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水闸软土基础处理方案设计选择

发布时间:
2017/11/09

摘要:软土地基是水闸工程常见的地质问题,若没有进行有效的处理加固,则会对水闸的质量安全造成严重的威胁。本文结合水闸应用实例,通过介绍工程项目的地质条件,着重对钻孔灌注桩及搅拌桩两种方法进行多方面的对比,选择最优的软基基础处理方案,以供参考。
关键词:水闸工程;软基处理;钻孔灌注桩;搅拌桩
  由于广东位于沿海地区,水闸工程所处的地基土通常都具有含水量高、压缩性大、?#24615;?#21147;低、厚度不均等特点,若水利工作者没有选择合理的软基处理方案,不仅会影响到水闸整体功能的发挥,甚至会给水闸日常的运作带来严重的安全隐患。因此,如何选择合适的软基处理方案就成为水利工作者当前亟待解决的难题。本文通过对钻孔灌注桩及搅拌桩这两种处理方案进行探讨,通过方案比选,最终选取了搅拌桩复合地基作为水闸软基基础处理的优选方案,并取得了较好的经济效益。
  1 工程概况
  某水闸经多年运行,多次经受台风、暴雨和海潮的袭击,自然老化和损坏的程度严重,存在的问题较多。经水利局组织专家组,对水闸进行了安全鉴定,根据工程存在的实?#26159;?#20917;,结合有关规范规程,将水闸定为4类水闸,决定对水闸进行拆除重建。
  水闸的设计涉及到多个方面,本文仅就水闸地基处理设计方面进行阐述。
  2 工程地质
  根据地质钻探资料,水闸地基自上而下为人工填土层、淤泥层、粉土层、中砂砾?#23433;恪?#27531;积土层、强风化花岗岩和弱风化花岗岩,具体?#36136;?#22914;下:
  1)人工填土:层厚为0~2.70m,?#19968;?#33394;,以粉质粘土、粉土为主;
  2)淤泥:层厚为1.83~24.0m,深灰色,饱和,流塑,含贝壳碎片?#26696;?#27542;质,底部为淤质土;
  3)粉土:层厚为0~2.50m,浅灰色,湿,软塑,由粉粒、粉细砂混合组成,具粘性;
  4)中砂、砾砂:层厚为1.8~4.1m,?#19968;?#33394;,饱和,稍密~中密,含泥,部分含卵砾石;
  5)残积土:层厚为5.1~11.3m,灰绿色~?#19968;?#33394;,湿,可塑~硬塑,由粘土矿物、长石、石英砂及少许暗色矿物组成,岩石风化成土状,组织结构已破坏;
  6)强风化花岗岩:层厚为0.7~2.4m,灰褐色,岩石呈半岩半土状,原岩组织结构大部分?#35328;?#30772;坏,岩心为碎渣、碎块状,手折易断;
  7)弱风化花岗岩:浅灰白色,坚硬,岩蕊呈块状,?#35752;?#29366;,见铁质浸染。
  3 闸基处理设计方案比较
  3.1 钻孔灌注桩方案
  3.1.1 持力层的选取,桩型和桩长的确定,基桩竖向?#24615;?#21147;的确定
  分别取残积土层、花岗岩强风化层为持力层,并取桩径为0.80m、1.0m、1.2m进行计算。经对造价进行综合对比,当采用残积土层作为桩基持力层时,桩径为0.80m、1.0m、1.2m的灌注桩造价分别为:11元/kN、12.7元/kN、13.9元/kN;采用强风化花岗岩作为桩基持力层时,桩径为0.80m、1.0m、1.2m的灌注桩造价分别为:8.5元/kN、9.5元/kN、10.9元/kN。经比较并结合工程的实?#26159;?#20917;,拟选用桩径为0.8m的灌注桩,桩基持力层采用强风化花岗岩,桩长l=31.0m,经计算,取单桩?#24615;?#21147;设计值R=1650kN。
  3.1.2 基桩水平?#24615;?#21147;的确定
  代入计算得:Rh=160kN
  3.1.3 桩数的确定和布置
  ①根据单桩水平?#24615;?#21147;确定桩数[取荷载组合4:挡潮情况(P=2%),闸上、下游水位分别为0.45、1.71m](中3孔)
  ②根据单桩竖向?#24615;?#21147;确定桩数
  综合以上2种计算结果取n=20。
  3.1.4 桩基竖向荷载验算
  作用于基桩上荷载设计值的平均值N和最大值Nmax,按下式计算并应满足:
  ①按完建情况下荷载组合进行验算
  ②按挡潮情况下荷载组合进行验算
  满足要求。
  ③桩的负摩擦力问题
  当桩基及水闸工程完建后,水闸上下游淤泥层由于没有进行地基处理,当承受?#27426;?#33655;载时以及自重固结将引起?#20004;擔?#32780;闸室下的淤泥层不承受上部结构荷载,两者之间将产生?#20004;挡睿?#22240;而必然会对闸上下游侧边桩产生负摩擦力。取淤泥层底面作为?#34892;?#28857;,则其上产生负摩?#31890;?#20854;下产生正摩擦。经计算,桩周的负摩擦力:Nf1=828.5kN,桩周正摩擦力Nf2=1666.7kN。
  3.1.5 桩基水?#36739;?#33655;载验算
  根据荷载组合4作用在中3孔上的合力为2362.9kN作用在单桩上的水平荷载:
  3.1.6 桩基的内力与位移验算
  根据地质钻探资料,在荷载组合4作用下,采用桩土横向荷载共同作用的程序进行计算,得出结果为:
