水利工程中幾種常見地基問題及處理方法

李會興

（天津市水務規劃勘測設計有限公司，天津 300204）

1 簡述

水利工程分布地域廣闊，有相當多的水利工程建設在河口、沿海、濕地、山區，地質條件復雜多樣、建設條件較差。各類建筑物的地基作為支承建筑物基礎的載體，其穩定性一直都是工程設計和建設者關注的重要內容。

地基是建筑物下面支承基礎的土體或巖體，按地質情況分為土基和巖基，按設計施工情況分為天然地基和人工地基。土基由碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土等各類不同的土體組成，巖基由巖石構成。相對于土基來說，巖基性質稍好。

天然地基是在自然狀態下即可滿足承擔基礎全部荷載要求，不需要人工處理的地基。人工地基是天然地基不能承載基礎傳遞的全部荷載，需要通過一定的處理措施干預后形成的地基。本文主要研究土質地基。

2 工程地質勘察

各類建筑物建造在地基之上，構成地基的土層分布，土的松密程度、壓縮性的高低、強度的大小，地下水的深度與水質情況、附近是否存在不良地質現象等，都關系著建筑物的安危。因此，通過工程地質勘察查清地基土的真實狀況是工程設計的重要前期工作，工程地質勘察成果是工程設計的重要依據之一。

在工程地質勘察工作中，勘察內容、工作量和工作方法應根據場地的復雜程度、建筑物的規模及等級、對建筑物場地地質條件的研究程度和當地經驗、建筑物的基礎型式等因素有針對性的確定。通過鉆探法、觸探法、掘探法等勘察手段，查清工程范圍內工程地質情況，包括場地位置、地形地貌、地質構造等。對不良地質現象要重點關注，并提醒工程設計人員注意。工程地質勘察應詳細描述場地的地層分布、巖土構成、各土層的均勻性、地下水埋藏深度和土層的凍結深度，通過實驗確定場區各層土體的物理力學性質、地基承載力指標、地下水侵蝕性等。詳實、可靠的工程地質勘察資料是工程設計的基礎，也是在工程設計中判定地基是否存在問題并選取適宜的地基處理方法的重要依據。

3 工程中常見的地基問題

水利工程中，常見的地基問題主要分為3 類，即地基承載力和穩定性問題、沉降和水平位移問題、滲流問題。

3.1 地基承載力和穩定性問題

地基承載力和穩定性問題是指地基承載力不能滿足建筑物荷載要求，在建筑物荷載作用下地基發生局部或整體剪切破壞，影響建筑物的正常使用甚至損毀。

作為建筑物基礎的支承體，地基的承載力需要滿足上部荷載的要求，能在上部建筑物基礎傳遞下來的荷載作用下保持穩定。

造成地基承載力不足的土體有軟黏土、泥炭土、膨脹土等，這些土體承載力較低，容易引起地基失穩問題。

軟黏土是軟弱黏性土的簡稱，包括淤泥、淤泥質土等。淤泥和淤泥質土主要是第四紀后期形成的濱海相、澙湖相、三角洲相和內陸河湖相等的黏性土沉積物或河流沖積物，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0。當天然孔隙比大于1.5時，稱為淤泥；當天然孔隙比大于1.0 小于1.5 時，稱為淤泥質土。這類土的天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮系數高、滲透系數小。在荷載作用下，軟黏土地基承載力較低，易發生地基不穩定問題。軟黏土地基在工程中較為常見，一般需要處理后才能供工程使用。

泥炭土是在潮濕和缺氧環境中未經充分分解的植物遺體堆積而成的一種有機質土，有機質含量大于60%，其含水量高、壓縮性大且不均勻。

膨脹土是指黏粒成分主要由親水性黏土礦物組成的黏性土，在環境溫度和濕度變化時可產生強烈的脹縮變形。

軟黏土、泥炭土和膨脹土都是引起地基不穩定性問題的不良土質。

3.2 沉降和水平位移問題

當地基荷載過大將會產生變形，地基變形過大將導致建筑物沉降或水平位移。當建筑物不均勻沉降超過地基所能承受的范圍，建筑物將產生過大裂縫、不能正常使用，也可能使建筑物整體失穩、傾覆，給工程帶來嚴重后果。

3.3 滲流問題

當地基承受較大的水力比降，土體中部分顆粒被水帶走形成較大空洞，使地基承載力大幅下降，導致地基失穩、建筑物破壞，是土質地基中常見的滲流破壞問題。

土洞是巖溶地區上覆土層被地下水沖蝕或被地下水潛蝕所形成的洞穴。因土洞的形成將在原本密實的地基下方形成空洞，因此容易造成地面變形、地基陷落，對建筑物安全影響很大。另外，管涌和流土也是土質地基常見的滲流問題。

水利工程中的地基問題往往不是單一存在的，在工程設計和建設中，常會遇到天然地基存在上述3 類問題中的一種或幾種。因此，需要采取措施處理好全部地基問題，形成滿足建筑物對地基安全、可靠要求的人工地基，供工程建設使用。

