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水利防洪工程基础处理方案比选与计算研究

2023-11-09 44 上传者：管理员

摘要：淤泥软土层是工程建设中比较常见的不良地质条件，淤泥具有高压缩性、低强度、易触变、等工程地质特征，无法作为建筑物结构基础持力层，如何选择合理的基础处理方案并进行设计是设计工作的重中之重。本文以某水利防洪工程为例，选取了多种常见的基础处理方案，从工程投资、施工工艺、工期、基础处理效果等方面进行比较，推荐采用了预应力管桩作为基础处理方案。同时，通过计算研究桩顶作用效应、单桩竖向承载力、单桩水平向承载力分析了基础处理方案的可行性和合理性，以期为同类地质条件下选择基础处理方案和设计提供参考。

关键词：
基础处理
方案比选
水利防洪工程
计算研究
预应力管桩
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1、工程概况

1.1 水利防洪工程概况

该水利防洪工程级别为5级，设计洪水标准为10 a一遇，堤防采用复合式断面，由上部平铺式生态框护坡、下部阶梯式生态框挡墙和挡墙基础三部分构成。上部土堤迎水面坡比1〯2,堤身采用粘性土填筑，坡面采用平铺式生态框护砌。堤顶总宽度为3.0 m, 土堤背水面坡比为1〯2,采用草皮护坡。下部阶梯式生态框挡墙分为4级，挡墙基础为C20埋石砼结构，底部设0.1 m厚C15素砼垫层和0.5 m厚砂碎石垫层。

根据该水利防洪工程地质勘察资料，堤防基础以下为淤泥层，地基承载力特征值fk=50.0 kPa, 平均深度为5.0 m, 需进行基础处理。

经初步计算，基础未处理前，地基承载力不能满足要求，挡墙抗滑稳定不满足规范要求，因此，需对地基进行处理。基础未处理前挡墙稳定计算成果详见表1。

表1 基础处理前挡墙稳定计算成果表

1.2 工程地质

拟建场地属近滨海沉积地貌，地势较平坦开阔，河段河道蜿蜒曲折，河道两岸为居民房屋和农田。工程场地上部土层主要为第四系人工堆积(Q4s)、冲海积(Q4al-m)和冲洪积(Q4al+pl)松散堆积物。现根据勘探、野外工程地质测绘及收集的资料，各岩土层自上而下分述如下：

1.2.1 人工堆积(Q4s)

杂填土：杂色，充填物多为砂质或粉质粘性土，含较多的由瓦砾、砖块、砼块、碎块石等组成的建筑垃圾及一些生活垃圾。稍湿，结构松散。该层分布在工程场地表层，层厚一般为0.40～3.20 m。

1.2.2 冲海积堆积(Q4al-m)

1)粉质粘土(Q4al-m):

灰黄～灰黑色，湿～饱和，可塑，以粘性土为主，含少量铁锰质，捏面较光滑，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，摇震反应慢。该层主要分布于河道两岸土地表层，层厚为0.90～2.20 m。

2)淤泥(Q4al-m):

灰黑色，流塑，局部软塑，略有臭味，饱和，无摇振反应，干强度较高，韧性中等，刀切面较光滑，含少量有机质，5%～10%的贝壳及腐殖质等。层厚为5.80～7.20 m, 呈透镜状分布。

3)卵石(Q4al+pl):

黄褐色、灰色、稍密～中密，稍湿～饱和，卵石含量大于55%,卵石粒径60～120 mm, 局部大于300 mm, 岩性成分为石英砂岩、凝灰熔岩，次圆形～圆形，弱风化状，卵石骨架之间为中砂、粗砂充填，揭露层厚度3.20～7.80 m。

1.2.3 基岩

该堤段内揭露的基岩有侏罗系上统南园组凝灰熔岩(J3n),上部多风化为全风化和强风化岩，下部多为弱风化岩。

2、基础处理方案比较选择

2.1 基础处理方案比较

根据基底应力、地质情况、施工工艺和工期、成桩质量、基础土层分布及工程地质条件，适合本工程的基础处理方式主要有预应力管桩、水泥搅拌桩、开挖换填，抛石挤淤。工程设计对四种基础处理方案进行经济技术比较，比选时淤泥层厚度取5.0 m。

