水利工程中软土地基桩基础设计与变形分析

马雪娇 广东水电二局股份有限公司

承台结构是桩基础的支撑结构，不同桩体通过承台连接在一起，可以起到承载外部动力荷载与静力荷载的深基础结构。通常情况下，将桩体置于软土层或软弱结构层中，可以使上部结构的承载力传输到下部密度更高的地基结构上。此类结构具有适用性强、承载力高等优势，目前，已被广泛应用到建筑、桥梁与港口等工程项目建设与开发中。

在进行桩基础结构的设计与施工时，工程方需要重点关注或考虑的问题是此类结构在地基中的沉降变形效应，尤其在具有软土特性的地质结构层中，桩基础会受到周围环境中多种应力的同时影响，从而出现变形、沉降、倾斜、失稳等方面的现象。当桩基础位于水利工程软土地基层时，结构的稳定性与安全性更是值得深入思考的问题。相比其他工程，水利工程的桩基础现场条件更为复杂，涉及的影响因素更多，一旦在设计中由于数据错误或现场勘查不到位，便会导致结构设计参数偏差，使用此种结构作为水利工程软土地基支撑结构，不仅会对工程造成安全隐患，还会由于支护结构不稳定影响水利工程的预期效果。

因此，本文将在现有设计内容的基础上，以广东地区某水利工程为例，提出一种针对软土地基的桩基础设计方法。

1.工程概况与地质条件

本次研究的水利工程项目位于广东地区，通过对该项目的实地勘察可知，水利工程河口的水闸整体采用水下卧倒门设计，进水口的单孔宽度为100米。同时，此水利工程设计的防洪标准为100年一次的重现期，对应的防洪水位高度为6.35米。根据水利工程设计标准文件可知，该工程属于I级工程，其中的水工建筑物等级均按照I级标准设计，包括工程内基坑围护结构、底板结构、防水防渗结构、闸墩结构、启闭设备等。其中沉井结构的设计尺寸为7米×16米×30米，考虑到此工程项目所在地的位置较为特殊，在此区域设计桩基础需要全面考虑地质结构与水文条件与工程质量的影响。因此，在掌握水利工程项目概况信息后，还应采取专项地质勘查的方式，进行水利工程地质条件的分析。具体内容如下表1所示。

从表1中勘查的地质条件信息可知，该工程所在地属于软土地基，地质结构层的综合承载力较低。

表1 水利工程地质条件

2.软土地基桩基础设计方案

2.1 软土地基中单桩承载力计算

为确保设计的桩基础结构满足水利工程中软土地基承载需要，应在设计桩基础结构前，对软土地基中单桩结构承载力进行计算。根据此水利工程项目所在场地的实际情况，预设工程桩基础结构在实际应用中，会受到上部结构的压力，此时桩基础表面在受到外力后会发生下沉，此时下沉会对桩体产生负向摩擦力。此种摩擦力对桩基础造成了一个下拉的荷载作用力，桩基础在承载了顶部荷载的同时，还承载了分布在桩体侧面的摩擦力。在此种条件下，软土地基中桩基础结构的综合承载力可用下述公式进行计算。

公式（1）中：R表示软土地基中桩基础结构的综合承载力；γ 表示桩基础结构在承载力下支撑下的重要性系数；N表示桩基础顶部竖直向下的作用力设计值；Q表示桩侧n负摩擦力设计值。

完成上述计算后，进行软土地基中单桩承载力的计算，计算时考虑到基础结构中的单桩不仅应考虑侧向负摩擦力对其的影响，还应当考虑地基结构与桩体的支撑作用力与单桩结构的自身强度。单桩结构集成在一个结构体上，当负摩擦力过于集中时，作用力将发生过渡，此时负摩擦力转换成正摩擦力。可在计算中，将内隔板作为承载力划分界面，按照下述公式，进行单桩承载力计算。

