王 濤，崔瑩瑩

（南通市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南通 226006）

某進(jìn)水閘粉砂地基碎石樁加固前后沉降模擬分析

王 濤，崔瑩瑩

（南通市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南通 226006）

粉砂地層上修建水閘等水工建筑物，易發(fā)生管涌、流土等滲透破壞、閘基不均勻沉降、閘基粉砂地震液化現(xiàn)象。為使閘基沉降符合工程要求，避免發(fā)生管涌、流土以及地震液化現(xiàn)象，需進(jìn)行地基處理。文章以某進(jìn)水閘為例，采用閘底板砂礫石墊層和振沖碎石樁復(fù)合地基的型式，通過ABAQUS軟件對(duì)加固前后的地基沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了加固前后粉砂地基的沉降規(guī)律，為設(shè)計(jì)、施工提供了科學(xué)的依據(jù)。

粉砂；閘基；振沖碎石樁；有限元

隨著近年來國(guó)家對(duì)水利等方面的基礎(chǔ)設(shè)施投資規(guī)模的大幅增長(zhǎng)，我國(guó)修建了各類大中小型的水利工程項(xiàng)目，大如南水北調(diào)工程，小到中小河道治理、灌區(qū)節(jié)水改造等工程。由于修建位置不同，所處的地層等地質(zhì)條件也不盡相同，這其中也存在相當(dāng)一部分的工程修建在粉砂地層上。尤其是修建在粉砂地層上的水閘、壩等建筑物，受到閘壩自重、外部荷載、滲透力、地震等作用下，易發(fā)生管涌、流土等滲透破壞，閘基會(huì)產(chǎn)生較大不均勻沉降，地基在地震的作用下會(huì)發(fā)生地震液化現(xiàn)象，甚至引起上部結(jié)構(gòu)斷裂［1-2］。為使沉降符合工程要求，避免發(fā)生管涌、流土以及地震液化現(xiàn)象，必須采取合適的地基處理措施。適用于粉砂地基的處理方法主要有強(qiáng)夯法、注漿法、振沖法、水泥土攪拌等，其中振沖法可以擠密粉砂地基，大幅降低地基的不均勻沉降，也極大的降低了地震液化的可能性［3-4］。振沖法加固粉砂地基的原理是利用振沖器的振動(dòng)使其周圍的飽和砂土發(fā)生液化，顆粒重新排列，孔隙減少，在振沖過程中加入碎石，使粉砂層進(jìn)一步擠壓，達(dá)到擠密的效果［5-6］。文章以某進(jìn)水閘為例，采用閘底板砂礫石墊層和振沖碎石樁復(fù)合地基的型式，通過ABAQUS軟件對(duì)加固前后的地基沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了加固前后粉砂地基的沉降規(guī)律，為設(shè)計(jì)、施工提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 工程概況

某進(jìn)水閘處地層巖性主要為粉土和粉砂，上部2.0～4.5m為粉土，承載力100kPa，其下全部為青灰色粉砂，承載力80kPa。設(shè)計(jì)流量為15m3/s，最大流量為20m3/s，閘室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共3孔，單孔凈寬4m，閘室總寬16m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)13m，三孔共用閘底板，底板厚1m，閘墩高3.2m，厚1.0m，閘順?biāo)飨蜃陨嫌蜗蛳掠我来问情l房、交通橋、16m長(zhǎng)消力池段、海漫段、護(hù)底段和導(dǎo)流段，總長(zhǎng)80.6m。由于地基承載力不足，在閘底板下順?biāo)飨蜷g距3m、垂直水流向間距2.5m布置樁徑1m、樁長(zhǎng)11m的振沖擠密碎石樁。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)水閘的規(guī)模，數(shù)值模型的計(jì)算范圍順?biāo)飨蚍謩e向上、下游均延伸5m，垂直水流向分別向左、右各延伸5m，模型的尺寸為26m×23m。模型的邊界條件按以下規(guī)定：模型上邊界為自由邊界，下邊界為三向約束的固定邊界，四周的邊界施加水平向約束。樁的底部邊界采取三向約束的固定邊界，樁與樁周土之間為綁定接觸。采用ABAQUS軟件中的四面體單元C3D4來模擬加固前后的地基，其中加固前地基共劃分91784個(gè)單元，17287個(gè)節(jié)點(diǎn)；加固后地基單元共劃分118133個(gè)，25645個(gè)節(jié)點(diǎn)。加固前后計(jì)算模型的網(wǎng)格剖分圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格剖分圖

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

粉砂地基及碎石樁采用摩爾庫(kù)倫計(jì)算模型，其中粉砂的密度為1.8kg/m3，碎石樁的密度為2.2kg/m3，其他計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.3 碎石樁設(shè)計(jì)參數(shù)選取