表2 各类土(岩)土主要工程地质参数建议值

2.1.1 预应力管桩方案

本方案堤基采用DN300预应力管桩进行处理，堤防下部挡墙宽度大部分在3.0 m左右，为保证各管桩受力更均衡，拟布置3排管桩，纵向间距取1.5 m, 横向间距取1.2 m, 梅花桩型布置，桩端全断面进入卵石层0.5 m, 桩长5.5 m。

2.1.2 水泥搅拌桩方案

本方案在堤基范围内采用DN600水泥搅拌桩复合地基处理。水泥搅拌桩共布置3排，排距1.25 m, 间距0.5 m, 桩间相互咬合0.1 m, 搅拌桩按格栅型布置，3排桩之间每间隔2.0 m布置肋桩。搅拌桩穿透淤泥层，桩底为卵石层，形成复合地基。水泥搅拌桩施工后开挖至挡墙基础面高程，而后进行挡墙结构施工。

2.1.3 抛石挤淤方案

本方案拟先挖除淤泥层上部的杂填土层，随后对淤泥层采用抛填毛块石处理，抛填厚度为3.0 m, 宽度为4.0～5.0 m。

2.1.4 开挖换填方案

本方案拟挖除堤基范围内的原有淤泥或淤泥质土至持力层，随后后回填砂碎石至基础底面。开挖底宽约3.0 m, 深度约5.0 m, 开挖坡比为1:2。

2.2 基础处理方案选择

采用开挖换填方案需要较大施工工作面，对堤岸扰动较大，导致拆迁、征地面积增加，施工难度大，因此仅对其余三种方案进行可比投资比较。

2.2.1 预应力管桩方案

预应力管桩采用履带式打桩机静压沉桩施工，桩下压时垂直度偏差不应大于0.5%;每根桩一次性连续压到底，终压复压次数3～5次，稳压压桩力不得小于终压力，稳定压桩的时间5～10 s。施工简单、高效、快捷，基础处理工程工期1个月，工程建设基本不受基础处理工程进度制约，基础承载力较高。基础处理方案每公里工程投资约254万元。

2.2.2 水泥搅拌桩方案

水泥搅拌桩基础处理方案施工稍显复杂，先开挖回填桩基施工平台，然后进行水泥搅拌桩施工。水泥土搅拌桩方案对桩身施工质量要求较高，施工前应确定灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间和起吊设备提升灯施工参数，并应根据设计要求，通过工艺性试桩确定施工工艺。施工过程中需严格搅拌机喷浆提升的速度和次数。基础处理工程工期6个月，施工工期较长，工程建设受基础处理工程进度制约较大。水泥搅拌桩复合地基施工完成后再开挖至挡墙基础高程，施工场地较大，对堤岸的扰动较大。基础承载力一般。基础处理方案每公里工程投资约345万元。

2.2.3 抛石挤淤方案

抛石挤淤基础处理方案施工较为简单，由自卸汽车运输入仓，经1 m3反铲反复挤压，施工工期2个月。本方案对石材的需求量较大，石材供应比较困难。抛石挤淤施工最大厚度仅3.0 m, 抛石底部仍有约2.0 m厚的淤泥层，抛石基础仍存在不均匀沉降隐患。基础处理方案每公里工程投资约241万元。

通过以上比较可知，抛石挤淤方案工程投资最省，但对石材的需求量较大，石材供应比较困难，且抛石挤淤处理后基础仍存在不均匀沉降隐患；水泥搅拌桩复合地基方案工程投资最高，工程建设受基础处理工程进度制约较大，施工质量控制严格。因此，该水利防洪工程推荐采用工程投资最省，施工简单，工期最短，基础承载力较高的预应力管桩基础处理方案。

