水闸设计中沉降控制复合桩基应用

纪中庭

(巴州水利水电勘测设计院，新疆 库尔勒 841000)

水闸设计中沉降控制复合桩基应用

纪中庭

(巴州水利水电勘测设计院，新疆 库尔勒 841000)

水利工程中常常会遇到在软土中施工的情况，其中地基沉降现象严重影响了水闸的施工质量。沉降控制复合桩是一种能控制地基沉降的有效施工方式，而水闸是水利工程施工建设中最主要的组成部分，因此，将此施工基础运用于水闸的设计当中，可以让水闸的下部桩基布置不断的优化，进而减少地基的沉降幅度，增加软土基水闸施工的稳定性和安全性。

软土地基；水闸设计；沉降控制；复合桩基

我国的地域比较辽阔，河流众多，在水利工程项目建设不断增加的情况下，也面临非常大的困难。由于河流两岸的土地比较松软，因此在软土地基上进行施工，面临最大的问题是地基沉降问题，如果水闸建设期间遇到软土地基沉降现象，不仅影响工程的施工进度，而且还会为水闸以后的工作埋下安全隐患，不利于水闸的长久工作。但随着水利工程建设技术的不断进步发展，水闸在软土地基中施工可以采用沉降控制复合桩来避免其沉降问题，如何才能更好的运用沉降控制复合桩基技术是目前水利工程水闸设计建设中急需解决的问题[1]。

1 工程实例

某水闸的地理位置比较优越，闸底板总共长为22 m，宽10 m，水闸底板上部的荷载量最大可以达到35 653 kN，水闸的基底埋深在天然地面以下2 m，地基土层为沙质粉土，基底埋深为1.5 m，而水闸在天然情况下沉降量在16 cm左右。此水闸的天然沉降量比《水闸设计规范》中的要求要高，在《水闸设计规范》中要求为15 cm，因此，在水闸桩基础施工期间，一般采用摩擦型桩，这样将降低水闸桩基的沉降率，同时采用的桩基根数和尺寸是根据水闸底板底面以上的全部荷载来确定，因此，水闸桩基的布置要实施正方形的预制方桩，一般大小为0.4 m×0.4 m的桩基，预制方桩的长度可以选择23 m，每一个预制方桩的间距可以保持在2 m之间，水闸桩端主要位于黏质粉土中，该处的桩基主要考虑其支撑水闸的竖向荷载，它的沉降值一般在2.2 m。

除了考虑竖向的荷载桩基础承担之外，还要考虑底板以下地基的桩基共同承担的外荷载部分，这样才能相互结合，进而促使水利工程桩基布置的全面优化[2-4]。

根据当地的勘查单位提供的水利工程水闸地质勘查报告，水闸工程施工范围的各土层地质参数情况，见表1。

2 设计原理

2.1 复合桩基的要求

在进行沉降控制的过程中，复合桩基要满足长细比80～100的比例要求，同时保持桩间距应为桩直径尺寸的5～6倍，此外，复合桩基打入的持力层应当为压缩性比较低的土层，承台埋入的深度尺寸满足建筑物主体高度1/15以上的要求[5]。

桩基与承台共同承担外界施加的荷载，而总体设计原则是在承台底面位置计算得到的荷载值应当大于所采用的复合桩基单根荷载能力标准值加和以后的值，而桩基本身需要承担单个复合桩极限承载能力加和以后得到的荷载值，承台下面的地基则用于承担余下的荷载值[6-7]。如果承台底面计算得到的荷载值小于等于所采用的复合桩基单根荷载能力标准值加和以后的值，则全部荷载都需要由桩基自身来承担，地基则不再承担荷载。

表1 水闸工程地质参数表

复合桩基自身所产生的沉降问题一般由两类原因导致，一是附加荷载作用下，加固区会产生沉降，是在对桩顶进行灌注桩操作时产生的沉降现象。根据弹性理论，一般在计算沉降情况时，会从单根复合桩基所产生的应力情况出发，按照简单叠加的方式计算出全部复合桩基会对地基产生的应力之和，之后再根据此应力值进行沉降情况的计算。这种按照简单叠加方式进行的计算，能够充分考虑到单根桩基长度、桩基数目、桩基距离等参数对于整体沉降效果计算产生的影响，因此，具备较好的科学性和合理性。

2.2 沉降值计算

令建筑物的荷载永久组合值标记为P，承台的地基土体自身重量产生的重应力为σc，承台下采用的复合桩基数量为n，其中单根桩基最大的承载力为Rk，排除掉浮力影响以后，单根桩基自身重量产生的重应力为σpk。首先，计算n根桩基由桩顶位置附加的荷载所引起沉降情况，其中沉降经验系数取值为1.0。

(1)

式中：s为全部桩基的总体沉降情况， mm；T为桩基的平面以下位置、沉降范围内的土层数，层；ψm为沉降经验系数，本文中选取为1.0；E为自重和外界附加压力所产生的压缩模量差，MPa；σz,j,i和Ht,i分别为桩基在平面以下位置土体所产生的竖向附加力和竖向的厚度数值， Pa和m。

(2)

