李會興

（天津市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，天津 300204）

1 簡述

水利工程分布地域廣闊，有相當(dāng)多的水利工程建設(shè)在河口、沿海、濕地、山區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣、建設(shè)條件較差。各類建筑物的地基作為支承建筑物基礎(chǔ)的載體，其穩(wěn)定性一直都是工程設(shè)計和建設(shè)者關(guān)注的重要內(nèi)容。

地基是建筑物下面支承基礎(chǔ)的土體或巖體，按地質(zhì)情況分為土基和巖基，按設(shè)計施工情況分為天然地基和人工地基。土基由碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土等各類不同的土體組成，巖基由巖石構(gòu)成。相對于土基來說，巖基性質(zhì)稍好。

天然地基是在自然狀態(tài)下即可滿足承擔(dān)基礎(chǔ)全部荷載要求，不需要人工處理的地基。人工地基是天然地基不能承載基礎(chǔ)傳遞的全部荷載，需要通過一定的處理措施干預(yù)后形成的地基。本文主要研究土質(zhì)地基。

2 工程地質(zhì)勘察

各類建筑物建造在地基之上，構(gòu)成地基的土層分布，土的松密程度、壓縮性的高低、強度的大小，地下水的深度與水質(zhì)情況、附近是否存在不良地質(zhì)現(xiàn)象等，都關(guān)系著建筑物的安危。因此，通過工程地質(zhì)勘察查清地基土的真實狀況是工程設(shè)計的重要前期工作，工程地質(zhì)勘察成果是工程設(shè)計的重要依據(jù)之一。

在工程地質(zhì)勘察工作中，勘察內(nèi)容、工作量和工作方法應(yīng)根據(jù)場地的復(fù)雜程度、建筑物的規(guī)模及等級、對建筑物場地地質(zhì)條件的研究程度和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗、建筑物的基礎(chǔ)型式等因素有針對性的確定。通過鉆探法、觸探法、掘探法等勘察手段，查清工程范圍內(nèi)工程地質(zhì)情況，包括場地位置、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等。對不良地質(zhì)現(xiàn)象要重點關(guān)注，并提醒工程設(shè)計人員注意。工程地質(zhì)勘察應(yīng)詳細(xì)描述場地的地層分布、巖土構(gòu)成、各土層的均勻性、地下水埋藏深度和土層的凍結(jié)深度，通過實驗確定場區(qū)各層土體的物理力學(xué)性質(zhì)、地基承載力指標(biāo)、地下水侵蝕性等。詳實、可靠的工程地質(zhì)勘察資料是工程設(shè)計的基礎(chǔ)，也是在工程設(shè)計中判定地基是否存在問題并選取適宜的地基處理方法的重要依據(jù)。

3 工程中常見的地基問題

水利工程中，常見的地基問題主要分為3 類，即地基承載力和穩(wěn)定性問題、沉降和水平位移問題、滲流問題。

3.1 地基承載力和穩(wěn)定性問題

地基承載力和穩(wěn)定性問題是指地基承載力不能滿足建筑物荷載要求，在建筑物荷載作用下地基發(fā)生局部或整體剪切破壞，影響建筑物的正常使用甚至損毀。

作為建筑物基礎(chǔ)的支承體，地基的承載力需要滿足上部荷載的要求，能在上部建筑物基礎(chǔ)傳遞下來的荷載作用下保持穩(wěn)定。

造成地基承載力不足的土體有軟黏土、泥炭土、膨脹土等，這些土體承載力較低，容易引起地基失穩(wěn)問題。

軟黏土是軟弱黏性土的簡稱，包括淤泥、淤泥質(zhì)土等。淤泥和淤泥質(zhì)土主要是第四紀(jì)后期形成的濱海相、澙湖相、三角洲相和內(nèi)陸河湖相等的黏性土沉積物或河流沖積物，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0。當(dāng)天然孔隙比大于1.5時，稱為淤泥；當(dāng)天然孔隙比大于1.0 小于1.5 時，稱為淤泥質(zhì)土。這類土的天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小。在荷載作用下，軟黏土地基承載力較低，易發(fā)生地基不穩(wěn)定問題。軟黏土地基在工程中較為常見，一般需要處理后才能供工程使用。

泥炭土是在潮濕和缺氧環(huán)境中未經(jīng)充分分解的植物遺體堆積而成的一種有機質(zhì)土，有機質(zhì)含量大于60%，其含水量高、壓縮性大且不均勻。

膨脹土是指黏粒成分主要由親水性黏土礦物組成的黏性土，在環(huán)境溫度和濕度變化時可產(chǎn)生強烈的脹縮變形。

軟黏土、泥炭土和膨脹土都是引起地基不穩(wěn)定性問題的不良土質(zhì)。

3.2 沉降和水平位移問題

當(dāng)?shù)鼗奢d過大將會產(chǎn)生變形，地基變形過大將導(dǎo)致建筑物沉降或水平位移。當(dāng)建筑物不均勻沉降超過地基所能承受的范圍，建筑物將產(chǎn)生過大裂縫、不能正常使用，也可能使建筑物整體失穩(wěn)、傾覆，給工程帶來嚴(yán)重后果。

3.3 滲流問題

當(dāng)?shù)鼗惺茌^大的水力比降，土體中部分顆粒被水帶走形成較大空洞，使地基承載力大幅下降，導(dǎo)致地基失穩(wěn)、建筑物破壞，是土質(zhì)地基中常見的滲流破壞問題。

土洞是巖溶地區(qū)上覆土層被地下水沖蝕或被地下水潛蝕所形成的洞穴。因土洞的形成將在原本密實的地基下方形成空洞，因此容易造成地面變形、地基陷落，對建筑物安全影響很大。另外，管涌和流土也是土質(zhì)地基常見的滲流問題。

