某節制閘地基加固設計方案比選研究

袁鳳娟

(安徽省阜陽市水利規劃設計院有限公司,安徽 阜陽 236000)

1 項目概況

1.1 工程基本情況

某節制閘地處黑茨河下游位置，在黑茨河入茨淮新河口的北面600.00 m茨河上，該閘5年一遇設計排澇流量717 m3/s，20年一遇設計行洪流量1114 m3/s，為Ⅲ等工程。閘室為開敞式鋼筋混凝土結構，共7孔，閘孔總凈寬78 m；節制閘共5孔，分2聯，每孔凈寬為10 m；通航孔共2孔，孔凈寬14 m。閘室總寬度114 m，節制閘底板頂高程22.4 m，門檻頂高程23.1 m，厚1.5 m，邊墩厚1.1 m，中墩厚1.4 m；永久縫設在閘墩上；通航孔底板高程22.4 m，厚1.9 m，邊墩厚1.6 m；閘室順水流方向長度18 m；建筑物總長155 m。閘墩頂部上游設置檢修工作便橋、鋼筋混凝土排架、啟閉臺及啟閉房等；下游設置預制公路橋。節制閘閘門采用露頂式平面定輪鋼閘門，配QP-2×320 kN卷揚式啟閉機，通航孔閘門采用升臥式平面定輪鋼閘門，閘門配QH-2x400 kN弧門啟閉機。橋頭堡設置在兩岸空箱式岸墻上[1-3]。

1.2 工程地質條件

表1 樁的側阻力、端阻力建議取值表 kPa

2 地基處理方案比選

根據水閘地基土層特點及設計要求，選擇水泥土攪拌樁和預應力高強混凝土管樁( 簡稱PHC 樁) 2種方案進行比較。根據類似工程的設計和施工經驗，閘室下持力層埋深大于3 m，地下水位較高，施工難度較大，深層水泥攪拌樁，施工設備簡單，費用低廉，根據已建工程的經驗，水泥攪拌樁施工質量控制是關鍵，加之粉噴樁要穿過粉質壤土層、進入砂卵石層2～3 m，施工難度較大，往往因質量控制上的問題達不到理想的效果。水泥攪拌樁施工完畢待凝檢測時間較長，從而增加了施工井點排水時間和費用[4]。

預應力高強混凝土管樁單樁承載力高，樁身混凝土強度高，抗彎性能好，能全面適應各類復雜的地質條件，具有施工速度快、工期短、檢測方便、適應性強、對環境污染小、成樁質量可靠和造價低等優點，在軟土地基處理上有很多成功的經驗。

2.1 水泥土攪拌樁與預應力管樁計算原理

(1)復合地基承載力標準值計算式(1)如下：

(1)

式中：fspk為復合地基承載力標準值，kPa；λ為樁端土塞效應系數；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力標準值，kPa；AP為樁的平均截面積，m2；β為樁間土承載力折減系數；fsk為樁間天然地基土承載力標準值，kPa。

(2)單樁承載力計算式(2)～式(3)如下：

Ra=up∑(qsili)+αpqpAp

(2)

(3)

式中：Ra為單樁豎向承載力標準值，kPa；UP為樁的平均周長，m；qsi為樁側第i層土的摩擦力標準值，kPa；li為樁周第i層土的厚度，m；αp為樁端天然地基土承載力折減系數；qP為樁端天然地基土的承載力標準值，kPa；AP為樁的平均截面積，m2；fcu,k為與樁身加固配比相同的室內試塊的無側限抗壓強度平均值，kPa；λ為樁端土塞效應系數；γm為軟弱層頂面以上各土層重度的厚度加權平均值，kN/m；dm為樁外徑，m；fspa為復合地基荷載試驗中的最大試驗荷載，kPa。

