陳富強(qiáng)1, 2, 3，楊光華1, 2, 3, 4，黃致興4，官大庶5，張玉成1, 2, 3
(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510610；3.廣東省突發(fā)公共事件應(yīng)急技術(shù)研究中心,廣州 510610；4.華南理工大學(xué)土木工程系，廣東 廣州 510640；5.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610)
摘要：復(fù)合疏樁基礎(chǔ)在深厚軟土地區(qū)是比較好的水閘基礎(chǔ)型式，但是往往又容易出現(xiàn)水閘底板脫空的現(xiàn)象。本文先從一個(gè)水閘底板脫空的典型案例分析入手，分析了其脫空的一些表面的和內(nèi)在的原因。然后反思了該如何來(lái)設(shè)計(jì)水閘樁基礎(chǔ)的問(wèn)題，提出了一種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，即先取單樁極限承載力乘以0.8~0.9的利用系數(shù)作為單樁的承載力設(shè)計(jì)值，然后在樁和土的位移相等的條件下，根據(jù)樁和土的荷載~沉降曲線確定樁和土分擔(dān)的荷載及復(fù)合樁基的沉降量，最后根據(jù)總荷載由樁與樁間土共同承擔(dān)來(lái)確定所需的布樁數(shù)量。該方法可以充分的發(fā)揮地基土和樁的承載力，并且可以保證樁間土至始至終都承擔(dān)著一部分上部荷載，從而可以避免底板脫空。
關(guān)鍵詞：水利工程；樁基礎(chǔ)；軟土地基；脫空；反思
1 引 言
珠江三角洲的軟土存在著含水量高（一般達(dá)60%~100%）、孔隙比大（一般為1.5~2.5）、承載力低（一般為40~60kPa）、厚度大（一般為10~40m，有的區(qū)域可達(dá)60m）、壓縮量大的特點(diǎn)。從在這樣的軟土地區(qū)建設(shè)水閘的歷史來(lái)看，水閘的基礎(chǔ)處理方案受經(jīng)濟(jì)發(fā)展、施工機(jī)械設(shè)備條件和施工質(zhì)量控制等的影響產(chǎn)生了一些變化，20世紀(jì)80年代前主要采用浮運(yùn)閘、換填砂墊層、木樁基礎(chǔ)等，80年代后主要采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基、鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)、CFG樁復(fù)合地基、長(zhǎng)短樁復(fù)合地基等。
由于軟土的承載力一般為40~60kPa，而水閘基礎(chǔ)的應(yīng)力一般為80~100kPa左右，從滿足承載力的設(shè)計(jì)要求角度，水閘下的軟土地基承載力是不夠的，一般都要進(jìn)行處理。從珠江三角洲的已建的水閘的運(yùn)行狀況調(diào)查結(jié)果來(lái)看，當(dāng)攪拌樁可以穿透軟土層時(shí)（軟土厚度小于20m），水泥土攪拌樁復(fù)合地基是一種經(jīng)濟(jì)且較合適的水閘軟土地基處理方案，這種處理方式在珠海應(yīng)用最成功，一般采用攪拌樁間距 ，直徑為500mm，既有噴漿工藝攪拌樁，也有噴粉工藝的攪拌樁，就目前已建成投入使用的多座水閘運(yùn)行良好。當(dāng)然也存在一些攪拌樁無(wú)法成樁或者成樁質(zhì)量差的現(xiàn)象，主要原因是淤泥的有機(jī)質(zhì)含量太高或者存在動(dòng)水壓力的影響。而當(dāng)采用質(zhì)量相對(duì)可靠的樁基礎(chǔ)（灌注樁或管樁基礎(chǔ)）時(shí)，一般水閘沉降較小，易造成底板脫空產(chǎn)生滲流或管涌，在結(jié)構(gòu)邊緣處容易產(chǎn)生沉降差。這是目前涵閘基礎(chǔ)采用混凝土等剛性基礎(chǔ)處理而出現(xiàn)的較普遍的問(wèn)題。而對(duì)采用CFG樁復(fù)合地基和剛?cè)峤Y(jié)合的長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的水閘，由于使用時(shí)間短，其效果如何仍有等時(shí)間的考驗(yàn)[1~2]。
