变刚度调平法在水工建筑物地基处理中的运用与探索

洪 伟，李永生，倪言波，俞 伟

（1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，223005,淮安；2.江苏淮阴水利建设有限公司，223005,淮安）

随着经济社会发展，水利工程功能从单一防洪排涝向以防洪排涝为主，兼顾调水、活水、水环境和水景观转变。 闸站结合、闸桥结合、桥坝结合等综合型水工建筑物,在条件具备时，为节省空间、减少各功能区间分缝及止水、方便施工，可采用整体化结构。但整体结构各功能区间荷载差异又会导致不均匀沉降差和内力增大。 为解决这一问题，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）的理念及原则，提出根据水工建筑物基础不同区域的地基反力大小采用不同程度和方法的变刚度调平地基处理法，可减小不同区域间的差异沉降和结构内力。

一、变刚度调平法原理及基本方法

1.变刚度调平法原理

天然地基和均匀布桩的初始竖向支承刚度是均匀分布的，设置于其上的刚度有限的闸底板受均布荷载作用时，由于土与土、桩与桩、土与桩的相互作用导致地基或桩群的竖向刚度分布发生内弱外强变化，沉降变形发生内大外小的碟形分布，基底反力出现内小外大的马鞍形分布。 当上部结构为荷载与刚度分布不均匀的闸站结构、闸桥结构时，将导致荷载和刚度大的区域沉降大、荷载和刚度小的区域沉降小，这种差异沉降在结构中将引起附加应力。 为避免上述负面效应，突破传统设计理念，通过调整地基或基桩的竖向支承刚度分布，使得差异沉降最小，闸底板内力和上部结构附加应力显著降低，这就是变刚度调平概念设计的内涵。

变刚度调平设计旨在通过对不同反力大小区域进行不同程度的地基处理，从而使整个地基不同区域间具有不同刚度来适应相应上部结构的荷载需求，通过这样的地基变刚度调平可减小差异变形、降低水工建筑物结构内力（特别是底板内力），减小底板厚度， 提高建筑物使用寿命，确保正常使用功能。 将常规通过加大底板厚度来增强底板抗弯刚度来减小差异沉降和抵抗结构内力， 称为“抗”。 这种方法性价比不高。 本文将变刚度调平地基刚度方法来减小差异沉降和抵抗结构内力称为“防”，这种方法性价比较高。

2.变刚度调平基本方法

考虑上部结构形式、荷载和地层分布以及相互作用效应，通过调整桩径、桩长、桩距等改变基桩支承刚度分布， 以使水工建筑物沉降趋于均匀、底板内力降低。 根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2018）的原理，对于闸站、闸桥底板，当竖向荷载较大的泵站（或水电站）部分天然地基承载力不满足要求的情况下， 采用桩基时，竖向荷载较小的节制闸部分地基或桩基刚度宜相对弱化，可采用天然地基、复合地基、疏桩或短桩基础。 当竖向荷载较大的泵站（或水电站）部分天然地基承载力满足要求的情况下，可对荷载集度高的区域如泵站（或水电站） 区域等实施局部增强处理，包括采用减小沉降的摩擦型桩基或局部刚性桩复合地基。

按上述变刚度调平的桩基，宜进行上部结构-闸底板-桩-土共同工作分析。 对于按变刚度调平方法设计的桩基刚度相对弱化区的摩擦型桩基，宜考虑底板效应确定其复合基桩的竖向承载力特征值。

二、实例分析

1.采用变刚度调平地基下的结构布置

淮安市里运河北门桥控制工程采用新型底轴驱动式翻板闸门，结构采用下闸上桥形式，工作桥通过边墩顶部工作桥支座及两岸伸缩柱进行支撑。 水闸采用单孔形式，孔宽30m。水闸整体横河向最大跨度为43m，顺河向最大跨度为35m，水闸底板底部最小高程为0.7m，底板顶部最大高程为5.5m。 地质勘探表明，水闸所在位置工程地质条件复杂，特别是在闸室段的地基土层中淤泥质软土分布较多，承载力较低，不能满足结构要求，需要进行地基处理。 经方案对比，决定采用钢筋混凝土灌注桩加固方案。

由于水闸孔径较大，两侧空箱结构除承受自身重量外，还承受上部桥梁传来的静、动荷载及闸门启闭设备重量，因此两侧空箱下的地基反力比中间闸底板下的地基反力大，为减小不均匀沉降差大及底板结构的内力，对于地基采用不均匀布桩的变刚度调平法，在两侧反力较大的空箱区域桩间距为3.8 m （3.2 m）（顺水流向）×2.9 m（垂直水流向），桩长为22.5 m；在中间反力较小的水闸区域桩间距为3.8 m（3.2 m）(顺水流向)×3.5 m（垂直水流向），桩长为20.5 m。

