龍泉滘重建水閘地基處理設(shè)計分析

王 義

（江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計咨詢有限公司,廣東 江門 529000）

1 工程背景

1.1 工程概況

龍泉滘拆除重建水閘工程位于禮東圍南端馬鬃沙河的出口處,是禮東圍的重要排水出口,地處廣東省江門市江海區(qū)城市周邊,是排出江海區(qū)禮東圍西南片澇水的重點工程。現(xiàn)狀水閘由于年久失修,存在諸多安全問題,已無法滿足排澇需求。每年到了臺風暴潮及洪水期,受外江（禮樂河）洪潮頂托,圍內(nèi)澇水無法及時排出,導致圍內(nèi)菜地、魚塘不同程度受淹,糧食減產(chǎn)甚至失收,部分村莊經(jīng)濟損失嚴重。為了保障當?shù)厝罕娚敭a(chǎn)的安全,減少圍內(nèi)洪澇災(zāi)害,本次對龍泉窖水閘進行拆除重建。

重建水閘選擇原址重建,泄水建筑物采用常規(guī)的攔河閘型式,閘室采用整體式、胸墻式結(jié)構(gòu),共5 孔,單孔凈寬7 m,閘孔總凈寬35 m,閘底板高程取-3.00 m,底板厚1.2 m,順水流向長15.0 m,閘頂高程為3.50 m,總寬為42.8 m。水閘閘址以上集雨面積27.61 km2,灌溉面積為5400 畝,是一座防洪、擋潮、排水和灌溉相結(jié)合的中型水閘, 設(shè)計防洪標準按50年一遇,設(shè)計校核防洪標準取100年一遇,設(shè)計排水流量為253.88 m3/s。

1.2 工程地質(zhì)

工程區(qū)位于珠江三角洲沖（淤）積平原區(qū)內(nèi),整體地勢平坦開闊,屬河口三角洲平原地貌,根據(jù)鉆探揭露,閘址區(qū)內(nèi)出露的地層有第四系全新統(tǒng)地層（Q4）,按地質(zhì)成因由上至下可分為：①填筑土；②1粉質(zhì)粘土；②2淤泥；②3黏土；②4粉質(zhì)黏土；③粗砂；④1全風化泥質(zhì)粉砂巖；④2強風化泥質(zhì)粉砂巖以及④3弱風化泥質(zhì)粉砂巖。各個土層物理力學指標見表1[1]。

表1 龍泉滘水閘地基巖土層主要物理力學指標

1.3 閘室穩(wěn)定計算

由于閘室基礎(chǔ)位于淤泥層,多以軟土為主,埋藏深、厚度大,含水量高,根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2016）第7.2.11 條規(guī)定,對水閘閘室在各種工況下的應(yīng)力及穩(wěn)定計算,計算結(jié)果見表2。

表2 閘室穩(wěn)定計算成果

從表2 穩(wěn)定計算結(jié)果可以看出,閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)kc滿足規(guī)范要求,而基底應(yīng)力不均勻系數(shù)η 也滿足規(guī)范要求,基底平均應(yīng)力最大值60.46 kPa＞ 50 kPa（淤泥土層地基承載力特征值（f=50 kPa））,基底應(yīng)力最大值69.90 kPa＞（1.2×50-60 kPa）,水閘基礎(chǔ)比較差,容易出現(xiàn)不均勻沉降,為了確保閘室安全,需對閘室地基進行處理[2]。

2 地基處理設(shè)計

2.1 基礎(chǔ)處理方案比選

考慮到閘室地基為深厚的淤泥層,且分布連續(xù),直接出露河涌底部或淺埋于填土層之下,埋深1.0 m～7.0 m,層厚16.20 m～24.50 m,層底高程-25.80 m～-16.99 m；天然含水率介于42.6%～91.0%之間；流塑—軟塑狀態(tài)。為了確保閘室穩(wěn)定性,結(jié)合水閘地質(zhì)情況,本次閘室地基處理選擇水泥攪拌樁復合地基、Φ800 鉆孔灌注樁、Φ500 預(yù)應(yīng)力管樁等三種方案進行比選。