公式（2）中：R'表示软土地基中单桩承载力；U表示承载力划分界面；l表示单桩长度；q表示单桩结构自身强度；i表示土层。按照上述公式，完成桩基础设计前单根桩体承载力的计算。

2.2 水利工程中软土地基桩基础结构选型

考虑到本文研究的桩基础作用在水利工程中软土地基中，因此，需要在设计中，优化对桩基础结构的选型，通过此种方式，确保设计的桩基础可以在整体结构中发挥预期的承载效能。

根据桩基础结构承载要求，选用钻孔灌注桩作为软土地基桩基础的主要结构形式，此种形式的桩基础结构可以在设计中排除挤土效应对其的影响。参照单桩结构承载力计算结果，设计如下表2所示的桩基础结构方案。

表2 水利工程中软土地基桩基础结构方案

在此基础上，对软土地基中局部桩体的布置进行设计，如图1所示。

图1 软土地基中局部桩体的布置

按照上述内容，完成桩基础方案的设计。

2.3 桩体根数与抗浮设计

在上述设计内容的基础上，根据水利工程相关设计文件，进行桩基础承台面积的计算。计算公式如下。

公式（3）中：A表示桩基础承台面积；ξ表示面积控制系数；F表示承台顶部荷载；G表示承台上部土层重度；a表示地基结构承载力；k表示面积下承台结构的效应系数。根据布置承台的有效面积，进行桩基础结构中桩体根数的设计。桩体根数应满足下述计算公式。

公式（4）中：K表示桩体根数；η表示桩体间距；f表示土荷载分担系数；B 表示减沉效应值。完成上述设计后，根据水利工程软土地基的承载力设计需求，选用抗浮设计桩进行桩基础结构的抗浮设计。将抗浮设计桩布置在局部桩体中间，以穿插的方式与单桩进行连接，通过此种方式，确保桩基础结构具有足够承载力的同时，具有较强的抗浮能力。按照上述方式，完成对水利工程中软土地基桩基础结构的设计。

3.变形分析

在本文上述论述基础上，实现了对水利工程中软土地基桩基础的结构设计和各项参数设计。为验证上述设计思路是否可行，以某水利工程项目为依托，针对该工程的建设需要，对其软土基地当中的桩基础进行设计，并对施工过程中该桩基础的变形情况进行探究，以此也能够实现对设计可行性的验证。针对该水利工程软土地基上五个不同区域分别设置1个按照本文上述设计思路设计的桩基础，并分别编号为#Z-01、#Z-02、#Z-03、#Z-04和#Z-05，图2为五个桩基础结构具体位置示意图。

图2 五个桩基础结构位置示意图

针对五个不同桩基础结构在不同荷载条件下的变形量进行测定，桩基础的变形量用其与地面之间产生沉降距离的变化量进行表示。根据上述论述，得到如表3所示。

表3 桩基础变形量记录表

从表3中记录的数据可以看出，五个桩基础在不同荷载条件下，其沉降量均未超过0.20mm，进一步分析得出，尽管随着荷载的增加，五个桩基础的沉降量均表现出逐渐增加的趋势，但最大沉降量也仍然能够满足水利工程软土地基施工对桩基础提出的沉降量小于0.50mm的变形量要求。因此，通过上述得出的结果证明，本文上述提出的桩基础设计思路，在实际应用到水利工程项目当中，可以实现对桩基础变形量的有效控制，进而促进地基整体稳定性的提升。

4.结束语

本文以广东地区某水利工程为例，开展了软土地基桩基础设计与变形研究。尽管此次研究成果已相对完善，但要进一步实现对此设计方案在水利工程与相关领域内的推广，还需要在现有工作的基础上，对桩基础结构的设计方案进一步深化，根据水利工程对桩体结构的综合效应，优化桩体结构，提高承台的有效承载力，保证水利工程项目的稳定运营与持续收益，为地区经济发展给予全面的助力。