钻孔灌注桩在二干河水闸地基处理中的应用

吴 洋，赵 东，贺 鹏，严家家

(1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223000；2江苏茂源勘测规划设计有限公司，江苏 仪征 211400)

软土承载力较为低下已经成为制约工程建设的一个重要因素。在软土地基上直接修建建筑物，极易出现沉降量过大或者不均匀沉降等问题[1-2]。因此，对软土地基进行处理是非常必要的。可在一定程度上提高软土承载力，控制变形沉降量，保证上部结构的安全。目前，对软土地基的处理方式主要包括：振冲碎石桩、高压旋喷桩、强夯法、预压法等[3-9]。针对不同的地质情况和上部荷载要求采取不同的地基处理方法。针对地基加固效果的研究通常采用数值模拟方法，具有建模速度快，计算结果准确等优势[10-11]。结合二干河水闸工程，对钻孔灌注桩在地基处理工程中的应用进行分析。

1 工程概况

现状二干河水闸主要功能是防洪、排涝和灌溉。该闸按20a一遇设计，100a一遇校核，设计最大过闸流量为175m3/s，分3孔布置，每孔净宽6m，闸底堰顶高程2.5m，采用钢筋混凝土平板闸门、卷扬式启闭机。

2 地基处理方案

2.1 处理方式

根据闸室、泵室稳定、地基沉降的计算成果，闸室、泵室软弱下卧层承载力和地基沉降不满足要求，因此需进行地基处理。水闸关于下卧层承载力不足以及沉降不满足要求的常规地基处理方法为：水泥土搅拌桩复合地基、高压旋喷桩复合地基处理、预制砼桩处理、钻孔灌注桩处理。

根据地勘资料本工程闸室、泵室持力层自上而下为0.5～0.9m③1含碎石粉砂(稍密)层、3.5～3.1m③2含碎石粉砂(中密)层，水泥土搅拌桩钻进困难，并且对软弱层地基承载力提高有限；若采用预制桩处理，持力层为密实的含碎石粉砂，将桩打入土层难度较大，并且因桩基较长需接桩，垂直度不能保证。因此本次对高压旋喷桩复合地基处理、钻孔灌注桩处理2种方案进行比选，见表1。

表1 闸室、泵室、岸墙地基处理方案比选

因为已对闸室、泵室进行垂直防渗围封，消除了灌注桩防渗不利影响，而钻孔灌注桩方案地基处理费用为高压旋喷桩方案的一半，因此本次闸室、泵室、岸墙采用钻孔灌注桩地基处理方案。

2.2 桩基设计

2.2.1桩基布置

考虑上部荷载全部由桩基础和底板共同承担，确定在闸室底板下布置桩基45根、泵室底板下布置桩基28根、左右岸墙共布置桩基57根。闸室、水闸、岸墙均采用Ø1000mm钻孔灌注桩，桩长25m。

2.2.2桩基础竖向承载力计算

以完建期为控制工况，单桩竖向极限承载力标准值Quk按式(1)计算，计算结果见表2。

表2 闸室灌注桩竖向承载力计算成果

Quk=uΣqsiali+qpaAp

(1)

式中，u—桩身周长，mm；li—桩长，m；Ap—桩端面积，mm2；qsia—桩侧极限侧阻力，kN；qpa—桩端阻力，kN。

单桩竖向承载力特征值Ra：

(2)

式中，k—安全系数，取k=2。

由于闸室采用整底板结构，整体刚度较好，并且底板持力土层承载力较好，因此考虑承台效应。考虑承台效应的单桩承载力特征值按下列公式计算：

R=Ra+ηfakAc

(3)

Ac=(A-nAps)/n

(4)

式中，fak—承台下1/2承台宽度且不超过5m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；η—承台效应系数；Aps—桩身截面积，mm2；Ac—计算桩基所对应的承台面积，m2；A—承台面积，m2。

由计算结果可知，各部位底板下桩基竖向承载力均满足要求。

2.2.3桩顶位移计算

经分析，桩顶位移的控制工况为完建期，按JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》的有关规定计算桩顶位移，计算结果见表3。

表3 灌注桩桩顶位移计算成果

由计算结果可知，各部位底板下灌注桩的桩顶位移都满足规范小于5mm的要求。

3 加固效果分析

3.1 数值模拟模型建立

结合二干河水闸基础地质资料可知，水闸处主要地基土层为：第四系全新统粉质黏土(Q4)、淤泥质粉质黏土(Q4)、含碎石粉砂(Q4)、粉土(Q4)及淤泥质粉质黏土夹薄层粉砂(Q4)等。根据设计桩长及桩间距建立数值模拟模型。研究钻孔灌注桩施工完成后，上部水闸施工过程及施工完成运行期间，钻孔灌注桩及桩间土的变形和桩土应力比变化情况。计算模型如图1所示，计算参数见表4。

图1 FLAC数值模拟模型

表4 各土层力学参数

3.2 数值模拟计算结果分析

3.2.1沉降变形分析

在水闸主体结构施工期间及施工完成后，钻孔灌注桩和桩间土之间的沉降变形结果如图2所示。

图2 沉降变形监测结果

由图2可知，在水闸施工过程中，灌注桩及桩间土的沉降量随着主体结构的施工而逐渐增大，沉降变形速率较为稳定，主要原因是考虑到在施工过程中，上部结构施工速度较为稳定，结构荷载的增加速度较为平稳。当泵站施工完成后，灌注桩及桩间土的沉降变形速率有所下降。上部结构施工早期，桩和桩间土之间的沉降差值较小，随着上部荷载不断增大，超过桩间土承载力时，桩间土沉降差值不断扩大。直至上部结构施工完成，荷载保持稳定，桩间土固结承载力增大，由桩和桩间土共同承担上部结构的荷载，此时，桩与桩间土之间的沉降差呈不断缩小的趋势。

3.2.2桩土应力比研究

桩土应力比是桩、土所承受荷载差值的反映，桩土应力比越大表明桩土承受荷载的差值越大。在施工期、完工期桩土应力比值大小如图3所示。

图3 桩土应力比

由图3可知，桩土应力比在整个过程中呈现出先增大、后减小的趋势。在刚刚完成上部结构施工时，桩土应力比达到最大值，之后桩土应力比逐渐减小。其主要原因是：在施工过程中，水闸荷载不断增大，超过桩间土承载力后，将由灌注桩承担主要荷载，之后，灌注桩承担荷载不断增大，在上部结构施工完成时达到最大值。之后，水闸荷载趋于稳定，桩间土不断固结，承载力有所提升，桩土应力比不断减小。

4 结论

(1)二干河水闸软土厚度大，不满足承载力要求。通过方案比选，采用钻孔灌注桩进行地基处理，具有投资低等优势。

(2)通过理论计算结合数值模拟分析，采用钻孔灌注桩处理后，可较好控制地基沉降量，有利于上部结构安全。

(3)桩土应力比、桩土沉降差随着水闸施工不断增大，在水闸施工完成时达到最大值，之后桩土应力比、桩土沉降差呈现减小趋势。主要原因是：施工初期，上部荷载不断增大，超过桩间土承载力时，桩间土沉降量不断增大，主要由灌注桩承担上部荷载，之后荷载稳定，桩间土固结沉降、承载力提升，桩土应力比、桩土沉降差趋于稳定。