2.1.1 水泥攪拌樁復合地基（方案一）

水泥攪拌樁復合地基又稱為深層攪拌法,主要是以水泥作為固化劑的主要材料,通過深層攪拌機,沿深度將固化劑與地基土強制就地攪拌,利用固化劑自身及其與地基土之間所產(chǎn)生的一系列物理、化學反應(yīng),使樁體與樁之間土體形成具有較高承載力、可共同承載外部荷載的復合地基。該款樁能有效提高地基承載力,減小地基的變形。但由于水泥攪拌樁受目前施工技術(shù)制約,龍泉滘水閘淤泥層深厚,難以穿透淤泥層。

2.1.2 Φ800 鉆孔灌注樁（方案二）

Φ800 鉆孔灌注樁也就是采用鉆機設(shè)備在地基上鉆孔,以形成孔徑為800 mm 的樁孔,然后在樁孔內(nèi)安放鋼筋籠,開始灌注混凝土從而形成的樁。該款灌注樁適用于不同土層,按持力層深淺可改變樁長,施工噪音小,承載力高,能夠穿透淤泥層,達到承載力較高的強風化粉砂巖層,可用作閘室的基礎(chǔ)處理。

2.1.3 Φ500 預(yù)應(yīng)力管樁（方案三）

預(yù)應(yīng)力管樁又名為混凝土預(yù)制樁,也就是將達到設(shè)計強度的Φ500 預(yù)制樁運至施工現(xiàn)場,通過抱壓力或頂壓力將樁壓入土中,在達到預(yù)定的標高后澆筑承臺梁（板）基礎(chǔ)。該款樁適用范圍廣、造價低,施工速度快,能夠穿透淤泥層,但由于其施工場地耐力要求高,在淤泥土層場地施工容易出現(xiàn)陷機現(xiàn)象,加上其是壓入土中,容易對周圍建筑物或已壓入的樁產(chǎn)生一定影響。

考慮到龍泉滘水閘閘址處地基淤泥層深厚,水泥攪拌樁無法穿透淤泥層；而水閘緊鄰電排站,同時施工時,建筑物受動力荷載影響較大,預(yù)應(yīng)力管樁在深厚淤泥層中的承受水平荷載能力比較差；經(jīng)綜合比較,推薦采用方案二Φ800 鉆孔灌注樁進行基礎(chǔ)處理,見表3。

表3 閘室基礎(chǔ)處理方案綜合對比表

2.2 鉆孔灌注樁設(shè)計

根據(jù)地基和上部荷載特性,閘室基礎(chǔ)處理采用φ800 鉆孔灌注樁,樁身砼強度等級為C30。閘室底板尺寸為42.80 m×15.00 m,根據(jù)閘室最大應(yīng)力和水平應(yīng)力計算,閘室底板計算范圍內(nèi)矩型布樁55 根,沿水平荷載方向每排分別布樁5 根,沿垂直于水平荷載方向上每排布樁11 根,樁距3.1 m×4.25 m（3.775 m）,見圖1。根據(jù)閘址工程區(qū)的地質(zhì)情況,樁端擊穿持力層強風化粉砂巖層,樁長26 m。

圖1 閘室鉆孔灌注樁布置圖

由于閘室基礎(chǔ)淤泥層深厚且含水量高,為了降低閘室兩側(cè)填土的附加應(yīng)力對泵室基礎(chǔ)的影響,減少閘室外地坪與閘室之間的沉降差,閘室外兩側(cè)新填土基礎(chǔ)采用φ500 水泥攪拌樁處理,樁間距1.0 m×1.0 m,正方形布置,樁長10.0 m。

3 灌注樁基礎(chǔ)計算

（1）計算公式

①單樁豎向極限承載力

由于本工程地質(zhì)勘察報告中樁基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)采用規(guī)范為《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（DBJ 15-31-2003、廣東省標準）,故本次單樁豎向承載力特征值按該規(guī)范規(guī)定的公式進行計算,單樁豎向承載力特征值Ra按下式計算：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值；Ap為樁底端橫截面面積,m3；qpa、qsa為樁端阻力特征值、樁側(cè)阻力特征值,kPa；up為樁身周長,m；li為第i 層巖土的厚度,m。

②單樁水平極限承載力

由于缺乏單樁水平靜載試驗資料,本次計算根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》估算單樁水平承載力特征值,計算公式按下列公式計算：