上述式(1)～式(3)具體含義參考《建筑樁基技術規范》( JGJ 94—2008)第5.3.8條和6.2.3條。

2.2 水泥土攪拌樁與預應力高強混凝土管樁設計參數對比

水泥土攪拌樁與預制管樁設計參數對比見表2。

表2 水泥土攪拌樁與預制管樁設計參數對比

2.3 施工工期對比分析

水泥土攪拌樁與預應力高強混凝土管樁施工工期對比見表3。使用預應力高強混凝土管樁可以比水泥土攪拌樁節省8～21 d的工期。另外，預應力高強混凝土管樁施工不受雨季、氣溫等因素的影響。

表3 水泥土攪拌樁與預應力高強混凝土管樁施工工期對比分析 d

2.4 施工經濟成本對比

水泥土攪拌樁與預應力高強混凝土管樁施工成本對比見表4。

表4 水泥土攪拌樁與預應力高強混凝土管樁施工成本對比分析 萬元

由于節制閘加固工程工期緊，地質復雜、不可預見因素多，經上述對比表綜合分析判斷，地基處理擬采用預制管樁。靜壓法管樁土塞高度計算公式(4)如下：

(4)

式中：r為土塞體的重度，取18 kN/m3；h為土塞高度，m；R0為管樁內徑，取0.28 m；q為土層樁端極限承載力，取2500 kPa。經計算,土塞高度2.53 m。樁孔下部中粗砂充填，上部采用C30微膨脹混凝土灌芯充填，充填深度不小于1.5 m，樁與建筑物底板間設0.6 m塑性混凝土褥墊層。

某節制閘地基采用預制管樁處理，根據各部位對地基承載力的要求不同，閘室段選用預應力混凝土管樁，混凝土等級為C80，外徑400 mm，內徑280 mm，壁厚60 mm，梅花形布置(間距1.8 m)，共計510根樁；岸墻段選用預應力混凝土管樁，混凝土等級為C80，外徑400 mm，內徑280 mm，壁厚60 mm，梅花形布置(間距1.4 m)，共計234根樁；翼墻段選用預應力混凝土管樁，混凝土等級為C80，外徑400 mm，內徑280 mm，壁厚60 mm，梅花形布置(間距1.5 m)，共計410根樁；樁端進入4層重粉質砂壤土層不小于2 m。復合地基承載力：閘室段不小于130 kPa，岸墻段不小于185 kPa，翼墻段不小于165 kPa。樁頂設0.6 m 厚塑性混凝土褥墊層。

預應力高強混凝土管樁的施工主要分為預應力高強混凝土管樁的制作和管樁的下沉兩部分。采用錘擊打樁施工，施工過程中要經常觀察樁身是否歪斜，接樁前應檢查下部樁頂有無損壞，清除樁頂雜物。接樁時，上、下樁段應保持平直狀態，錯位偏差按小于2 mm控制。由于閘室管樁集中、成組分布，管樁可排列成梅花形狀。水平樁與垂直樁的間距必須達到2 m，樁基與閘保持1.7 m 距離。為保證樁基質量，可通過現場試驗明確壓樁控制標準。在打樁過程中，樁身會對土體產生一定的擠壓。因此，在打樁前必須結合樁身的密度、規格、長度、移動方便度等，掌握科學的打樁順序，確保植入樁符合設計標高，深度合理，防止土體膨脹、鼓脹、擠壓等問題。結合本工程的特點和水閘基礎的狀態，可以盡量選擇從一側跳到單向的方法，即逐行施加靜壓，保證樁在一個方向上移動，提高施工作業效率[5-8]。

3 結 語

黑茨河地區地層軟土厚度大，具有變形大、承載力低的特點，工程施工需要進行地基處理。該地區常見的地基處理方法有水泥土攪拌樁、鉆孔樁和預應力高強混凝土管樁。通過對黑茨河地區某節制閘基礎處理方案的對比分析，本著低成本、高效率、滿足承載力要求的原則，本工程的主要承載部分最終將采用預應力高強混凝土管樁、非主要承載部分采用水泥土攪拌樁進行地基加固。經過精心施工，科學有效地處理施工重難點，才能避免施工過程中可能出現的問題。建成的預應力高強混凝土管樁和水泥土攪拌樁均通過了各項質量檢測。本項目案例可作為該領域類似項目的參考。