地基处理后闸室稳定计算

沈晓青

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄 050021）

1 工程概况

某防潮闸于1972年10月动工修建，1973年9月竣工。该闸原设计排涝标准为5年一遇，原设计过闸流量为135 m3/s。闸室总长77 m，总宽39.9 m，每孔净宽3.5 m，共9 孔，分上、中、下3 层，为胸墙式水闸。闸门均为直升式平面钢闸门，启闭机为10 t 手电两用螺杆式。其主要功能为挡潮、排涝。1979年，因上层闸门封闭不严、漏水严重，当地水利局对上层闸孔进行了封堵，并将中孔和底孔合并，将闸门改建为平板钢闸门。

该闸建成至今已运行40 多年，出现了诸多问题：闸墩、机架桥、胸墙、交通桥混凝土破损严重，多处开裂、剥落、破碎，露筋锈蚀严重，部分箍筋已锈断；钢闸门锈蚀严重，边梁、顶梁多处锈穿，止水损坏；启闭机大部分已不能运用，5 号启闭机底座断裂；电气设备陈旧老化等。

2 工程地质

该防潮闸工程区地质结构自上而下依次为人工堆积层，厚0.5～2.4 m；第四系全新统上段陆相冲积层，厚2.9～4.1 m；第四系全新统中段海相沉积层，厚7.3～12.9 m；第四系全新统中段海陆交互相沉积层，厚12.8～17.0 m；第四系全新统下段陆相冲积层，揭露最大厚度8.8 m。地层整体呈黏性土、砂土多层结构。

防潮闸除险加固后闸室底板高程-2.5 m。基础位于第四系全新统中段海相沉积层淤泥质黏土层中，该层有效厚度约4 m，呈流塑—软塑状态，压缩系数a1-2=0.35～1.36 MPa-1，具高压缩性，易产生沉降问题，承载力特征值fak=70 kPa，承载力低，不宜作为基础持力层。

3 工程布置

对原闸室进行复核计算，其抗滑稳定性以及闸室底板强度不满足规范要求，故对原闸室进行拆除重建。重建闸室采用钢筋混凝土开敞式结构，闸室总长106 m。其中，上游段长30 m，闸室段长15 m，下游段长61 m。

新建闸室段长15 m，中墩厚1.3 m，缝墩和边墩厚1.1 m，闸室为5 孔，净宽为6 m，分为3 孔1 联和2个单孔为1联，其中3孔1联段宽为22.6 m、2个单孔1联段各为8 m，闸室总宽度为38.6 m。闸室底板厚1.6 m，高程-2.5 m，墩顶高程为4.65 m。工作闸门上下游各设置检修闸门1 扇，交通桥布置在工作闸门上游侧，桥宽4.0 m。墩上设净宽1.5 m的检修板，板厚0.3 m。闸墩上设排架，排架顶高程为12.05 m。排架顶设机架桥，机架桥顶高程12.65 m。机架桥顶设启闭机室，启闭机室地面高程为12.65 m。

4 闸室稳定计算

闸室稳定计算采用《水闸设计规范》（SL265-2001）中公式进行计算。抗滑稳定系数计算公式为：

式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数容许抗滑稳定安全系数；∑G为作用于闸室上的全部竖向荷载（kN）；∑H为作用于闸室上的全部水平向荷载（kN）；f为闸室基底面与地基之间的摩擦系数。

地基应力验算采用下式计算：

水闸底板基础坐落在淤泥质黏土上，饱和固结快剪指标取c=14.9、∅=9.3°，地基承载力特征值fa=70 kPa。取闸室中间3孔1联进行稳定计算，计算工况见表1，稳定及基底应力计算成果见表2。

表1 闸室稳定计算水位组合

表2 闸室稳定计算成果

经计算，闸室在工况一时地基承载力不满足规范要求、工况三时抗滑安全系数不满足规范要求，故需进行地基处理。

5 地基处理后闸室稳定计算

地基处理采用《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中公式进行计算。计算采用桩长为18 m，桩径为1.0 m，桩间距为3.5 m 的钢筋混凝土灌注桩对闸室基底进行处理。

