混凝土桩复合地基在船闸工程中的应用

罗 彬， 章金河， 毛 成

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

桩体复合地基在建筑基础底部是一种常用的地基处理形式，主要原理为天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。根据地基中增强体的方向复核地基可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基两大类，竖向增强体复合地基习惯上称为桩体复合地基[1]。桩体复合地基被广泛应用于上部大荷载的软基工程地基处理中[2]，在《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)[3]和《复合地基技术规范》(GB/T50783-2012)[4]中分别给出了多种桩体复合地基形式供设计人员参考，但在项目实际实施时，往往可能出现设计时理论成立、但实践时由于种种因素难以顺利实施的情况。

本文以引江济淮东淝河复线船闸工程的导航墙地基处理方案设计变更为例，对理论计算和实际施工中出现的问题进行分析，并提出最终的混凝土桩处理方案。

1 工程概况

引江济淮东淝河复线船闸位于寿县县城西北约2.5km，原东淝河老船闸位置如图1所示，按Ⅱ级船闸设计，闸室尺度为280m×34m×5.2m(闸室长度×口门宽×门槛水深)。

图1 东淝河复线船闸闸位图

船闸布置在节制闸中心线左侧113.87m、现有船闸中心线右侧70m处， 跨闸公路桥从上游导航墙上方通过，船闸上下闸首顺水流向长度均29.8m，闸室段290m，闸首口门及闸室净宽均为23m，上下游主导航墙长度均为114m(投影长)，采用对称布置[5]。

2 工程地质情况

①1层种植土(Q4ml):黄灰色、灰褐色,松散,稍湿,以可塑状态黏性土为主,含植物根系。主要分布于大堤外侧滩地。揭露层厚为0.30m。揭露层底高程为19.10m。

①2层杂填土(Q4ml):灰色、灰褐色,稍密,稍湿,以回填黏性土混碎石及建筑垃圾为主。主要分布于大堤内侧滩地。揭露层厚为0.50～1.30m。揭露层底高程为18.93～22.57m。根据现场踏勘,该层回填年限大于5年。

①3层素填土(Q4ml):灰褐色,松散～稍密,稍湿,以回填黏性土为主,局部混少量碎石。主要分布于东淝河大堤及内外侧滩地。大堤填土是人工在不同时期多次堆积而成,土质较均匀。揭露厚度为0.50～3.80m。揭露层底高程为18.23～21.77m。根据现场踏勘,该层回填年限大于5年。

② 层淤泥质粉质黏土(Q4al):灰色、灰黑色,流塑,含腐殖质,有腥臭味。主要分布于河床底部。揭露厚度为0.80～1.10m。揭露层底高程为13.05～15.25m。

③ 层粉质黏土(Q4al):黄灰色、灰色,软～可塑,局部为软塑。主要分布于外侧滩地。揭露厚度为0.90～1.20m。揭露层底高程为18.20～19.12m。

④ 层粉质黏土(Q4al):灰褐色、黄灰色、黄褐色,可塑,含铁锰氧化物。分布于整个场地。揭露层厚为1.30～7.20m。揭露层底高程为8.35～18.32m。

④2层粉质黏土(Q4al):黄灰色,软塑,局部为可塑状态。该层零星分布。揭露层厚为3.00～4.40m。揭露层底高程为13.80～16.12m。

⑤ 层粉质黏土(Q4al):黄褐色、灰黄色、灰褐色,硬塑,含铁锰氧化物,夹粉土薄层。揭露层厚为1.20～5.80m。揭露层底高程为10.32～14.10m。

⑥ 层粉质黏土(Q4al):黄灰色、黄褐色,可塑,含铁锰氧化物,夹粉土薄层。揭露层厚为2.70～4.60m。揭露层底高程为7.53～10.52m。

⑦ 层粉土(Q4al):灰色、灰黄色,密实,很湿,夹粉砂薄层。揭露厚度为0.80～5.70m。揭露层底高程为4.82～10.20m。

⑦1层粉质黏土(Q4al):深灰色、灰色,软～可塑,夹粉土薄层,混少量砾石。该层零星分布。揭露厚度为1.70m。揭露层底高程为7.22m。

⑧1层粉砂(Q3al):黄褐色,中密～密实,饱和,主要矿物为石英,混黏性土。揭露厚度为3.90～4.50m。揭露层底高程为4.43～5.70m。

⑧2层细砂(Q3al):黄褐色,中密～密实,饱和,主要矿物为石英,混黏性土。揭露厚度为0.90～4.90m。揭露层底高程为7.85～11.80m。

⑨ 层角砾(Q3pl):灰色,中密～密实,饱和,次棱角状为主,磨圆度较差,母岩成份为灰岩,粒径5～15cm为主,填充大量粗砂以及黏性土。该层零星分布。揭露厚度为1.60～6.80m。揭露层底高程为-2.18～4.40m。