雖然調(diào)查表明水泥土攪拌樁處理方式比較好，但由于常規(guī)的攪拌樁無(wú)法穿透深厚軟土層（軟土厚度大于20m），若不穿透，則難以解決沉降量過(guò)大的難題，并且深部的攪拌樁質(zhì)量也難以保證，所以在深厚軟土地區(qū)和攪拌樁成樁質(zhì)量較差的地區(qū)使用受限。這時(shí)采用軟土地基減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)將是一個(gè)很好的選擇，其既能保證施工質(zhì)量又能適當(dāng)利用底板下土的承載力。在過(guò)去設(shè)計(jì)水閘樁基礎(chǔ)時(shí)，并沒(méi)有考慮樁間土的承載力，即上部荷載全部由樁來(lái)承擔(dān)，實(shí)際上樁間土也會(huì)承擔(dān)部分上部荷載。減沉疏樁基礎(chǔ)是介于常規(guī)樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基之間的一種過(guò)渡型式，由于其優(yōu)點(diǎn)很多，已越來(lái)越多的在高層建筑基礎(chǔ)、水閘基礎(chǔ)中應(yīng)用。然而這種減沉疏樁基礎(chǔ)在水閘中應(yīng)該如何來(lái)合理設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步研究，主要有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是樁土荷載分擔(dān)比如何確定？二是如何保證樁和樁間土在受荷變形過(guò)程中始終保持兩者共同分擔(dān)荷載，從而避免水閘底板脫空？或者換言之如何保證樁和樁間土的變形協(xié)調(diào)？
在樁土荷載分擔(dān)方面：何保漢[3]通過(guò)對(duì)黃河豆付窩分洪閘的樁和樁間土的承載力觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)樁間土在建成無(wú)水的情況下承擔(dān)約15%的豎直荷載，并且隨著沉陷增加灌注樁的荷載向基土轉(zhuǎn)移，過(guò)去認(rèn)為由樁承擔(dān)全部荷載的假定是不盡符合實(shí)際情況的。黃智鑫[4]認(rèn)為軟土地基上水閘樁基設(shè)計(jì)中不考慮底板下地基土與樁共同承擔(dān)外荷載的設(shè)計(jì)理念偏于保守，并指出可以考慮樁間土承擔(dān)底板底面以上10%~15%的荷載。施景裕等[5]對(duì)浙江省慈溪市龍山閘的樁基進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)考慮了地基土可以承擔(dān)上部荷載的16.7%。李俊才等[6]對(duì)南京大學(xué)MBA 大樓疏樁筏板基礎(chǔ)進(jìn)行了原位測(cè)試，測(cè)試表明：樁及樁間土的荷載分擔(dān)比隨荷載變化明顯，筏板澆筑完成后，樁間土分擔(dān)了約47.47 %的荷載，地下-2 層澆筑完成后，樁間土分擔(dān)了約58.33 %的荷載，此時(shí)樁間土的荷載分擔(dān)比達(dá)到最大值，此后隨著荷載的增加，樁間土的荷載分擔(dān)比逐漸減小，結(jié)構(gòu)封頂后樁間土的荷載分擔(dān)比約為17.50 %。從前面已收集到的資料可見(jiàn)，水閘樁基礎(chǔ)中樁間土的荷載分擔(dān)比一般在10%~20%。
在沉降計(jì)算方面：黃香山[7]等按照線彈性本構(gòu)模型, 提出了的一種關(guān)于復(fù)合樁基沉降的改進(jìn)計(jì)算方法，其思路是計(jì)算樁的沉降量，并忽略樁身的彈性壓縮變形。陳陽(yáng)[8]等通過(guò)假定樁側(cè)摩阻力沿深度為三角形分布，提出采用Mindlin-Geddes 和Boussinesq法聯(lián)合求解疏樁地基的沉降。陳福江[9]等提出了考慮壓縮模量深度效應(yīng)的深厚軟土樁基沉降計(jì)算方法。劉金礪[10]等和現(xiàn)行國(guó)家《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[11]指出大樁距條件下，樁基沉降計(jì)算可取兩種模型：①如同常規(guī)樁基那樣，計(jì)算樁端以下土的壓縮量；②計(jì)算樁間土的沉降。對(duì)于前者要涉及樁端塑性刺入，在理論上難以解決，而復(fù)合疏樁基礎(chǔ)樁間土的壓縮占總沉降量的絕大部分，故采用計(jì)算樁間土的壓縮沉降模型，并以十余項(xiàng)實(shí)際工程進(jìn)行了驗(yàn)證。