式中：Hik為在荷載效應(yīng)標準組合下,作用于基樁i 樁頂處的水平力；Rh為單樁基礎(chǔ)或群樁中基樁的水平承載力特征值,kN,對于單樁基礎(chǔ),可取單樁的水平承載力特征值Rha。

式中：Rha為單樁水平承載力特征值,kN；α為樁的水平變形系數(shù)；EI 為樁身抗彎剛度,對于鋼筋混凝土樁,EI=0.85 EcI0；其中Ec為混凝土彈性模量,I0為樁身換算截面慣性矩：圓形截面為I0=W0d0/2；矩形截面為I0=W0b0/2。χoa為樁頂允許水平位移,查《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.7.3 條,取χoa=6 mm；vx為樁頂水平位移系數(shù)。

③群樁基礎(chǔ)

本工程閘室群樁基礎(chǔ)的基樁水平承載力特征值按下式計算：

式中：ηh為群樁效應(yīng)綜合系數(shù)；ηi為樁的相互影響效應(yīng)系數(shù)；ηr為樁頂約束效應(yīng)系數(shù)；Sa/d 為沿水平荷載方向的距徑比；n1、n2分別為沿水平荷載方向與垂直于水平荷載方向每排樁中的樁數(shù)。

④考慮群樁效應(yīng)的基樁下拉荷載計算按下列公式：

式中：η 為中性點以上土層數(shù),取1；li為中性點以上第i 層土的厚度,閘室段取12 m；ηn為負摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù),ηn＞1時取1；Sax、Say分別為縱橫向樁的中心距；qsn為中心點以上樁周土層厚度加權(quán)平均負摩阻力標準值；γm為中性點以上樁周土層厚度加權(quán)平均重度（地下水位以下取浮重度）。

（2）計算參數(shù)

由于本工程閘室基礎(chǔ)采用φ800 鉆孔灌注樁,樁身砼強度等級為C30,則混凝土彈性模量Ec=3.00×107kN/m2。考慮到閘室及兩側(cè)擋墻底板落于淤泥層,根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》對于淤泥質(zhì)土地基,鉆孔灌注樁水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m 取2.5 MN/m4～6 MN/m4,本工程偏安全考慮,故取m=2500 kN/m4作為計算參數(shù)。

（3）計算結(jié)果

經(jīng)計算, 閘室段考慮群樁效應(yīng)的基樁下拉荷載Qgn=226.19 kN。綜合考慮,閘室最大垂直應(yīng)力為完建期38814.34 kN,設(shè)計布樁55 根,則實際所需單樁豎向承載力為：Q實=38814.34/55+226.19=931.91 kN。經(jīng)計算,實際所需單樁豎向承載力為931.91 kN＜2070.94 kN,設(shè)計布樁滿足要求。考慮群樁效應(yīng),單樁水平承載力Ra=138.74 kN,閘室最大水平力為設(shè)計水位下時5862.71 kN,設(shè)計布樁55 根,則實際所需單樁水平承載力：Rh實=5862.71/55=106.59 kN。計算結(jié)果見表4。

表4 灌注樁單樁承載力特征值計算成果表

從表4 計算結(jié)果可以看出,閘室灌注樁基礎(chǔ)的單樁豎向承載力特征值為2070.94 kN,水平承載力特征值為138.74 kN,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=138.74/106.59=1.30＞1.25。因此,本次設(shè)計布樁能滿足規(guī)范要求[3]。

4 結(jié)論

龍泉滘水閘閘室基礎(chǔ)屬于軟土地基,淤泥層深厚,分布廣,承載力差,容易發(fā)生下沉現(xiàn)象,從而危及水閘的安全運行。針對閘室地基軟土層情況,制定出三種閘室軟土地基處理方案進行比較,經(jīng)綜合比選后選擇鉆孔灌注樁方案作為閘室基礎(chǔ)處理方式,并對灌注樁單樁豎向承載力和水平承載力進行計算。計算結(jié)果表明,鉆孔灌注樁能提高閘室地基承載力,將其應(yīng)用到龍泉滘水閘閘室深厚淤泥層地基處理中,可以取得很好的應(yīng)用效果。