⑩ 层卵石(Q3pl):杂色,中密～密实,饱和,主要成分以灰岩为主,粒径以20～40mm为主,最大粒径达60mm,呈亚圆形,钻进较慢,跳钻,填充大量粗砂以及黏性土。揭露厚度为0.90～5.30m。揭露层底高程为-0.37～3.50m。

桩基岩土设计参数见表1。

表1 打入桩岩土设计参数表

3 设计水位组合

导航墙设计水位组合见表2。

表2 各工况墙前、墙后水位组合表

4 复合地基设计

选取H=12m的下游导航墙为例进行分析:C30钢筋混凝土扶壁式结构,全长97.55,顶高程为24.57m,底板顶高程为12.57m,墙高12m,底板宽8m,厚1m,立板厚0.8m,肋板厚0.6m,走道板宽2m,墙后填土顶高程22.0m。结构段主要分段长14.2m,设3道肋板。

在设计低水位工况时,墙后水位按设计最低通航水位以上0.5m考虑;设计高水位工况时,墙后水位按设计最高通航水位持平考虑。根据《船闸水工建筑物设计规范》(JTJ307-2001)[6]针对不同的设计工况进行地基承载力验算,具体结果详见表3。

表3 各工况地基反力成果表

由于导航墙底高程均位于⑦ 层粉土上,由表1可知该层地基承载力容许值f=160kPa不能满足计算的最大地基反力要求,需要进行地基处理。原设计方案拟定了以φ50cmPHC桩@200cm梅花型布桩的地基处理方案,由于PHC桩为刚性桩,其中参数按刚性桩相关参数取值,最终计算得平均桩长4m,桩端打至⑩ 卵石或1强风化砾岩持力层,单桩承载力Ra=535kN,具体如图2所示。

图2 导航墙及复合地基断面图

此时复合地基总侧阻力为457kN,总端阻力为78kN,总侧阻力在单桩承载力中发挥占比457/535=85%,由此判断符合规范 “14.1.3 刚性桩复合地基中的刚性桩应采用摩擦型桩”的要求。

5 现场施工及变更

导航墙工程于2019年9月开始施工,施工单位选取下游导航墙附近进行首件试桩静压施工,桩端加钢桩靴。试桩实施情况:设计地质情况为粉砂层、PHC桩顶标高+7.55m、平均桩长4m、设计承载力200kPa;实际试桩过程中,当PHC桩桩底标高入砂层到达+7.5m高程时,静压桩机压力已达到220t,持荷5min后,PHC桩仍未任何变化。

根据试验结果，结合现场实际情况和施工进度要求，难以达到设计要求的标高要求，同时由于：①下部桩底持力地层高低起伏较大，即便采用引孔措施，一会增加工程费用，同时也可能出现各种问题[7]，二会产生大量的截桩工程量造成浪费；②设计要求桩基打至持力层，桩基长度变化较大，施工控制精度要求高。因此根据施工单位测算后，提出将导航墙基底φ50cmPHC桩优化为采用钻孔成孔工艺的φ50cm素混凝土桩，混凝土标号C30，进入持力层1.2m。通过测算后，工程量及费用对比见表4。

表4 工程量费用对比表

综合以上比较,PHC桩化为素混凝土桩后,造价减少了78 737元,同时还克服了PHC桩难以穿透砂层、桩底施工标高难以精确定位、截桩耽误工期等不利影响,成为最终的地基处理方案。目前导航墙工程已实施完毕,经检测效果良好。

6 结束语

通过对东淝河复线船闸导航墙地基处理方案的理论计算和现场施工实践,确定了最适合工程的地基处理方案。与PHC桩复合地基方案比较,素混凝土桩施工难度大幅降低、经济性相对较好,同时还缩短了工期,保证了项目的施工进度,体现了该种地基处理型式在较大上部荷载建设工程中的良好适应性,在船闸工程中是一种创新实践。