3、基础处理方案计算研究

3.1 基础处理方案布置

水利防洪工程基础采用DN300预应力管桩进行处理，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)规定，预应力管桩属于挤土桩，当纵横向桩距不相等时，桩间距不小于3.5 d=1.05 m, 桩端全断面进入持力层(碎石类土)深度不小于1.0 d=0.3 m。堤防下部挡墙宽度大部分在3.0 m左右，为保证各管桩受力更均衡，拟布置3排管桩，纵向间距取1.5 m, 横向间距取1.2 m; 地基持力层为卵石层，呈稍密～中密状，桩端全断面进入持力层深度0.5 m。

3.2 基础处理设计计算

水利防洪工程为5级，不考虑地震作用。桩基设计考虑群桩效应，桩基承载力按照《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)中的有关规定进行计算。

3.2.1 桩顶作用效应计算

1)群桩中单桩桩顶作用效应按下列公式进行计算：

(1)竖向力

轴心竖向力作用下

Nk=Fk+Gkn (1)

偏心竖向力作用下

Nik=Fk+Gkn±Mxkyi∑y2j±Mykxi∑x2j (2)

(2)水平力

Hik=Hkn (3)

式中：Fk为荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向力；Gk为桩基承台和承台上土自重标准值，对稳定的地下水位以下部分应扣除水的浮力；Nk为荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，基桩或复合基桩的平均竖向力；Nik为荷载效应标准组合偏心竖向力作用下，第i基桩或复合基桩的竖向力；Mxk 、Myk为荷载效应标准组合下，作用于承台底面，绕通过桩群形心的x、y 主轴的力矩；xi、xj、yi、yj为第i、j 基桩或复合基桩至x、y轴的距离；Hk为荷载效应标准组合下，作用于桩基承台底面的水平力；Hik为荷载效应标准组合下，作用于第i基桩或复合基桩的水平力；n为桩基中的桩数。

3.2.2 计算结果

根据前文挡墙稳定计算成果，完建工况下基础受力最大，作用于挡墙基底总竖向力=171.229 KN/延米，总水平力=60.650 KN/延米。堤防下部挡墙分段长度为15.0 m, 挡墙基础水平荷载方向桩数n1=3根，垂直水平荷载方向桩数n2=10根。由此计算单桩轴心竖向力Nk、偏心竖向力Nik、水平力Hik,计算成果见表3。

表3 单桩桩顶作用效应计算成果表

3.2.3 单桩竖向承载力特征值计算

(1)预应力管桩(混凝土空心桩)单桩竖向承载力特征值Quk应按下式确定：

Quk=u∑qsikli+ qpk(Aj+λpAp1) (4)

当hb/d<5时，λp=0.16 hb/d

当hb/d>5时，λp=0.8

式中：Quk为单桩竖向承载力标准值，kN;u为桩身横截面周长，m; qsik 为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，kPa; qpk 为桩的极限端阻力标准值，kPa; λp为桩端土塞效应系数； Aj 为空心桩桩端净面积，m2;管桩：Aj=π4(d2−d12)

;Ap1为空心桩敞口面积：Ap1=π4d12

; d为空心桩外径，0.3 m; d1为空心桩内径，0.1m。

(2)桩基属于端承型桩(摩擦端承桩),不考虑承台效应。

预应力管桩(混凝土空心桩)单桩竖向承载力特征值Ra应按下式确定：

Ra=1KQuk (5)

式中：K为安全系数，取K=2。

(3)单桩竖向承载力计算成果见表4。

表4 单桩竖向承载力计算成果表

3.2.4 单桩水平承载力特征值计算

(1)预应力管桩桩身混凝土标号在C60以上，桩身配筋率不小于0.65%,桩的水平承载力由水平位移控制。单桩基础桩基水平承载力特征值Rha应按下式确定。

Rha=0.75α3EIvxχoa (6)α=mb0EI−−−√5 (7)EI=0.85EcI0 (8)I0=W0d0/2 (9)W0=πd32(d2+2(αE−1)ρgd20) (10)