2.采用变刚度调平地基下的结构分析

（1）分析模型

本项目利用ABAQUS 软件对闸室进行三维有限元分析， 水闸基坑取整个水闸和一定范围的地基(横河方向，自南岸临土墩墙向南延伸61 m，自北岸临土墩墙向北延伸55 m；上下游方向，自水闸底板上游侧边沿向上游延伸65 m，自水闸底板下游侧向下游延伸75 m；垂直方向，从底板向下延伸61 m，包括整个厚覆盖层作为整体结构剖分有限元网格，水闸整体三维有限元模型如图1 所示。

闸门的水平推力以集中力形式等效作用在水闸底板相应金属闸门铰支座上；上下游静水压力以面力形式作用在水闸相应位置；扬压力以面力形式作用在水闸底板下侧； 水闸边墩上部工作桥、排架、公路桥等荷载以集中力形式施加在水闸边墩以及两侧桥台相应支座节点； 水闸及地基整体施加重力。 水闸复合桩基础地基中混凝土灌注桩与地基土层单元之间采用薄层单元模拟接触。 在地基底部加三向固定约束，在地基垂直侧面加法向链杆固定约束， 桩基础模型如图2所示。

（2）计算工况

根据水闸施工情况及水闸运行期工作性态，本项目分为以下几个计算工况。

①完建期工况，上下游围堰完成，地连墙与上下游形成防渗封闭，地连墙外侧水位为施工期水位组合，闸塘内水位为上下游闸底板底高程以下0.5 m～底板顶高程平齐变化。 完建期工况可分为以下3 种工况。

a.完建期1 工况。水闸整体浇筑完成后（后浇带完成），闸室上下游地下水水位为上下游闸底板底高程以下0.5 m（地连墙外水位考虑上下游施工期水位组合），桥主体结构还未施工时。

b.完建期2 工况。 水闸整体浇筑完成，桥满堂支架开始搭建（桥主体结构未施工），闸两侧回填土填筑（施工填筑高程可取10.5 m），闸室上下游地下水水位抬升至上下游闸底板顶高程平齐（地连墙外水位考虑上下游施工期水位组合）。

图1 水闸模型

图2 水闸及桩基础模型

表1 变刚度调平法下的结构内力与沉降计算成果表

表2 未采用变刚度调平法下的结构内力与沉降计算成果表

c.完建期3 工况。 水闸整体浇筑完成，闸两侧回填土填筑，桥主体结构浇筑完成， 满堂支架全部拆除，闸室上下游地下水水位仍为上下游闸底板顶高程平齐（地连墙外水位考虑上下游施工期水位组合）。

②运行期工况， 上下游围堰拆除， 地连墙与上下游的防渗封闭失效， 地连墙外侧及闸塘内水位一致，上下游对应水位为运行期上下游水位渐变，桥梁按标准施加荷载。 运行期平水位工况可分为以下三种工况。

a.平水位工况。 运行期平水位工况下，底轴下卧闸门竖起。 对应封闭段外侧水位H外=10.0 m，封闭段内侧水位H内=10.0 m。

b.校核正向工况。 校核正向工况下，低轴下卧闸门竖起，挡外侧水，达到最大挡水位置。 对应封闭段外侧水位，封闭段内侧水位。

c.设计反向工况。 设计工况下挡封闭段内侧水情况，相应封闭段外水位，封闭段内水位。

（3）内力与沉降成果

根据上述变刚度调平地基下的计算模型和计算工况，利用ABAQUS软件对闸室进行三维有限元分析，结构应力及沉降计算结果见表1。

3.未采用变刚度调平地基下的结构计算

为充分反映变刚度调平法的特点优点， 本文对未采用变刚度调平地基下的结构进行了计算分析， 此种情况下桩在基础范围内采用等间距、等长布置，桩间距为3.8 m（3.2 m）(顺水流向)×3.5 m （垂直水流向）， 桩长均为22.5 m。 根据相应计算模型和计算工况，利用ABAQUS 软件对闸室进行三维有限元分析， 结构应力及沉降计算结果见表2。

4.两种地基处理方法计算结果的对比分析

通过上述计算结果可以看出，对地基采用刚度调平法相对于未采用刚度调平法的横向、纵向、竖向应力及不均匀沉降均呈减小趋势， 因此，通过刚度调平法处理整底板地基反力分布变化大的水工建筑物地基,有利于减小结构内力、 不均匀沉降，进而可减小底板厚度或配筋量, 提高结构的安全度。

三、小 结

本文通过阐述刚度调平法在水工建筑物地基处理中的运用原理、基本方法和基本条件，并结合淮安市里运河北门桥控制工程的设计实例用数据说明该方法特点，结论如下：

①刚度调平法通过调整桩径、桩长、 桩距等改变基桩支承刚度分布，以使水工建筑物沉降趋于均匀, 底板内力降低。

②刚度调平法适用于水工建筑物地基反力分布差距大的整底板地基。

③通过刚度调平减小结构内力和沉降， 可以优化结构尺寸及配筋，降低造价。