預制樁復合地基在閘站工程中的應用

趙笑研

（北京市密云區潮白河道管理所，北京市 101500）

0 引言

預制樁復合地基目前廣泛應用于房屋建筑、公路和市政工程的地基建設，近十幾年來發展非常迅速，技術已經趨于成熟，在工程整體結構中可以達到物盡其用的效果，合理節約建設投資，在閘站工程地基施工中具有非常廣闊的應用前景。

1 復合地基的基本概念

1.1 復合地基的定義

水工建筑物閘站工程建設中使用的復合地基通常是指廣義上的復合地基，廣義上的復合地基是一種對部分天然地基中的土體進行增強、置換、增設加筋材料等技術處理的地基處理技術，由天然地基土體或經過改良的天然地基土體作為加固區，與增強體共同組層人工地基。

1.2 復合地基的主要類別

復合地基在設計和施工過程中根據不同的性能需求會采取不同的增強體布設方式，采用樁體作為豎向增強體的復合地基通常被稱為樁體復合地基；復合地基的水平向增強體為加筋材料的可以稱為加筋土地基。樁體復合地基中地基荷載的傳遞機理主要會受到散體材料、粘結材料等樁體組成材料及其強度的影響。復合地基按照增強體材料的布設方式可以分為豎向增強體復合地基和水平向增強體復合地基兩個主要類別，其中豎向增強體復合地基根據采用的材料種類可以分為由碎石樁、砂樁、礦渣樁等材料制作的散體材料樁復合地基和粘結材料樁復合地基，粘結材料樁復合地基又包括石灰或石灰樁、水泥攪拌樁、旋噴樁等柔性樁復合地基和CFG樁、木樁、鋼或鋼筋砼樁等剛性樁復合地基。

樁體復合地基是水工建筑物采用的主要地基形式，其加固區是由非均質且具有各向異性的基體和增強體兩個部分組成，這也是復合地基和均質地基的本質區別。樁基礎由樁獨立承受荷載作用，但復合地基中的基體和增強體會共同承擔荷載作用。近年來，由樁和土通過協同變形共同承擔直接荷載的摩擦型樁正在成為地基處理措施的重點發展方向，樁土共同作用的摩擦型樁符合剛性樁復合地基的基本特征，因此在計算中可以應用復合地基理論。

1.3 復合地基的優化設計

優化設計是指依據優化原理和現有工程條件采用計算機計算出最優設計方案，在優化設計在實踐應用中需要考慮設計變量、目標函數、約束條件三個主要影響因素。復合地基的優化設計必須立足于設計意圖，復合地基通常情況下需要滿足提高地基承載力、減少地基沉降、在提高地基承載力的同時減少地基沉降三個設計目標其中的一個，然后根據設計意圖確定具體的優化設計思路。

1.3.1 提高地基承載力。為了提高復合地基的承載力，需要對地基的承載力進行嚴肅算，確保沉降量能夠達到工程的合理使用需求。當核算結果不符合相關技術規范中的規定時，可以通過合理措施將承載力提高到技術規范中規定的標準范圍內。樁的測摩阻力和樁端阻力共同決定了預制樁復合地基中預制樁提的承載力，預制樁基承載力的提升可以通過加大樁體長度的方式來實現。

1.3.2 減少地基沉降。為了盡量降低地基的沉降量，在設計之初可以選用最小的沉降控制值，然后根據工程的使用需求情況對地基承載力進行核驗。根據實踐經驗，能夠滿足沉降需求的設計承載力通常也在相關設計規范允許的范圍內，否則可以采取合理增大復合地基置換率、增加樁體長度等方式將地基承載力調整到相關技術規范規定的合理范圍內。

1.3.3 在提高地基承載力的同時減少地基沉降。安全性、適用性、耐久性、經濟性、可持續發展是工程設計中必須遵守的五項原則，其中首要的是安全性原則。對于既要提高地基承載力又要減少地基沉降的復合地基更應注重設計方案的安全性，在滿足地基承載力要求的前提下采取合理措施減少地基的沉降量。

2 底板、樁和樁間土之間的相互作用

為了將閘站工程的基礎均勻落在地基上，閘站底板及其中上部結構與預制樁、樁間土在相互作用、相互影響中共同構成了完整的工程體系。樁體和樁間土的承載力是當前閘站工程預制樁復合地基設計中主要考慮的承載力因素，對于底板及其上部結構對地基和樁體造成的應力影響則被排除在考慮因素之外，因此造成了閘站工程建設資金的浪費，并對其安全性產生了不利影響。地基和框架結構共同作用的概念及其計算公式由梅耶霍夫于1947年首次提出，自此地基和上部結構的共同作用機理成為工程界和學術界的重要關注和研究對象。