水利工程中的地基問題往往不是單一存在的，在工程設(shè)計和建設(shè)中，常會遇到天然地基存在上述3 類問題中的一種或幾種。因此，需要采取措施處理好全部地基問題，形成滿足建筑物對地基安全、可靠要求的人工地基，供工程建設(shè)使用。

4 地基處理方法

針對地基存在的問題，需要采用人為干預(yù)措施進(jìn)行處理，使之滿足相關(guān)使用要求。目前，常用的地基處理方法可以歸納為置換、排水固結(jié)、灌入固化物、振密和擠密、加筋等幾類[1]，具體處理方法及適用范圍詳見表1。

表1 地基處理方法及適用范圍

選取地基處理方法，應(yīng)首先研究天然地基地質(zhì)情況及水文地質(zhì)條件，弄清楚地基土體構(gòu)成及存在問題，然后有針對性地選擇。地基處理方法的選擇，應(yīng)能改善地基性質(zhì)，確保工程安全，同時兼顧經(jīng)濟性，力求以較少的資金投入解決較大的實際問題。

同一種地基問題往往有多種解決方法，為此在確定地基處理方案前，應(yīng)提出幾種可行的方案，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，選取技術(shù)上可靠、經(jīng)濟上合理、滿足施工進(jìn)度、對周邊環(huán)境影響小的最佳地基處理方案[2]。

深層攪拌法和鋼筋混凝土樁法是2 種常用的地基處理方法，因其可靠性較高被廣泛應(yīng)用于地基處理工程。本文對此2種地基處理方法的設(shè)計進(jìn)行論述。

5 深層攪拌法復(fù)合地基設(shè)計

深層攪拌法是將水泥等固化物和地基土攪拌成圓柱狀的樁體，與樁間土形成復(fù)合地基，提高地基承載力，改善地基性質(zhì)。

設(shè)計中，分別進(jìn)行水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值、復(fù)合地基承載力特征值計算，選取其中的較小值作為深層攪拌法復(fù)合地基承載力設(shè)計值。經(jīng)計算，處理后的復(fù)合地基承載力設(shè)計值應(yīng)能滿足承受上部建筑物荷載的要求。

5.1 單樁豎向承載力特征值計算

水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值Ra按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）中的2 種方法分別進(jìn)行計算，并選取2 種計算方法所得結(jié)果中的較小值作為水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值。

（1）方法1。Ra按下式計算：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；up為樁的周長（m）；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值（kPa）；lpi為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)；qp為樁端端阻力特征值（kPa）；Ap為樁身橫截面面積（m2）。

（2）方法2。Ra按下式計算：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊（邊長為70.7 mm 的立方體）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下90 d 齡期的立方體抗壓強度平均值（kPa）；η為樁身強度折減系數(shù)，取0.25；Ap為樁的截面積（m2）。

5.2 復(fù)合地基承載力特征值計算

復(fù)合地基承載力特征值計算公式為：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取1.0；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；Ap為樁身橫截面面積（m2）；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fsk為樁間土承載力特征值（kPa）。

6 鋼筋混凝土樁法地基設(shè)計

鋼筋混凝土樁法是在現(xiàn)場開孔至所需深度，隨即在孔內(nèi)放置鋼筋籠、澆筑混凝土，經(jīng)搗實后成為鋼筋混凝土樁。鋼筋混凝土樁法地基用于解決地基承載力不足、不均勻性較差等問題，也是解決水平力較大的主要處理措施之一。鋼筋混凝土樁設(shè)備簡單、施工方便，承載能力大，不受地下水位的限制。鋼筋混凝土樁的布置一般采用矩形或梅花形，樁數(shù)根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）通過計算確定。

6.1 鋼筋混凝土樁法地基設(shè)計原則

（1）由于樁間土與樁體剛度相差較大，計算中不考慮樁間土的作用，豎向荷載和水平荷載全部由樁承受，樁頂與建筑物底板剛性嵌固，樁頂轉(zhuǎn)角為零。

（2）不考慮各樁受力后彈性變形不一致的影響。

6.2 單樁豎向承載力特征值的確定

采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）相關(guān)公式，計算大直徑單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Qsk為單樁總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Qpk為單樁總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；u為樁身周長（m）；φsi為大直徑樁側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù)；φp為大直徑樁端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；qpk為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；lsi為樁穿越第i層土的厚度（m）；Ap為樁身橫截面面積（m2）。

通過單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk計算單樁豎向承載力特征值Ra：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；K為安全系數(shù)，取2；Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）。

6.3 單樁水平承載力設(shè)計值的確定

單樁水平承載力設(shè)計值按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）相關(guān)公式計算：

式中：Rh為單樁水平承載力設(shè)計值（kN）；X0a為樁頂容許水平位移（m）；vx為樁頂水平位移系數(shù)，取0.94；α為樁的水平變形系數(shù)（m-1）；EI為樁身抗彎剛度（kN·m2），對于鋼筋混凝土樁取EI=0.85EcI0；Ec為混凝土的彈性模量（kN/m2）；I0為樁身的截面慣性矩（m4）。

通過計算，單樁豎向承載力特征值、單樁水平承載力設(shè)計值應(yīng)能滿足工程建設(shè)的需要，并以此確定工程樁的數(shù)量。

7 結(jié)語

在水利工程設(shè)計和建設(shè)中，工程技術(shù)人員遇到越來越多的地基問題，地基處理方案的選取關(guān)系到整個工程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度和投資。工程地基問題常常是一種或幾種問題同時存在，地基處理也往往是包括一種或幾種處理方式的綜合處理方案。地基處理方案應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟比較，最終選取技術(shù)可靠、施工方便、經(jīng)濟合理的最佳方案。