式中：Rha为单桩水平承载力特征值，±号根据桩顶竖向力性质确定，压力取“+”,拉力取“-”;α为桩的水平变形系数；m为承台侧面土水平抗力系数的比例系数，取3.0;b0为桩身的计算宽度，d=0.3≤1 m, b0=0.9(1.5d+0.5);EI为桩身抗弯刚度；Ec为桩身抗弯刚度，C60混凝土抗压强度，取36 000 MN/m2;I0为桩身换算截面惯性矩；d0为扣除保护层厚度的桩直径；W0为桩身换算截面受拉边缘的截面模量；αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；ρg为桩身配筋率，取0.65%;νx为桩身水平位移系数，取0.94;χoa为桩顶允许水平位移，取0.006 m;

(2)群桩基础的桩基水平承载力特征值应考虑由群桩、土的相互作用产生的群桩效应(桩基属于端承型桩，不考虑承台效应),群桩基础桩基水平承载力特征值Rh应按下式确定：

Rh=ηhRha (11)

ηh=ηiηr+η1+ηb (12)

ηi=(Sad)0.015n2+0.450.15n1+0.1n2+1.9 (13)η1=m⋅χoa⋅B′c⋅h2c2⋅n1⋅n2⋅Rha (14)

式中：ηh为群桩效应综合系数；ηi为桩的相互影响效应系数；ηr为桩顶约束效应系数(桩顶嵌入承台长度50～100 mm时),取2.05;ηl为承台侧向土抗力效应系数；ηb为承台底摩阻效应系数，桩基属于端承型桩(摩擦端承桩),不考虑承台效应，取0;Sa/d为沿水平荷载方向的距径比，取4.0;n1,n2为分别为沿水平荷载方向与垂直于水平荷载方向每排桩中的桩数，分别为3根，10根；B′c为承台受侧向土抗一边的计算宽度，B′c=Bc+1 m, Bc为承台宽度取3.0 m计算宽度；hc为承台高度(m),取0.7 m;

表5 单桩水平承载力计算成果表

3.2.5 计算结论

经计算，最不利工况中，作用于桩基的平均竖向力Nk=85.61 kN,桩基竖向承载力特征值R=Ra=251.4 kN,满足轴心竖向力作用下Nk≤R要求；偏心竖向力作用下桩顶最大竖向力Nk max=102.74 kN,满足偏心竖向力作用下Nk max≤1.2R要求；作用于桩基的平均水平力Hik=30.33 kN,群桩基础桩基水平向承载力特征值Rh=39.25 kN,满足水平荷载作用下Hik≤Rh要求。因此，预应力管桩基础处理设计方案能满足规范和设计要求。

表6 预应力管桩基础处理设计计算成果汇总表

4、结语

基础处理方案比选时，需根据工程的特点，从工程投资、施工工艺、工期、基础处理效果等多方面比较后选择结构可靠、投资节省、技术先进的加固方案。预应力管桩广泛适用于各种软土地基基础处理工程中，具有实用性广、结构稳定可靠、造价低廉、运输方便、施工简单快捷、环保等优点，尤其对于施工工期紧张的工程更具优势。本文介绍的水利防洪案例工程于2020年1月开工建设，2020年10月完工验收，工期比较紧张。采用预应力管桩基础处理方案大幅度的缩短了基础处理工期，保证了在汛期来临之前完成堤防下部挡墙的建设，节约了工程建设成本，为整个工程的建设提供了充分的保障。该水利防洪工程已运行两年多，堤防结构稳定性较好，外观整齐美观，未出现沉降、位移、变形等不利于工程安全运行的现象。该水利防洪工程的顺利建成并安全运行为预应力管桩基础处理方案提供了一个成功的案例。

参考文献:

[1]张风辉.预应力混凝土管桩在闽江驳岸除险加固地基处理中的应用.福州市水利水电开发公司.2022.11.24.

文章来源:赵恋.水利防洪工程基础处理方案比选与计算研究[J].地下水,2023,45(06):279-281+303.