在樁長(zhǎng)、樁徑確定情況下，碎石樁的設(shè)計(jì)參數(shù)主要是確定樁間距和樁的布置形式。樁間距增大會(huì)使樁承擔(dān)的承載力減少，粉砂地基承擔(dān)的承載力增加，復(fù)合地基的壓縮變形增大，也會(huì)使承臺(tái)的面積和體積增大，增加工程造價(jià)；樁距太小則會(huì)使樁身內(nèi)力增大，不利于樁間土承載力的發(fā)揮，且會(huì)造成施工困難。樁距一般為3～4d，樁邊距不小于樁的直徑且不得超過樁徑300mm。本工程根據(jù)閘室的上部結(jié)構(gòu)，沿齒墻、邊墩和中墩的底面布置碎石樁，順?biāo)飨蜷g距3m、垂直水流向間距2.5m。樁的布置應(yīng)使各樁受力均勻，承臺(tái)上荷載作用點(diǎn)與群樁重心重合，能抵抗樁在受水平荷載和彎矩大的方向產(chǎn)生彎矩。根據(jù)上述參數(shù)和原則，樁的布置及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 樁的布置和網(wǎng)格剖分圖

3 結(jié)果及分析

進(jìn)水閘結(jié)構(gòu)荷載由振沖碎石樁復(fù)合地基的粉砂地基土和碎石樁共同承擔(dān)，且水閘常年在設(shè)計(jì)水位下運(yùn)行，為了模擬復(fù)合地基的沉降，假設(shè)粉砂地基與碎石樁在上部荷載作用下一起沉降。加固前后的復(fù)合地基沉降位移模擬結(jié)果如圖3所示，加固前后典型剖面的沉降位移等值線圖如圖4所示。

圖3 地基沉降位移分布云圖

由圖3可知：加固前受閘室荷載的作用，閘墩齒墻底部粉砂地表的沉降均大于規(guī)范允許值0.05m，且粉砂地基發(fā)生不均勻沉降，易造成閘底板拉裂，威脅水閘的安全運(yùn)行；而振沖碎石樁加固后的粉砂地基在閘室荷載作用下，相同部位的地表沉降最大值僅為0.018m，滿足規(guī)范要求，閘室底板地基的沉降差異較小，承載力得到明顯提高，說明樁基參數(shù)及布置形式合理，能夠滿足上部閘室荷載的要求。

圖4 地基豎向沉降等值線圖

由圖4可知：加固前受閘室荷載的作用，中墩剖面閘底板前齒墻下粉砂地基地表的沉降值為0.071m，中墩剖面閘底板后齒墻下粉砂地基地表沉降值為0.064m，邊墩剖面閘底板前齒墻下粉砂地基地表的沉降值為0.072m，邊墩剖面閘底板后齒墻下粉砂地基地表沉降值為0.068m，閘室沉降偏差較小，不會(huì)發(fā)生大的傾斜，但總體沉降量大于規(guī)范要求，易造成閘室與上游護(hù)坦、下游消力池等結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生錯(cuò)位，影響水閘的正常運(yùn)行；而振沖碎石樁加固后的粉砂地基在閘室荷載作用下，中墩剖面閘底板前齒墻下粉砂地基地表的沉降值僅為0.022m，中墩剖面閘底板后齒墻下粉砂地基地表沉降值為0.02m，邊墩剖面閘底板前齒墻下粉砂地基地表的沉降值為0.021m，邊墩剖面閘底板后齒墻下粉砂地基地表沉降值為0.02m，閘室沉降偏差僅為0.002m，沉降均勻，總體沉降量滿足規(guī)范要求，閘室結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生傾斜，能夠滿足上部閘室在各種荷載作用下安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

4 結(jié)論

采用ABAQUS軟件對(duì)進(jìn)水閘粉砂地基在振沖碎石樁加固前后的地基沉降位移進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析粉砂地基在加固前、后的沉降變形，得到了地基沉降變形規(guī)律，加固前沉降均大于規(guī)范允許值，地基發(fā)生不均勻沉降，加固后沉降最大值僅為0.018m，滿足規(guī)范要求，閘室底板地基的沉降差異較??；加固前中墩及邊墩剖面閘底板總體沉降量大于規(guī)范要求，易造成閘室與上、下游結(jié)構(gòu)錯(cuò)位，影響水閘的正常運(yùn)行；加固后閘室沉降偏差僅為0.002m，總體沉降量滿足規(guī)范要求，閘室結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生傾斜，能夠滿足安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

［1］趙志江，孫宇臣，姚旭初，等.振沖碎石樁法地基處理在榆林莊閘改建工程中的應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013（11）：84-86.

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［4］劉涵.某泵站廠房泥質(zhì)粉砂巖地基固結(jié)沉降有限元分析［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2016，22（08）：37-40.

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TV223.2

B

1672-2469（2017）10-0165-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.047

2017-03-09

王 濤（1984年-），男，工程師。