  最大弯矩为Mmax=240.97kN#m,最大剪力为Qmax=120.38kN,桩顶位移为U=30mm。由于计算单桩承受水?#25605;?#26102;考虑Kc=1.25的安全系数,故桩顶实际水平位移应小于30mm,约25mm左右。
  桩身的最大应力出现在?#34892;?#28857;,?#34892;?#28857;压力最大为:
  桩身所受最大应力为:
  故桩身的强度是足够的。
  3.1.7 ?#20004;?#35745;算
  桩基的?#20004;礢可分为2部分,分别是桩身的压缩变形S1和桩底强风化花岗岩的?#20004;礢2,即S=S1+S2。
  取桩身弹性模量E0=2.55×107kPa,经计算,桩身最大压缩变形为:
  桩底土的压缩引起的?#20004;擔?#24378;风化花岗岩的E=2×105kN/m2,L=0.25,则其产生的?#20004;擔?br />   故桩顶的?#20004;擔布?#38392;底板的?#20004;?#20026;:
  3.2 搅拌桩方案
  3.2.1桩长桩径的确定
  根据水闸地质钻探资料,淤泥层底高程在-19.85~-22.40m,而水闸底板底面设计高程为-3.0m。为降低地基?#20004;?#37327;,拟取搅拌桩桩底高程为-22.80m,即桩的持力层为相对硬层的中砂或粉土层,则桩长l=19.80m,搅拌桩的?#26412;度=50cm。   3.2.2单桩竖向?#24615;?#21147;的确定
  根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-91)规定,单桩?#24615;?#21147;标准值按下列公式计算,并取其中较小值:
  将以上数据分别代入上述两公式得:
  则单桩的竖向?#24615;?#21147;RK=min{Rk1,Rk2}=168kN,取RK=165kN。
  3.2.3 复合地基的?#24615;?#21147;计算(中三孔)
  1)面积?#27809;?#29575;
  其中fs为桩间土天然?#24615;?#21147;标准值,取fs=40kPa;B为桩间土?#24615;?#21147;折减系数,取B=0.2;fck为复合地基?#24615;?#21147;标准值,取fck=R设=75kPa。
  代入计算,
  2)桩的布置,总桩数
  拟取桩的桩距为1.5m,则中三孔的桩数为n=10×19=190根,实?#25163;没?#29575;:
  3)复合地基的?#24615;?#21147;标准值
  3.2.4 桩群总竖向?#24615;?#21147;复核
  代入计算,得:
  满足要求。
  3.2.5 地基?#20004;?#35745;算
  1)处理加固土层(桩?#28023;?#30340;?#20004;?#37327;
  代入计算,得:
  2)桩端下土层的?#20004;?#37327;
  根据地质钻探资料,粉土层的下卧层为中粗砂~砾砂,但下为残积土,强风化岩低压缩性土,?#25163;?#21462;粉土层厚度作为总压缩层厚度进行计算。经计算得:S2=017cm
  3)地基总?#20004;?#37327;计算
  根据以上计算方法,同?#22791;?#19978;对水闸边1孔、岸墩和边墙的地基采用搅拌桩进行处理计算结果见表1。
  3.2.6 考虑淤泥层震陷的地基处理方案
  根据《广东省地震烈度区划图》,水闸工程区地震基本烈度为Ⅷ度,闸基下淤泥层发生在Ⅷ度地震时可能产生震陷,从而导致水闸随之产生附加的?#20004;导安?#22343;匀?#20004;擔?#20197;及深层的?#22815;?#31283;定等问题。为解决上述问题,拟将原闸基搅拌桩均匀布置方案改为格栅状布置。该方案?#23665;?#25292;桩相互搭?#26377;?#25104;封闭的格栅结构,使复合地基成为一个封闭整体,这种加固?#38382;?#38480;制了淤泥的侧向挤出,提高地基的整体抗震性能,保证复合地基在水?#25605;?#20316;用下共同工作,同时也提高了格栅中软土的?#24615;?#21147;,减少总?#20004;?#37327;和不均匀?#20004;怠?br />   3.3 地基处理方法优缺点比较比较结果见表2。
  4 结语
  通过对水闸软基处理方案比选的探讨,笔者总结出以下几点结论:①深层搅拌桩具有成熟的工艺技术,在软土处理应用方面的质量较为可靠;②搅拌桩具有噪音小、无污染、对邻近建筑物影响小和造价?#22303;?#31561;优点,与其他处理方案相比具有较好的优越性;③本工程采用深层搅拌桩作为软基基础处理方案,从工程的?#20004;?#37327;、单桩?#24615;?#21147;、桩体质量的检测结果看,各项指标达到预期的目标,取得了较好的经济效益。
  参考文献:
  [1] 陈旭斌.复杂地基水闸基础处理设计方案的探讨[J].城市建设理论研究.2012年第36期
  [2] 郭键敏.?#31243;?#27700;利工程软地基基础处理[J].广东科技.2012年第11期 

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