式中：σc为单根桩基的沉降情况，mm；Q为单根桩基所需要承受的荷载计算值，kN/m2；L为桩基的长度，m；a为在计算沉降荷载时桩端产生阻力所占的比例，而1-a则表示桩侧摩擦产生的阻力所占比例；I为阻力的应力影响系数，而下角标p,k,j分别代表的是桩端、桩侧、桩基的根数，根。

其次，对于由承台附加荷载所引起的桩基沉降情况计算公式为：

(3)

式中：s为计算得到的沉降值，mm；ψm为沉降经验系数，本文中选取为1.0；P0为地面产生的基础的附加压力，Pa；n为地基的土层数目，层；i为土层系数，δ为沉降系数；Es,0.1-0.2低级的压缩模量，具体计算的是0.1～0.2 MPa条件下的值，MPa。

3 沉降计算分析与桩基优化设计

本项目中关于沉降计算和桩基优化设计的相关内容都遵守《地基基础设计规范》(DGJ 08-11-2010)中的相关内容。

3.1 水闸沉降情况与所使用桩基长度的关系

在软土地基水闸沉降控制复合桩基的应用设计中，在桩数、桩距、桩端持力层情况相同的情况下，随着桩基长度的加长沉降值会逐渐减小。当桩基的桩端向下深入到淤泥质黏土层后，随着桩基长度的加长沉降值会出现急速下降的情况，一般能够达到桩基长度每增加1 m，沉降值就会减少10～20 mm。而当桩端向下深入到含沙淤泥质黏土层时，随着桩基长度的增加沉降值仍然会下降，但是下降的速度就非常缓慢了，一般桩基长度每增加1 m，沉降值只能减小1～6 mm。因此，在软土地基水闸设计中使用沉降控制复合桩基，选择淤泥质黏土层作为持力层，一方面控制沉降的效果好，另一方面也能节约施工成本。在本工程中，为了较好的控制桩基的持力层位置，应当尽量确保桩基的终端在淤泥黏土层中，而尽量与含沙淤泥质黏土层保持一定的距离，本项目选用的桩基长度为23 m。

3.2 闸底板沉降情况与桩数、桩距的关系

在确定桩基桩长之后，要对具体的桩数和桩距进行计算，复合桩的长度可选择为23 m，当桩数选择为32根、桩距确定为7 m时，由公式(1)～(3)计算可得沉降值为75.6 mm，而桩数确定为49根、桩距为5 m时，沉降值达到66.7 mm。对比两种沉降值后能够发现，虽然后者的沉降值更为合理，但使用的复合桩基数目差距非常大，从施工成本角度综合分析后，本项目采用沉降值达到75.6 mm的方案。

3.3 方案的可行性验证

在软土地基水闸涉及的沉降控制复合桩基实际应用的过程中，针对摩擦型的桩基，由于桩基和桩基之间的土体有摩擦产生的阻力，因此能够分担一部分主体产生的荷载。因此，可以将10%～15%的荷载去掉，剩余的荷载作为实验计算中所需要考虑的荷载，在实际应用中，方案也是安全、可行的。

以本项目的方案为例，P值为35 673.5 kN时，闸底面积为403 m2，此时计算可得复合桩基所需要承受的荷载值为23 918 kN，而桩基数目为31根，单根桩基荷载能力为699.5 kN，复合桩基整体能够承受的荷载值为21 684.5 kN。由数据对比可知满足大于计算得到的复合桩基需要承载的荷载值的85%～90%的要求，因此，这个计算方案在实际应用中是安全、可靠，且具备经济性的。

4 结 论

在具体应用过程中，需要充分考虑地基的实际情况，从桩基长度、桩基数目和桩基距离等方面进行科学计算，同时兼顾桩基的经济性、安全性、可行性和可靠性的要求，在满足工程实践条件的情况下，提升复合桩基的施工水平，保证软土地基水闸的使用安全性。本文根据《地基基础设计规范》(DGJ 08-11-2010)中沉降控制复合桩基理论，对于工程实践中的具体项目进行沉降控制方案设计，在保证水闸结构安全的情况下，控制混凝土的使用总量，降低了工程造价。

[1] 李宏峰.软土地基水闸设计中沉降控制复合桩基应用的价值分析[J].中国水运(下半月),2015(2):179-180，182.

[2] 徐炳林.软土地基水闸设计中沉降控制复合桩基应用实践[J].珠江水运,2015(24):70-71.

[3] 胡翀宇.软土地基水闸设计中沉降控制复合桩基应用研究[J].山西建筑,2016(4):54-55.

[4] 黄智鑫.沉降控制复合桩基在软土地基水闸设计中的应用[J].中国水运(下半月),2014(6):352-353，363.

[5] 陈新.软土地基沉降控制复合桩基的设计计算[J].中国市政工程,2012(1):21-23.

[6] 尹威.应用沉降控制复合桩基理论对软土地基进行加固[J].西部探矿工程,2007(8):41-42.

[7] 唐洁.沉降控制复合桩基承台设计研究和工程应用[J].建筑施工,2011(6):471-472.

纪中庭(1984-)，男，江苏徐州人，工程师，主要从事水利工程设计工作。E-mail：396677980@qq.com。

TU473.1

A

2096-0506(2017)07-0084-03