè)，使用該方法可以獲取較好的側(cè)向位移控制效果。