從已有的資料可見(jiàn)，復(fù)合樁基中樁與樁間土的荷載分擔(dān)比與復(fù)合樁基的沉降量計(jì)算是分別計(jì)算的，實(shí)際上是一個(gè)存在相互影響的過(guò)程。本文從一個(gè)水閘樁基底板脫空的典型案例分析入手，分析了其產(chǎn)生的原因，并反思了該類水閘樁基礎(chǔ)的應(yīng)如何來(lái)設(shè)計(jì)，從而避免水閘底板脫空，以期為水閘基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供借鑒。
2 某水閘樁基底板脫空案例分析
該水閘位于佛山市順德區(qū)，是Ⅳ等?。?）型工程，主要建筑物為4級(jí)，于2002年開(kāi)始興建。水閘為整體式剛架結(jié)構(gòu)，單孔，凈寬4米，閘室總寬度5.6米，帶胸墻，如圖1所示。
場(chǎng)地內(nèi)巖土層由上而下依次為：①粘土、②淤泥質(zhì)土、③粉細(xì)砂、④淤泥質(zhì)土、⑤粉質(zhì)壤土、⑥粉細(xì)砂、⑦中粗砂、⑧礫砂、⑨強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示。
水閘基礎(chǔ)采用Φ400混凝土預(yù)應(yīng)力管樁承擔(dān)主體建筑物的垂直荷載，樁端持力層取在層位穩(wěn)定，承載力高，工程地質(zhì)性質(zhì)好的（8）礫砂層，樁長(zhǎng)為32米，單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值為1077.6kN。為了防止水閘兩側(cè)堤防高填土引起下臥深厚軟弱土層的深層滑動(dòng)，造成水閘水平位移，本工程水閘部分還采用了15米長(zhǎng)的Φ500粉噴樁置換率為15.7%加固表層不良地基土，促使危險(xiǎn)滑弧下移，改善地基土的整體抗滑穩(wěn)定性。水閘部分共布32米長(zhǎng)Φ400混凝土預(yù)應(yīng)力管樁39根，15米長(zhǎng)Φ500粉噴樁597根，6米長(zhǎng)Φ120尾徑杉樁183根，閘室前齒采用了長(zhǎng)度4米的拉森Ⅲ型的鋼板樁，如圖3所示。
2005年6月24日，百年一遇特大洪水的洪峰通過(guò)順德境內(nèi)。下午3時(shí)，水閘出現(xiàn)了5.29米的最高水位。下午5時(shí)，巡視發(fā)現(xiàn)水閘后右翼墻側(cè)的堤腳管涌冒水并帶走小量砂土，管徑約7公分，流量約0.05 。通過(guò)采取抬高水閘船室水位并在內(nèi)坡腳管涌出水范圍加筑反濾井壓滲，外江側(cè)從閘邊至泵站防洪閘約20米長(zhǎng)堤圍外坡大面積鋪帆布、斑馬布，加壓砂包封堵截滲等搶護(hù)排險(xiǎn)措施后，管涌險(xiǎn)情得到有效控制，并于2006年對(duì)水閘及堤圍進(jìn)行了高壓旋噴樁（高壓旋噴樁Φ1200@700，所處高程為3.00米至今10.50米，總長(zhǎng)13.5米）防滲帷幕處理。目前，水閘底板上還出現(xiàn)了兩段幾乎平行的縱向裂縫，其中一條位于水閘底板正中間，并且閘室兩側(cè)堤頂?shù)缆泛烷l室出現(xiàn)了不均勻沉降，堤頂路的沉降達(dá)60多厘米。近幾年在對(duì)水閘底板灌漿處理過(guò)程中，在閘室上游灌漿，在閘室下游出現(xiàn)冒漿孔，即出現(xiàn)了灌漿連通的現(xiàn)象，初步判斷閘室底板下有脫空現(xiàn)象。
為了進(jìn)一步查清脫空情況，采用了透地雷達(dá)測(cè)試和鉆孔取芯法相結(jié)合的檢測(cè)手段。
圖1 水閘平面布置及縱剖面圖
圖2 地質(zhì)縱剖面圖
圖3 水閘樁位圖
3 底板脫空檢測(cè)結(jié)果及原因分析
檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，Ⅰ類為輕微脫空，豎向脫空高度≤0.5cm，Ⅱ類為中等脫空，0.5cm＜豎向脫空高度≤1.0cm，Ⅲ類為嚴(yán)重脫空，豎向脫空高度＞1.0cm。水閘底板部分區(qū)域存在脫空現(xiàn)象，脫空的主要區(qū)域集中在水閘閘室近上游U型槽區(qū)域，可能是由于管涌導(dǎo)致水閘底板下的粉細(xì)砂等土層被水流帶走和因底板下土體壓縮沉降共同引起。
2005年的管涌導(dǎo)致底板下少量粉細(xì)砂帶走，對(duì)水閘底板脫空有直接影響。另外，由于水閘兩側(cè)引堤沉降，導(dǎo)致路面不平，為了通行，在引堤上加高土層，而每一次加高的土層
，根據(jù)土力學(xué)原理，將對(duì)水閘底板下的土體產(chǎn)生一個(gè)新的附加應(yīng)力
，從而產(chǎn)生新的壓縮沉降，導(dǎo)致水閘底板進(jìn)一步脫空。