采用钻孔灌注桩基础以后，闸室底板即桩顶承台，桩顶嵌入闸室底板，桩顶材料的抗剪断能力是不可忽略的阻滑力。

根据《水闸设计规范》，对于土基上采用钻孔灌注桩基础的水闸来说，验算沿闸室底板底面的抗滑稳定性应计入桩体材料的抗剪断能力，即应在下式的分子项中计入桩体材料抗剪断强度与桩体横截面面积的乘积。

式中：φ0为闸室基础底面与土质地基之间的摩擦角（°）；C0为闸室基底面与土质地基之间的粘结力（kPa）；A为闸室基底面的面积（m2）；其余符号意义同上。

但是，对于抗弯性能好的钢筋混凝土灌注桩来说，在桩身断裂之前，桩身的水平位移已经超过建筑物的允许值，所以此种情况应由水平位移作为控制条件来进行闸室稳定计算。

当桩顶发生水平位移时，闸室基底的水平力应考虑群桩基础的作用效应，基于《建筑桩基技术规范》中公式，群桩基础的基桩水平承载力特征值按下式计算：

式中：Rh为单桩基础或群桩中基桩的水平承载力特征值（kPa），对于单桩基础，可取单桩的水平承载力特征值；Rha为单桩水平承载力特征值（kPa）；ηh为群桩效应综合系数；ηi为桩之间相互影响效应系数；ηr为桩顶约束效应系数；ηl为承台侧向土水平抗力效应系数；ηb为承台底摩阻效应系数；sa d为沿水平荷载方向的距径比；n1，n2分别为沿水平荷载方向与垂直水平荷载方向每排桩中的桩数；m为承台侧向土水平抗力系数的比例系数；χ0a为桩顶水平位移允许值（mm），本次设计取6 mm；Bc´为承台受侧向土抗力一边的计算宽度（m）；Bc为承台宽度（m）；hc为承台高度（m）；μ为承台底与地基土间的摩擦系数；Pc为承台底与地基土分担的竖向总荷载标准值（kN）；ηc为承台效应系数；fak为承台下1/2承台宽度且不超过5 m深度范围内各层土的地基承载力特征值按厚度加权的平均值；A为承台总面积（m2）；Aps为桩身截面面积（m2）；n为桩基中的桩数。

其中，单桩水平承载力特征值可按下式估算：

式中：Rha为单桩水平承载力特征值（kPa）；EI为桩身抗弯刚度，对于钢筋混凝土桩，取EI=0.85EcI0；α为桩的水平变形系数；χ0a为桩顶允许水平位移（mm）；vx为桩顶水平位移系数；m 为桩侧土水平抗力系数的比例系数；b0为桩身的计算宽度（m）。

计算过程中以水平位移作为控制条件，取χ0a=6 mm。将由此计算得出的桩身承担的水平承载力计入闸室稳定计算各个工况中的水平力中进行稳定计算。计算工况同表1，计算成果见表3—4。

表3 地基处理后闸室稳定系数计算成果

表4 地基处理后闸室基底应力计算成果

由上表可以得出，经过地基处理之后，闸室的抗滑稳定以及地基应力均满足规范要求。

6 结语

对于以桩身强度控制的低配筋灌注桩来说，桩在破坏之前，桩身与地基的变形是协调的，相应的桩身产生了内力，随着桩身变形与内力的增大，经常是桩身首先出现裂缝，然后断裂破坏，应由桩身强度作为控制条件进行闸室稳定计算。对于抗弯性能好的钢筋混凝土灌注桩来说，桩身虽未断裂，但桩的水平位移已经超过建筑物的允许值，应由水平位移作为控制条件来进行闸室稳定计算。实际工程中上述两种情况应加以区分。