樁和樁間土的荷載分擔比：根據對預制樁復合地基閘站底板、樁和樁間土之間的相互作用性狀開展的計算機模型試驗數據分析結果，在完建期工況、設計工況、校核工況和檢修期工況下，地基土和占底板面積88%～90%的大部分閘站底板底面的中間部位基本沒有發生接觸，僅僅在底板垂直水流方向占底板面積約10%～12%的兩側端部位置上產生了輕微的接觸。導致這一現象的主要原因是地基土和底板在閘站兩側邊較大的荷載作用下發生局部脫空。因此，在設計和施工過程中需要通過施工組織設計對閘站兩側的填土情況進行優化調整，或者采取其他措施消除荷載對閘站兩側底板造成的影響，實現復合地基加固區域的擴展。總而言之，在上述四種工況下，垂直和水平向荷載的共同作用導致閘站的地基土和閘站底板地面之間產生了比較緊密的接觸，基本不存在脫空現象。

2.1 豎向荷載分擔比

根據計算機取得的實驗數據，在底板底面的進出水側邊緣處，地基土和閘站底板地面在接觸中產生了稍大的壓強，底板底面進水側齒坎部位與節制閘、泵站底板的分縫處產生了壓強的最大值。由于預制樁設置在閘站底板的中間部位，從閘站上部傳遞而來的荷載主要由協同樁間地基土承擔，分散了原本應由樁間地基土承擔的豎向荷載，因此閘站底板中間部位僅產生了較小的接觸壓強。通常情況下，閘站工程會在完建期達到固結壓縮量的最高峰值，底板和地基土在地基土固結壓縮過程中存在一定發生脫空的可能性，樁間地基土承擔了較小的荷載份額。

2.2 橫向荷載分擔比

在閘站底板和地基土的摩擦作用下，閘站底板和地基土的接觸面在任何計算工況下都會出現剪應力分布。上、下游側齒坎處在所有工況下的剪應力均為最大值，應力較小處為接觸面的中間部位。造成這一現象的原因是上游齒坎和樁間土體在水平荷載作用下發生擠壓，而擠壓作用在下游齒坎和樁間土體上較弱，甚至土體與齒坎之間會出現脫離。

由于預制樁頂附近土體表面的剪應力在土體壓縮固結后與天然土體的抗剪能力相去甚遠，隨著水平荷載的增加，樁頂附近土體表面的剪應力也會相應增加，因此樁間地基土的水平荷載分擔額在檢修工況下達到了19.49%的最高峰值。由于預制樁和樁周地基土的相互作用產生的效應會隨著上部荷載的增加而相應的增強，預制樁群的位移在校核工況下達到了最大值，因此樁間地基土在校核工況下僅分擔了11.21%的水平荷載，達到了最低值。由此可見，預制樁樁體承擔了更多的水平荷載。

3 預制樁復合地基在外部荷載影響下的變化規律

3.1 地基沉降的變化規律

根據模型計算結果顯示的預制樁復合地基在不同特征水位情況和豎向荷載影響下的沉降趨勢，預制樁復合地基在某種工控下的水平向荷載作用范圍內沉降值會隨著豎向荷載的增加而相應增加，較為明顯的預制樁和樁周土的協同作用與變形效果顯示了閘站上部豎向荷載對預制樁復合地基的最大沉降值具有比較顯著的影響。

3.2 樁體水平位移的變化規律

由于閘站底板和樁間土之間的接觸作用會隨著豎向荷載的增加而增強，導致兩者之間的壓強也相應增加，相較于其他情況，預制樁樁體承擔的水平荷載會有所下降。因此，預制樁復合地基樁頂的水平位移在某種工況下的水平向荷載作用范圍內會隨著豎向荷載的增加表現出逐漸下降的變化趨勢。由此可見，預制樁復合地基樁頂的水平位移會在一定程度上受到豎向荷載的影響。

3.3 樁間土體荷載分擔比的變化規律

由于閘站底板和樁間土之間的接觸作用會隨著豎向荷載的增加而增強，導致兩者之間的壓強增大，相較于其他情況，預制樁樁體承擔的水平荷載此時會有所降低。因此，預制樁復合地基樁頂的水平位移在某種工況下的水平向荷載作用范圍內會隨著豎向荷載的增加而表現出逐漸下降的變化趨勢。由此可見，預制樁復合地基的樁頂水平位移在一定程度上會受到豎向荷載的影響。