水利工程中軟土地基樁基礎設計與變形分析

姚力銘，鐘 瑾

（1.連云港市水利規劃設計院有限公司，江蘇 連云港 222000；2.江蘇省善后閘管理所，江蘇 連云港 222000）

在水利工程軟基基礎施工建設過程中，為了增加其抗壓強度和荷載力，需要采取針對性的軟基基礎施工技術，對土壤的松軟結構進行處理。在水利工程施工建設中，針對軟基與其他土壤相比具有很強的可塑性和壓縮性這一特點，需要采取不同的技術才能夠保證整個工程的施工安全。隨著我國大部分城市用地越來越緊張，軟基基礎施工成為了水利工程領域中的一個重要的研究課題。相對于普通的施工地基結構，由于水利工程軟基基礎施工具有一些固有的特點，如滲水性、高敏感度等，導致在建設過程中施工難度非常大。因此在施工過程中需要結合當地具體的施工地質情況，制定科學的施工方案，從而保證整個地基結構的安全性和穩定性。

1 工程概況與地質條件

該水利工程位于廣東省某地區，通過對項目進行具體的勘查后可知，該項目采用一種水下臥倒門的設計方案對該水利工程河口的水閘進行設計，設計的進水口的單孔寬度為100 m，防洪水位高度設計為6.35 m，對應的防洪標準是100 年一次的重現期。根據水利工程設計標準文件，其水利工程建筑物等級均需按照I 級標準進行設計，建筑物主要包括工程內基坑圍護結構、防水防滲結構、閘墩結構和底板結構等。其中工程的沉井結構的設計尺寸為7 m×16 m×30 m。由于該工程項目所在區域和地形的特殊性，為保證工程質量，設計樁基礎需要全面考慮該位置的地質結構與水文條件。采用專業的地質勘查技術，對該水利工程地質條件進行了具體勘查，勘查結果見表1。

通過對表1 中勘查的地質條件判斷可知其地質結構層的綜合承載力較低，該工程所在地屬于軟土地基。

2 軟土地基樁基礎具體設計方案

2.1 單樁承載力計算

為確保樁基礎結構能夠滿足水利工程中軟土地基的承載力，在樁基礎結構設計前，對軟土地基中單樁結構承載力進行計算。根據對項目所在地的地質條件信息的分析，在項目實際施工中，預設工程樁基礎結構會承受來自上部結構的壓力，在此壓力的作用下，樁基礎會發生下沉，該下沉會對樁體產生一種負向摩擦力，從而對樁基礎產生一種下拉的荷載作用力。通過分析可知，樁基礎承載了2 種作用力，一種是頂部荷載的作用力，另一種是分布在樁體側面的摩擦力。在此條件下，可用下述公式進行計算軟土地基中樁基礎結構的綜合承載力。

式中：R 為樁基礎結構的綜合承載力；γ 為樁基礎結構承載力系數；N 為樁基礎頂部承載作用力設計值；Qn為樁側的n 負摩擦力設計值。

對軟土地基中單樁承載力進行計算時，既要考慮基礎結構中單樁側向負摩擦力，又要考慮單樁結構的自身強度，還要考慮地基結構對樁體的支撐力。由于在設計時，單樁結構就集中設計在一個結構體上，當單樁結構上的負摩擦力過大時，負摩擦力就會轉換成正摩擦力。為避免該情況的發生，可將內隔板作為承載力的劃分界面，對單樁承載力進行計算，計算公式如下

式中：R′為單樁承載力；l 為單樁長度；U 為承載力劃分界面；q 為單樁結構自身強度；i 表示土層。由公式（2），可完成單根樁體承載力的計算。

2.2 樁基礎結構的選型

為確保樁基礎在整體結構中的承載效能可以得到有效發揮，基于本文案例研究的樁基礎作用在水利工程的軟土地基中，因此需要對樁基礎結構的選型進行優化設計。

為滿足軟土地基樁基礎結構承載要求，在設計中排除擠土效應對其的影響，選用鉆孔灌注樁作為其主要結構形式。根據單樁結構承載力的計算結果，該水利工程設計的樁基礎結構方案見表2。

在完成樁基礎結構設計后，按照上述內容，對軟土地基中局部樁體的布置進行設計，設計結果如圖1所示。

圖1 軟土地基中局部樁體的布置

2.3 樁體根數與抗浮設計

在上述軟土地基樁基礎設計的基礎上，根據水利工程相關設計文件，對樁基礎承臺面積進行計算，計算公式如下

式中：A 為樁基礎承臺面積；F 為承臺頂部荷載；G 為承臺上部土層重度；ξ 為面積控制系數；k 為單位面積下承臺結構的效應系數；a 為地基結構承載力。樁基礎結構中樁體根數是根據布置承臺的有效面積進行設計的，樁體根數K 的計算公式如下

式中：μ 為樁體間距的大小；B 為減沉效應值；f 為土荷載分擔系數。需要根據水利工程軟土地基承載力的設計要求，完成樁體根數設計后，再對樁基礎結構的抗浮進行設計。設計方案如下：抗浮設計樁與單樁進行連接，以穿插的方式設計在局部樁體中間。該穿插方式設計的優點在于能確保樁基礎結構具有足夠大的承載力，而且具有較強的抗浮能力。基于上述設計方案，完成了對水利工程中軟土地基樁體根數與抗浮的設計。

