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大型消力池水利工程软基承载力与稳定性提高技术探讨

2025-03-04 94 上传者：管理员

摘要：为提高大型消力池水利工程软基承载力与稳定性，采用模拟试验与统计分析方法，探讨水泥搅拌桩复合地基在压载力作用下的受力变化过程，为类似水利工程建设提供参考。结果表明，水泥搅拌桩改善了原状土地基承载力及桩基周边摩擦力分布特征，与原状土相比相同荷载压力作用下地基沉降量下降50%,本工程水泥搅拌桩加固地基的桩长取7.5m最为合理，既要满足持力要求，又最大限度节约投资。

关键词：
地基处理
大型消力池
水泥搅拌桩
淤泥质粘土
软基承载力
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大型水利工程施工过程中,需要对软土进行地基处理,而水泥搅拌桩具有施工工期短､弃土少的特点,在水利工程施工中得到广泛应用｡

水闸､护岸等大型水利设施下垫面地基情况复杂多变,地基稳定性是决定防洪护岸稳定性的关键因素｡沿海地区冲积平原长期受到海水絮凝堆积作用,富含多层复杂软土和有机物,属于淤泥､淤泥质粘土和淤泥质亚粘土,地基土具有高含水量､高压缩量､低排水量和压缩量的特点,土体抗剪强度低､渗透系数小且压缩系数高｡沿海冲积泥沙形成的软弱地基常用地基加固方式为:降水强夯法､振冲密实法､砂石桩法､高压喷射注浆法､堆载预压法､深层搅拌桩法等｡深层搅拌桩法技术成熟,显著提高地基承载力,在水利工程软弱地基加固处理中得到广泛应用｡

古人采用小木桩､竹子和灰土等材料进行地基加固,现阶段工程上主要采用的是水泥搅拌复合地基｡桩土复合地基在国内外均有广泛应用,例如Tomisawa[1]对桩土复合地基的抗震能力进行进行校核,并且得到水泥搅拌桩地基显著提高地基工程抗震性的结论;PoorooshasbHB[2]分析刚性桩与柔性桩侧向摩擦力特性,研究桩土复合地基侧向摩擦力的变化规律,为工程地基加固提供参考;张玉程[3]基于Mohr-Coulomb理论研究单桩在水平荷载作用下承载力的变化规律,并对比不同研究理论应用应用前景;时凯[4]利用三维数学模型分析不同竖向荷载作用下地基土沉降变化特性,并绘制地基下沉曲线,系统研究了各种荷载作用下土层沉降特性｡地基处理技术是国内外水利工程建设中最为活跃的设核心模块之一,加固技术也从单一基础加固到多种复合地基处理处理工艺[5-7]｡

桩土复合地基能够显著提高沿海地区软弱土层的承载力,桩间土层分担大部分竖向压载力,有效控制土体沉降并提高了地基承载力,地基沉降量显著变小

1、工程概况

某沿海水闸闸室基础采用预制钢筋砼方桩,四周结合3ϕ850×13000@600三轴水泥搅拌桩进行防渗处理｡水闸外海侧消力池长18m,内河侧消力池长15m｡水闸内外侧消力池底板顶高程为-2.0~-0.5m｡为确水闸内外侧消力池长期稳定安全运行,对该地基进行水泥土搅拌桩加固处理｡消力池基础采用3ϕ850@600三轴水泥搅拌桩,3ϕ850@600三轴水泥搅拌桩外海侧11.7~13.2m共61根,内河侧11.9~13.24m共55根｡消力池与闸首设置沉降缝,之间采用橡胶和铜片止水｡

2、施工过程分析

水泥搅拌桩施工过程包括场地平整､桩位确定､试桩及材料准备､施工机械选取､施工控制及质量验收等｡一般施工条件下,水泥含量为20%,水灰比为0.5,搅拌土体次数为25次,提升速率达到0.85m/min｡