實(shí)際上最主要的原因是樁間土的分擔(dān)荷載過(guò)?。ㄔO(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮土的荷載分擔(dān)比），水閘的全部垂直荷載已由管樁承擔(dān)了，從而導(dǎo)致了樁與樁間土的變形不協(xié)調(diào)，退一步講，如果樁間土分擔(dān)的荷載足夠大，也不是那么容易由于管涌導(dǎo)致脫空。
圖4透地雷達(dá)測(cè)線布置及成果平面圖
圖5 后期填土對(duì)水閘底板土體壓縮沉降的影響
4 水閘樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)反思
為了避免水閘底板不脫空，則必須保證樁間土至始至終都需要承擔(dān)一部分上部荷載，即在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮樁間土的荷載分擔(dān)作用，而且還需要保證建成后樁與樁間土的變形協(xié)調(diào)。此外，最為關(guān)鍵的是還必須保證設(shè)計(jì)出來(lái)的布樁方案，在施工過(guò)程中得以實(shí)現(xiàn)，才能達(dá)到實(shí)際的樁與樁間土的受力與設(shè)計(jì)時(shí)考慮的計(jì)算模式相一致，否則，設(shè)計(jì)也只是不切實(shí)際的計(jì)算罷了。
樁間土的荷載分擔(dān)比大約在10%~20%。那么具體工程中樁間土到底分擔(dān)多少荷載？應(yīng)該如何來(lái)確定？實(shí)際上樁與樁間土的荷載分擔(dān)比是隨著上部荷載的變化而變化的，但是對(duì)于具體的工程和布樁方案，樁間土的荷載分擔(dān)比是確定的，如圖6所示。
圖6 樁土荷載分擔(dān)比曲線
宰金珉[12]的研究指出復(fù)合樁基中單樁的承載變形特性有別于常規(guī)樁基中的單樁，是具有明顯的非線性，而且只有當(dāng)樁的受力接近極限承載力時(shí)，樁間土的承載力才能充分發(fā)揮，并且提出了按單樁取用其極限承載力乘以一個(gè)利用系數(shù)（一般0.8~0.9）來(lái)確定樁土的荷載分擔(dān)比。何保漢[3]提出了將樁的剛度考慮進(jìn)去的彈性地基梁的方法來(lái)確定樁與樁間土的荷載分擔(dān)比，該方法應(yīng)該說(shuō)是比較合理的，因?yàn)檫@樣把荷載分擔(dān)比與變形協(xié)調(diào)計(jì)算同時(shí)考慮了，該方法的缺點(diǎn)是無(wú)法手算，只能采用數(shù)值解。
按樁基規(guī)范[11]來(lái)計(jì)算一下前面這個(gè)水閘的樁間土的荷載分擔(dān)比，根據(jù)地勘樁間土（淤泥質(zhì)土）的承載力55kPa，假定樁間土的承載力全部發(fā)揮，則土分擔(dān)的荷載為5132.3kN，上部總荷載為10590.9kN，樁間土的最大荷載分擔(dān)比約為48%。另外按常規(guī)10%~20%來(lái)反推樁間土的承載力發(fā)揮系數(shù)，結(jié)果如表1所示。可見(jiàn)，即使按常規(guī)的樁間土承擔(dān)總荷載的20%時(shí)，樁間土的承載力的發(fā)揮系數(shù)也不到0.5，所以還有較大的空間可以挖掘利用。
表1 樁間土的不同荷載分擔(dān)情況
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序號(hào)
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樁間土的荷載分擔(dān)比
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樁間土的承載力發(fā)揮系數(shù)
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1
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10%
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0.206
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2
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20%
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0.413
