陳富強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設(shè)計水閘樁基礎(chǔ)的問題，提出了一種簡單的設(shè)計計算方法，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。從在這樣的軟土地區(qū)建設(shè)水閘的歷史來看，水閘的基礎(chǔ)處理方案受經(jīng)濟發(fā)展、施工機械設(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行狀況調(diào)查結(jié)果來看，當(dāng)攪拌樁可以穿透軟土層時（軟土厚度小于20m），水泥土攪拌樁復(fù)合地基是一種經(jīng)濟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行良好。當(dāng)然也存在一些攪拌樁無法成樁或者成樁質(zhì)量差的現(xiàn)象，主要原因是淤泥的有機質(zhì)含量太高或者存在動水壓力的影響。而當(dāng)采用質(zhì)量相對可靠的樁基礎(chǔ)（灌注樁或管樁基礎(chǔ)）時，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)的較普遍的問題。而對采用CFG樁復(fù)合地基和剛?cè)峤Y(jié)合的長短樁復(fù)合地基的水閘，由于使用時間短，其效果如何仍有等時間的考驗[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。這時采用軟土地基減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)將是一個很好的選擇，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。在過去設(shè)計水閘樁基礎(chǔ)時，并沒有考慮樁間土的承載力，即上部荷載全部由樁來承擔(dān)，實際上樁間土也會承擔(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渡型式，由于其優(yōu)點很多，已越來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)該如何來合理設(shè)計還有待進(jìn)一步研究，主要有兩個關(guān)鍵問題：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]通過對黃河豆付窩分洪閘的樁和樁間土的承載力觀測，發(fā)現(xiàn)樁間土在建成無水的情況下承擔(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，過去認(rèn)為由樁承擔(dān)全部荷載的假定是不盡符合實際情況的。黃智鑫[4]認(rèn)為軟土地基上水閘樁基設(shè)計中不考慮底板下地基土與樁共同承擔(dān)外荷載的設(shè)計理念偏于保守，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]對浙江省慈溪市龍山閘的樁基進(jìn)行設(shè)計時考慮了地基土可以承擔(dān)上部荷載的16.7%。李俊才等[6]對南京大學(xué)MBA 大樓疏樁筏板基礎(chǔ)進(jìn)行了原位測試，測試表明：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，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)計算方法，其思路是計算樁的沉降量，并忽略樁身的彈性壓縮變形。陳陽[8]等通過假定樁側(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算方法。劉金礪[10]等和現(xiàn)行國家《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[11]指出大樁距條件下，樁基沉降計算可取兩種模型：①如同常規(guī)樁基那樣，計算樁端以下土的壓縮量；②計算樁間土的沉降。對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，故采用計算樁間土的壓縮沉降模型，并以十余項實際工程進(jìn)行了驗證。
從已有的資料可見，復(fù)合樁基中樁與樁間土的荷載分擔(dān)比與復(fù)合樁基的沉降量計算是分別計算的，實際上是一個存在相互影響的過程。本文從一個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)如何來設(shè)計，從而避免水閘底板脫空，以期為水閘基礎(chǔ)設(shè)計提供借鑒。
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，于2002年開始興建。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，樁長為32米，單樁豎向承載力設(shè)計值為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，造成水閘水平位移，本工程水閘部分還采用了15米長的Φ500粉噴樁置換率為15.7%加固表層不良地基土，促使危險滑弧下移，改善地基土的整體抗滑穩(wěn)定性。水閘部分共布32米長Φ400混凝土預(yù)應(yīng)力管樁39根，15米長Φ500粉噴樁597根，6米長Φ120尾徑杉樁183根，閘室前齒采用了長度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順德境內(nèi)。下午3時，水閘出現(xiàn)了5.29米的最高水位。下午5時，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)排險措施后，管涌險情得到有效控制，并于2006年對水閘及堤圍進(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。近幾年在對水閘底板灌漿處理過程中，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)測試和鉆孔取芯法相結(jié)合的檢測手段。
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 底板脫空檢測結(jié)果及原因分析
檢測結(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，將對水閘底板下的土體產(chǎn)生一個新的附加應(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。
實際上最主要的原因是樁間土的分擔(dān)荷載過小（設(shè)計并沒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)測線布置及成果平面圖
圖5 后期填土對水閘底板土體壓縮沉降的影響
4 水閘樁基礎(chǔ)設(shè)計反思
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)計時就應(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)計出來的布樁方案，在施工過程中得以實現(xiàn)，才能達(dá)到實際的樁與樁間土的受力與設(shè)計時考慮的計算模式相一致，否則，設(shè)計也只是不切實際的計算罷了。
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)該如何來確定？實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，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利用系數(shù)（一般0.8~0.9）來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確定樁與樁間土的荷載分擔(dān)比，該方法應(yīng)該說是比較合理的，因為這樣把荷載分擔(dān)比與變形協(xié)調(diào)計算同時考慮了，該方法的缺點是無法手算，只能采用數(shù)值解。
按樁基規(guī)范[11]來計算一下前面這個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%來反推樁間土的承載力發(fā)揮系數(shù)，結(jié)果如表1所示?？梢?，即使按常規(guī)的樁間土承擔(dān)總荷載的20%時，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
|
序號
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樁間土的荷載分擔(dān)比
|
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
|
48%
|
1.000
|
在復(fù)合樁基沉降計算方面，在特大樁距的小群樁，樁間土壓縮量占95%以上，主要發(fā)生在承臺下1/3樁長范圍內(nèi)，對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%，樁端下土壓縮量僅為10%~30%[12]。目前的復(fù)合樁基中的沉降計算，并沒有充分考慮樁與樁間土的變形協(xié)調(diào)，如樁基規(guī)范中為了回避計算樁端塑性刺入變形這一難以計算的問題，采用了只計算樁間土的變形。
可見，目前在復(fù)合樁基的設(shè)計中，樁與樁間土的荷載分擔(dān)比與復(fù)合樁基的沉降計算是分離的，并沒有考慮兩者的相互影響。針對這一問題，我們提出一種簡單的可以考慮這兩者相互影響的設(shè)計計算方法。
假定已經(jīng)在現(xiàn)場做了地基土和單樁的載荷試驗。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，且實際受力過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)場的單樁的載荷試驗曲線來分析。在水閘的復(fù)合樁基中樁與樁間土可以看成是相對獨立的體系，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)來確定單樁的承載力設(shè)計值
，與其對應(yīng)的沉降量
（若水閘容許的最大沉降量為[S]，則須
），此時
對應(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曲線
本文從一個水閘樁基底板脫空的實際案例分析入手，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。針對目前在復(fù)合樁基的設(shè)計中，樁與樁間土的荷載分擔(dān)比與復(fù)合樁基的沉降計算是分離的，并沒有考慮兩者的相互影響的這一問題，提出了一種簡單的可以考慮這兩者相互影響的設(shè)計計算方法，即根據(jù)現(xiàn)場地基土和單樁的載荷試驗曲線來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)點是可以在某種程度上保證設(shè)計計算的工況與實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。缺點是需要做一定數(shù)量的現(xiàn)場載荷試驗，若無現(xiàn)場載荷試驗則應(yīng)用有此困難，但此時可采用原狀土切線模量法分別計算地基土和基樁的非線性荷載和沉降，從而計算獲得需要的荷載~沉降Q~S和P~S曲線[13~15]。
參 考 文 獻(xiàn)
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（本文來源：第十二屆全國樁基工程學(xué)術(shù)會議論文集）
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