3 變形分析

為了驗證文中軟土地基樁基礎的結構設計，以及各項參數的計算是否正確，根據施工設計要求，對某具體水利工程軟土地基的樁基礎進行設計，并測量了樁基礎的變形情況，從而驗證了該設計的可行性。根據文中設計思路，設置5 個樁基礎，分別位于該水利工程軟土地基上5 個不同的區域，并分別以#Z-01、#Z-02、#Z-03、#Z-04 和#Z-05 進行編號，其具體位置如圖2 所示。

圖2 樁基礎結構位置示意圖

施加不同的荷載，測量5 個不同樁基礎結構的變形量，用其與地面之間產生沉降距離的變化量表示其值的大小。測量的變形量結果見表3。

表3 樁基礎變形量記錄表

通過對表3 中測量的數據分析可知，在0～400 kN不同的荷載條件下，5 個樁基礎的沉降量均小于0.20mm；通過進一步分析，不斷增加樁基礎荷載的情況下，5 個樁基礎的沉降量雖然都有增加，但最大沉降量仍小于0.50 mm，都能滿足水利工程軟土地基施工對樁基礎沉降量的變形量的要求。上述測試結果驗證了本文提出的樁基礎設計方案，該方案可以實現對樁基礎變形量的有效控制，可應用到實際水利工程項目當中，進而能夠保證地基的整體穩定性。

4 水利工程樁基礎施工質量研究

4.1 做好測量定位工作

水利工程施工開始之前，須根據施工設計的要求，進行施工現場地形的測量與勘察，同時根據工程施工要求，進行施工現場道路、排水設施的修筑和臨時用電、用水等相關設施的布置。若經過測量后發現施工現場地質屬于病害地質類型的話，須采取相應的壓實處理措施才能確保施工的順利進行。在放樣測量過程中，主要是利用GPS 全站儀進行灌注樁軸線、樁位、高程等相關數據的測量與定位，為水利工程施工的順利進行奠定良好的基礎。

4.2 做好埋設護筒工作

孔壁坍塌是影響鉆孔施工作業的重要因素。若鉆孔深度較大的話，在靜水壓力狀態下地下水位以下的孔壁土層就會出現孔內坍塌或流沙的現象。因此須在鉆孔作業過程中，根據具體情況增加孔內靜水壓力，才能避免孔壁坍塌現象的發生。水利工程施工過程中樁基礎的護筒大多應采用厚鋼板制作。而護筒的內徑須比鉆頭的直徑大20～30 cm，同時根據施工現場的地質情況將其安置于高出地面30 cm 以上的位置，在確保護筒的穩定性與準確性符合要求后，才能開始樁基礎施工。

4.3 做好泥漿調配工作

泥漿是鉆孔灌注樁施工的關鍵，所以在施工過程中須根據施工現場的具體情況及時進行調整，才能在有效降低泥漿失水率的基礎上，促進鉆孔灌注樁施工穩定性的有效提升。如水利工程施工過程中所使用的混合材料主要是由膨潤土、紅黏土、外加劑等混合而成，因此須在泥漿配制過程中，不斷地進行泥漿試驗檢測，同時根據實際的檢測結果及時調整泥漿配制參數，才能確保泥漿性能的指標符合工程施工的要求。

4.4 做好樁位、垂直度偏差的控制

樁孔與設計出現偏差現象是鉆孔灌注樁施工過程中常見的問題，而鉆孔灌注樁施工過程中垂直度的偏差則主要是由鉆孔垂線與軸線的夾角形成的，這也是導致樁位無法對接成功的主要因素。由于這2 種偏差現象會導致樁柱成型后無法進行糾偏，所以必須制定完善的預防措施，盡可能地避免偏差現象的出現，才能保證鉆孔灌注樁施工的順利進行。

4.5 做好鋼筋籠的制作工作

鋼筋籠是預防樁位出現偏差現象的主要手段，因此在制作鋼筋籠時，須嚴格按照要求和規范對所有主筋進行編號，然后才能開始焊接工作。另外，在外箍筋定型時，須將其套于主筋的外部，同時擺放定位支架，才能確保鋼筋籠制作的順利進行。

4.6 水下混凝土的澆筑

在混凝土澆筑施工開始前，須及時進行二次清空作業，根據混凝土澆筑施工的要求，進行孔內泥漿性能指標的試驗，并在確保試驗結果符合設計要求和相關規范，并交由工程監理人員簽字確認后方可進行混凝土澆筑施工。另外，為確保混凝土澆筑施工質量符合工程設計要求，須采取積極有效的措施保證混凝土澆筑的連續性并在混凝土初凝發生之前完成混凝土澆筑，如此才能促進混凝土澆筑施工質量的穩步提升。混凝土澆筑結束后，必須及時拆去導管并清理施工現場的泥漿與沉渣，然后根據工程施工的要求制定相應的混凝土養護措施。

5 結束語

本文以某具體水利工程為例，對軟土地基樁基礎設計與變形進行研究，該研究結果可為水利工程建設提供一定借鑒作用。如果此設計方案要在水利工程相關領域進一步推廣，為地區經濟發展提供全面的助力，那么樁基礎結構的設計方案就需進一步優化，根據水利工程對樁體結構的綜合效應，進一步提高承臺的承載力，優化樁體結構，如此才能夠對水利工程項目的穩定運營與持續效益加以保證。