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3
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48%
|
1.000
|
在復(fù)合樁基沉降計(jì)算方面，在特大樁距的小群樁，樁間土壓縮量占95%以上，主要發(fā)生在承臺(tái)下1/3樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)于較大樁距的中小群樁和大樁距的大中群樁，大部分復(fù)合樁基屬于這種情況，樁間土壓縮量占70%~90%，樁端下土壓縮量?jī)H為10%~30%[12]。目前的復(fù)合樁基中的沉降計(jì)算，并沒(méi)有充分考慮樁與樁間土的變形協(xié)調(diào)，如樁基規(guī)范中為了回避計(jì)算樁端塑性刺入變形這一難以計(jì)算的問(wèn)題，采用了只計(jì)算樁間土的變形。
可見(jiàn)，目前在復(fù)合樁基的設(shè)計(jì)中，樁與樁間土的荷載分擔(dān)比與復(fù)合樁基的沉降計(jì)算是分離的，并沒(méi)有考慮兩者的相互影響。針對(duì)這一問(wèn)題，我們提出一種簡(jiǎn)單的可以考慮這兩者相互影響的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。
假定已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)做了地基土和單樁的載荷試驗(yàn)。根據(jù)宰金珉等人的研究，復(fù)合樁基中的基樁受力與普通單樁的受力比較接近，且實(shí)際受力過(guò)程中基樁的承載力發(fā)揮接近極限荷載，故可以直接采用現(xiàn)場(chǎng)的單樁的載荷試驗(yàn)曲線來(lái)分析。在水閘的復(fù)合樁基中樁與樁間土可以看成是相對(duì)獨(dú)立的體系，在樁和土的位移相等的條件下，根據(jù)樁和土的荷載~沉降曲線確定樁和土分擔(dān)的荷載。
具體做法為可以取單樁極限承載力乘以0.8~0.9的利用系數(shù)來(lái)確定單樁的承載力設(shè)計(jì)值
，與其對(duì)應(yīng)的沉降量
（若水閘容許的最大沉降量為[S]，則須
），此時(shí)
對(duì)應(yīng)的土的荷載為
，則可以根據(jù)上部總荷載=樁間土的荷載+所有基樁的荷載，來(lái)確定所需的樁數(shù)量，如圖7所示。
圖7 單樁與地基土的載荷試驗(yàn)曲線
本文從一個(gè)水閘樁基底板脫空的實(shí)際案例分析入手，分析了其脫空的主要原因，指出為了防止類似脫空現(xiàn)象的產(chǎn)生，必須保證保證樁間土至始至終都必須承擔(dān)著一部分上部荷載。針對(duì)目前在復(fù)合樁基的設(shè)計(jì)中，樁與樁間土的荷載分擔(dān)比與復(fù)合樁基的沉降計(jì)算是分離的，并沒(méi)有考慮兩者的相互影響的這一問(wèn)題，提出了一種簡(jiǎn)單的可以考慮這兩者相互影響的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地基土和單樁的載荷試驗(yàn)曲線來(lái)確定樁與樁間土的荷載及復(fù)合樁基的沉降量。
該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在某種程度上保證設(shè)計(jì)計(jì)算的工況與實(shí)際建成后的樁與樁間土的受力工況相一致，從而最大限度地減少了底板的脫空產(chǎn)生。缺點(diǎn)是需要做一定數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，若無(wú)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)則應(yīng)用有此困難，但此時(shí)可采用原狀土切線模量法分別計(jì)算地基土和基樁的非線性荷載和沉降，從而計(jì)算獲得需要的荷載~沉降Q~S和P~S曲線[13~15]。
參 考 文 獻(xiàn)
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（本文來(lái)源：第十二屆全國(guó)樁基工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集）
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