施工过程包括:桩位放样､桩基位置确定､矫位､钻孔及注浆､反循环提钻､成桩等｡

3、数值模型建立及参数设置

3.1数值模型建立

根据水闸内外侧消力池地质勘察数据和结构方案,建立有限元数值模型研究地基加固方案对地基稳定性的影响｡

式中,m—质量,kg;C—阻尼矩阵;K—刚度矩阵;F—外力,N｡

桩基土层稳定性分析过程中,考虑桩､地基土与上部结构的相互影响,研究消力池地基土体､水泥搅拌桩和上部结构的应力位移变化规律｡模型建立过程中,X轴､Y轴､Z轴方向分别指向下游､左岸､垂直向上｡模型采用单向偏置功能,保证了模型的计算精度｡模型网格在研究区域进行局部加密,非重点研究区域网格尺度较大｡底板区域离散网格数为2500,水泥搅拌桩群桩离散网格数为8000｡桩端与端层土层､桩侧周与周边土层为基础持力层｡桩顶与上部摩擦系数设置为0.32,其他部位接触系数设置为0.43｡

3.2模型初设条件及参数设置

消力池底板混凝土为C30型号,水泥搅拌桩重度为21kN/m3,弹性模量取24MPa,泊松比取0.2｡

4、数值模拟结果分析

4.1桩基土体沉降特性分析水泥搅拌桩桩基土体沉降是判定地基稳定性的重要指标｡模型计算过程中,在地板施工210kPa局部荷载,加载级差为30kPa,分析水泥搅拌桩地基的沉降特性,见表1｡观察不同地基承载力作用下桩基土层沉降实验结果,原状土地基地基沉降量最大,达到178mm,水泥搅拌桩地基沉降值为85mm,仅为原状土地基的50%｡消力池地基土在荷载压力作用下,周边出现沉降盆式变形,变形位置最大出现在中间位置,并且呈现由中间向四周逐渐减小趋势,如图1所示｡

图1原状土和水泥搅拌桩土体荷载-沉降曲线图

加固地基受到水泥搅拌桩基及周边侧摩擦力的作用,桩土共同承担上部压载作用,改善了周边的地基条件,消力池地基沉降幅度变化较小,且呈现均匀变化｡

4.2不同桩长情况下土体沉降分析

统计不同桩长情况下各分级荷载的作用,承载力加载初期,荷载值较小,不同桩长对土体沉降结果较为接近｡随着承载力加大,长桩体加固作用显现,桩长越长沉降值越小｡当桩长超过7.5m时,桩体周边土体沉降数值较为相近,不同桩长在压载力作用下土体沉降值增幅变小,见表2｡桩基侧摩擦力在承担荷载压力作用方面承担重要的作用,当桩长超过5m时侧摩擦力足以平衡荷载压力,桩长增加对土体沉降的影响逐渐减弱,如图2所示｡因此,本工程水泥搅拌桩加固地基的桩长取为7.5m最为合理,既要满足持力要求,又节约了投资｡

表1桩基土体沉降量统计表

表2不同桩长消力池土体沉降量统计表

图2不同桩长闸基土体荷载-沉降曲线

5、结论

针对沿海水利工程地基承载力不足问题,本文采用试验研究与数据统计分析相结合的方法,探讨软基承载力与稳定性提高技术｡

水泥搅拌桩桩基周边土体承载力得到较大幅度改善,地基土体变形呈现中间向四周减小分布态势,试验表明本工程水泥搅拌桩合理桩长为7.5m｡工程建设中需要采用试验研究与现场实测数据分析相结合方法,兼顾地基安全与投资节约,确定合理桩长｡

参考文献:

[3]张玉程.软土地基上水闸桩基础的水平承载力研究[D].山东大学,2012.

[4]时凯.桩基础挡潮闸三维渗流与稳定有限元分析[D].郑州大学,2021.

[5]石钧.软土地基处理方法及技术经济分析[J].水运工程,2003(12):31-32.

[6]汪为维,查骏雄.河道治理工程生态型岸墙及岸坡工程设计[J].水利技术监督,2021(11):214-216.

[7]李维涛,王静,陈丽棠.海堤工程防风暴潮标准研究[J].水利规划与设计,2003(4):5-9.