粉喷桩在水闸软土地基处理中的应用研究

刘会桥

(宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司广州分院，广东 广州 510000)

在工程建设中，天然岩土体可直接作为地基的情况较少，多数情况下需要对天然岩土体进行处理，从而获得较高的承载力，以满足工程建设运行的需求。桩基是目前较为常用的一种地基处理方式，有较多的研究人员对桩基设计进行了研究。牛晓松从桩基检测角度出发，研究了不同地质环境中地基检验的方法，取得了良好的效果。张晓健等结合现场试验和数值模拟方法分析桩基的负摩阻力，认为在土石混合料地基后期会对桩基产生较大的负摩阻力，将会严重影响到桩基的承载力。付灏等以实际工程为例，研究了污水处理池采用桩基解决沉降问题的设计方法。马文杰等使用试验方法研究桩基的长径比对其承载力的影响，长径比的增加使得桩侧摩阻力在承载力的比重中增大。吴志龙等研究桩基轴向的刚性系数与横梁内力的关系，刚性系数改变引起横梁内力变幅在9%～27%之间。宋波等使用室内振动台试验，研究了不同桩基类型的地震动力响应及损伤特征，认为钢管斜桩具有较好的抗震效果。李延双等对复杂地质条件下桩端承载力失效机理进行研究，并针对工程特点提出了处理措施，取得了良好的效果。王亮、周德卿等、梁艳军分别以不同的工程实际为例，介绍了桩基的施工工艺。

1 工程概况

某水闸工程的主要任务是防潮排涝，同时还可以起到调水以及改善当地水环境的作用。水闸布置在河道位置，其中管理房位于河道左岸，水闸下游32m处。水闸结构为3孔上翻式平面钢闸门，呈线形排列，总宽度为43.82m，净宽36m。通过工程地质调查，查明了水闸处的岩土体类型，从上向下依次为人工填土层、第四系淤泥质粘土、粉质粘土等及下三系砂岩。下三系砂岩灰褐色，砂质结构，层状构造，节理裂隙发育，岩芯较完整，呈短-长柱状，节长5～70cm，为较软岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅳ级。该层所有钻孔均有揭露，层厚3.00～8.30m，平均为6.07m，基岩强度较好，可作为桩基础的桩端持力层。

2 地基处理方案选择

河道处修建水闸，其地基特点是埋深较浅、厚度较大、强度较低、易变形、表层淤泥及淤泥质砂土中含有有机质，因此天然地基难以直接作为建筑物的地基，需要对地基进行加固处理。目前常用的桩基处理方案见表1。

综合以上所述，本着结构安全、经济合理的原则，本工程拟采用多种方案结合的地基处理方案。闸室主体结构对地基沉降要求高，采用冲孔灌注桩地基处理方案。消力池等次要部位采用水泥土搅拌桩复合地基，既能满足结构沉降要求，经济性又较好。

表1 不同方案桩基对比

表2 数值模拟参数选取

3 加固地基变形分析

3.1 数值模拟模型建立

闸室地基处理采用混凝土灌注桩，桩径1.0m，桩长14.0m，共布桩72根。混凝土灌注桩按端承桩设计，桩端进入微风化岩层不小于2.0m，采用C30混凝土，桩顶与水闸底板锚固，进入水闸底板0.1m。根据水闸闸室设计、地层剖面和桩基布置方案，使用FLAC3D建立数值模拟模型。计算模型如图1所示。

图1 数值模拟计算模型

3.2 计算原理及参数选取

FLAC3D是岩土工程领域常用的有限元数值模拟软件，使用各向同性的本构模型以及摩尔-库伦屈服准则。

根据现场试验获取每组地层的物理和强度参数，作为数值模拟计算的输入参数，各地层参数见表2。

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1沉降分析

施工进程中桩和土沉降模拟结果如图2所示。从图2可以看出，在监测的初期阶段，桩土所承受侧荷载均较小，因此桩和土之间的沉降差值较小，处于协同变形的阶段。随着主体工程的施工，上覆荷载增加，桩与土之间的沉降差值逐渐增大，最大值接近6mm，这说明在荷载增加的作用下，土的承载力较弱率先产生变形。当主体工程完成后，桩与土的沉降差值逐渐减小，接近一致。

3.3.2桩土应力比分析

桩与土的应力比值是桩土所受承载力大小的最直观的反应，如图3所示。在施工阶段的初期桩土应力比值较小，随着主体工程施工的进行，桩与土的应力比逐渐增大，最大的应力比为1.85，达到最大应力比之后，该值逐渐减小。当应力比达到最大时，也是沉降差值达到最大的时刻，之后应力比逐渐减小，桩土沉降差值也逐渐趋于零。

图2 随着主体施工进程桩和土沉降模拟结果

图3 随着主体施工进程桩与土应力比值

3.3.3孔隙水压力分析

地基中孔隙水压力模拟成果如图4所示。在工程施工的初期，地基中不同埋深的孔隙水压力都迅速增大，在预压阶段，随着时间孔隙水压力逐渐消散，地表的人工填土水压力消散最快，粉质粘土(淤泥质土)中孔隙水压力消散较慢且上部水压力消散较快。在上部工程主体建筑荷载作用下，岩土体内部水压力的消散过程则为岩土体压缩沉降的过程。

图4 随着主体施工进程不同深度孔隙水压力模拟值

3.3.4水平位移分析

桩基旁的岩土体水平方向位移模拟结果如图5所示。在开始主体工程施工阶段，水平方向位移首先迅速增大，表层的岩土体首先产生水平方向的位移并且逐渐向下延伸。随着工程的进行，建筑物荷载逐渐增大，各个深度的水平位移逐渐增大，但增大速率逐渐减小，最大位移小于30mm，在可控范围内。

图5 随着主体施工进程不同深度水平方向位移模拟值

4 结论

(1)桩基础是软土地基加固中一个常用的措施。通过比对不同的方案选取了冲孔灌注桩和水泥土复合搅拌桩作为地基处理方案。

(2)使用数值模拟的方法对主体施工过程中地基的沉降、桩土应力比、孔隙水压以及水平方向位移等进行研究。桩土应力比与地基沉降差值是正相关的关系，应力比越大则沉降差值越大；施工初始阶段孔隙水压力迅速上升，孔隙水压力消散的过程是岩土体压缩沉降的过程；通过水平方向位移监测，使用该方法可以获取较好的侧向位移控制效果。