4 地基處理方法

針對地基存在的問題，需要采用人為干預措施進行處理，使之滿足相關使用要求。目前，常用的地基處理方法可以歸納為置換、排水固結、灌入固化物、振密和擠密、加筋等幾類[1]，具體處理方法及適用范圍詳見表1。

表1 地基處理方法及適用范圍

選取地基處理方法，應首先研究天然地基地質情況及水文地質條件，弄清楚地基土體構成及存在問題，然后有針對性地選擇。地基處理方法的選擇，應能改善地基性質，確保工程安全，同時兼顧經濟性，力求以較少的資金投入解決較大的實際問題。

同一種地基問題往往有多種解決方法，為此在確定地基處理方案前，應提出幾種可行的方案，通過技術經濟比較，選取技術上可靠、經濟上合理、滿足施工進度、對周邊環境影響小的最佳地基處理方案[2]。

深層攪拌法和鋼筋混凝土樁法是2 種常用的地基處理方法，因其可靠性較高被廣泛應用于地基處理工程。本文對此2種地基處理方法的設計進行論述。

5 深層攪拌法復合地基設計

深層攪拌法是將水泥等固化物和地基土攪拌成圓柱狀的樁體，與樁間土形成復合地基，提高地基承載力，改善地基性質。

設計中，分別進行水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值、復合地基承載力特征值計算，選取其中的較小值作為深層攪拌法復合地基承載力設計值。經計算，處理后的復合地基承載力設計值應能滿足承受上部建筑物荷載的要求。

5.1 單樁豎向承載力特征值計算

水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值Ra按《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）中的2 種方法分別進行計算，并選取2 種計算方法所得結果中的較小值作為水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值。

（1）方法1。Ra按下式計算：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；up為樁的周長（m）；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值（kPa）；lpi為樁長范圍內第i層土的厚度（m）；αp為樁端端阻力發揮系數；qp為樁端端阻力特征值（kPa）；Ap為樁身橫截面面積（m2）。

（2）方法2。Ra按下式計算：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內加固土試塊（邊長為70.7 mm 的立方體）在標準養護條件下90 d 齡期的立方體抗壓強度平均值（kPa）；η為樁身強度折減系數，取0.25；Ap為樁的截面積（m2）。

5.2 復合地基承載力特征值計算

復合地基承載力特征值計算公式為：

式中：fspk為復合地基承載力特征值（kPa）；λ為單樁承載力發揮系數，取1.0；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；Ap為樁身橫截面面積（m2）；β為樁間土承載力發揮系數；fsk為樁間土承載力特征值（kPa）。

6 鋼筋混凝土樁法地基設計

鋼筋混凝土樁法是在現場開孔至所需深度，隨即在孔內放置鋼筋籠、澆筑混凝土，經搗實后成為鋼筋混凝土樁。鋼筋混凝土樁法地基用于解決地基承載力不足、不均勻性較差等問題，也是解決水平力較大的主要處理措施之一。鋼筋混凝土樁設備簡單、施工方便，承載能力大，不受地下水位的限制。鋼筋混凝土樁的布置一般采用矩形或梅花形，樁數根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）通過計算確定。

6.1 鋼筋混凝土樁法地基設計原則

（1）由于樁間土與樁體剛度相差較大，計算中不考慮樁間土的作用，豎向荷載和水平荷載全部由樁承受，樁頂與建筑物底板剛性嵌固，樁頂轉角為零。

（2）不考慮各樁受力后彈性變形不一致的影響。

6.2 單樁豎向承載力特征值的確定

采用《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）相關公式，計算大直徑單樁豎向極限承載力標準值：

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值（kN）；Qsk為單樁總極限側阻力標準值（kN）；Qpk為單樁總極限端阻力標準值（kN）；u為樁身周長（m）；φsi為大直徑樁側阻尺寸效應系數；φp為大直徑樁端阻尺寸效應系數；qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值（kPa）；qpk為樁的極限端阻力標準值（kPa）；lsi為樁穿越第i層土的厚度（m）；Ap為樁身橫截面面積（m2）。

通過單樁豎向承載力標準值Quk計算單樁豎向承載力特征值Ra：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；K為安全系數，取2；Quk為單樁豎向極限承載力標準值（kN）。

6.3 單樁水平承載力設計值的確定

單樁水平承載力設計值按《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）相關公式計算：

式中：Rh為單樁水平承載力設計值（kN）；X0a為樁頂容許水平位移（m）；vx為樁頂水平位移系數，取0.94；α為樁的水平變形系數（m-1）；EI為樁身抗彎剛度（kN·m2），對于鋼筋混凝土樁取EI=0.85EcI0；Ec為混凝土的彈性模量（kN/m2）；I0為樁身的截面慣性矩（m4）。

通過計算，單樁豎向承載力特征值、單樁水平承載力設計值應能滿足工程建設的需要，并以此確定工程樁的數量。

7 結語

在水利工程設計和建設中，工程技術人員遇到越來越多的地基問題，地基處理方案的選取關系到整個工程的質量、安全、進度和投資。工程地基問題常常是一種或幾種問題同時存在，地基處理也往往是包括一種或幾種處理方式的綜合處理方案。地基處理方案應通過技術經濟比較，最終選取技術可靠、施工方便、經濟合理的最佳方案。