7.3 地基加固工程

7.3.1 基础现状及存在问题

闸址区内地形平坦，一般标高40.0～40.3m，近坝背坡为柳林区，闸轴线为北东10°，黄河大堤在此段呈北东20°左右，据地质勘探揭露，本区地层均系第四纪疏散沉积物，自上而下可分为四个大层：①第四系全新统冲积层，此层分布范围从地表到标高28.0m左右总厚度约12.0m，可分为11个小层；②第四系全新统冲积湖积层，此大层仅一层，为黏土层；③第四系全新统河流冲积层；④第四系更新统河流冲积层。地下水位很高，在39.5m附近。

基础现状：林辛闸为桩基开敞式水闸，分缝设在闸底板中间，全闸有12个中联，2个边联。中联长19.3m，宽7m，底板平均厚度2m，中联下设混凝土灌注30根，桩直径0.85m，桩长12.7～19.7m；边联长19.3m，宽11.1m，底板平均厚度2m，边联下设混凝土灌注桩48根，桩长12.7～19.7m。

存在问题：林辛闸自兴建以来，连续沉降观测显示，岸箱与边联各观测点的累计沉降量偏大，各中联累计沉降量多数满足规范要求，其中2010年观测结果为北岸箱上游侧累计沉降520mm，南岸箱上游侧累计沉降495mm，边联累计沉降243mm大于规范限值150mm；边联与中联间沉降差未超过规范限值50mm。

本次安全鉴定发现的问题：

（1）地基沉降差不满足设计要求。

（2）中联老桩配筋不满足要求。

7.3.2 桩基础复核

桩基复核计算内容包括单桩的竖向承载力、水平承载力及桩身强度。依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ D63—2007）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）进行计算。

（1）桩顶作用效应计算。桩顶作用效应采用《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中的两种方法分别进行计算复核。

方法A：计算公式如下：

偏心竖向力作用下：

水平力：

式中 F——作用于桩基承台顶面的竖向力设计值；

G——桩基承台和承台上土自重设计值；

N_i——偏心竖向力作用下第i复合桩基或桩基的竖向力设计值；

M_x、M_y——作用于承台底面通过桩群形心的x、y轴的弯矩设计值；

x_i、y_i——第i复合基桩或基桩至y、x轴的距离；

H——作用于桩基承台底面的水平力设计值；

H_i——作用于任一复合基桩或基桩的水平力设计值；

n——桩基中的桩数。

群桩形心位置的求法：

式中 x_i——第i棵桩距承台外边缘的距离；

x₀——桩群形心距承台外边缘的距离。

方法B：低承台桩基的m法，依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中表C.0.3-2进行计算。

林辛闸中联、边联基桩布置见图7.3-1、图7.3-2。

林辛闸中联桩、边联桩顶荷载设计见表7.3-1、表7.3-2。

林辛闸中联、边联单桩计算结果见表7.3-3～表7.3-6。

（2）钻孔灌注桩的允许承载力：

式中［P］——单桩轴向受压容许承载力，kN，在局部冲刷线以下，桩身自重的1/2作为外力考虑；

U——桩的周长，m，按成孔直径计算；

l——桩在局部冲刷线以下的有效长度，m；

A——桩底横截面面积，m²，用设计直径计算；

τ_p——桩壁土的平均极限摩阻力，kPa；

n——土层的层数；

l_i——承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度，m；

τ_i——与li对应的各土层与桩壁的极限摩阻力，kPa；

σ_R——桩尖土的极限承载力，kPa；

［σ₀］——桩尖处土的允许承载力，kPa；

h——桩尖的埋置深度，m；

k₂——地面土允许承载力随深度的修正系数；

γ₂——桩尖以上土的容重，kN/m³；

λ——修正系数；

m₀——清底系数。

参数取值：l=12.5m，τ_i=60kPa，［σ₀］=180kPa

经计算：［P］=1100kN，单桩竖向承载力满足要求。

（3）桩基的水平承载力复核。桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩单桩水平承载力：

式中 R_h——单桩水平承载力设计值；

α——桩的水平变形系数；

m——地基土的水平抗力系数的比例系数；

b₀——桩身的计算宽度；

EI——桩身抗弯刚度；

α_E——钢筋弹性模量于混凝土的弹性模量的比值；

d₀——扣除保护层的桩直径；

ρ_g——桩身配筋率；

ν_x——桩顶水平位移系数；

χ_0a——桩顶允许水平位移。

参数取值：a=0.52，EI=566288.67，v_x=0.94

经计算：R_h=318kN，单桩水平承载力满足要求。

（4）桩身强度复核。本次设计基桩正截面抗压承载力计算应符合下列规定：

式中 γ₀——结构重要性系数，本次设计取1.1；

e₀——轴向力的偏心距；

A、B——有关混凝土承载力的计算系数；

C、D——有关纵向钢筋承载力的计算系数；

r——圆形截面的半径；

g——纵向钢筋所在圆周的半径r_s与圆截面半径之比；

ρ——纵向钢筋配筋率；

f_cd、f′_sd——基桩混凝土抗压强度设计值、普通钢筋抗压强度设计值。

对长细比l₀/i＞17.5的构件，应考虑构件在弯矩作用平面内的挠曲对轴向力偏心距的影响。此时应将偏心距e₀乘以偏心距增大系数。

偏心距增大系数，按下式计算：

式中 η——偏心距增大系数；

l₀——桩身计算长度，按桩底、桩顶连接形式确定；

i——截面最小回转半径，对于圆形截面i=d/4；

h₀——截面有效高度；

h——截面高度，圆形截面取h=2r；

ζ₁——荷载偏心率对截面曲率的影响系数；

ζ₂——桩身长细比对截面曲率的影响系数。

林辛闸中联、边联单桩配筋面积见表7.3-7、表7.3-8。

（5）桩基础复核结论。桩基础计算分析表明，中联老桩最上游一列桩配筋不满足规范要求，需要采取加固措施。

7.3.3 地基沉降复核

7.3.3.1 地基沉降计算方法

群桩基础沉降计算是一个较为复杂的问题，一直是岩土工程界的难点和重点。目前群桩沉降计算中心方法主要有等代墩基法，经验法，Mindlin-geddes法，等效作用分层总和法等，本次计算采用等效作用分层总和法，依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）和《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2001），计算地基变形时，地基内的应力分布，采用各向同性均质线性变形体理论。对于桩中心距不大于6倍桩径的桩基，其最终沉降量计算采用等效作用分层总和法。等效作用面位于桩端平面，等效作用面为桩承台投影面积，等效作用附加应力近似取承台底平均附加应力。对于混凝土灌注桩桩基的沉降，忽略桩本身的沉降量，只计算桩端以下未加固土层的沉降。地基最终变形量按下式计算：

式中 φ_s——沉降计算经验系数；

p_z——桩端处的附加压力，kPa；

n——未加固土层计算深度范围内所划分土层数；

E_si——桩端下第i层土的压缩模量，MPa；

z_i、z_i-1——桩端至第i层土、第i-1层土底面的距离，m；

α_i、α_i-1——桩端到第i层土、第i-1层土底面范围内的平均附加应力系数。

7.3.3.2 参数选取与沉降计算

地质参数来自于《东平湖林辛进湖闸工程地质报告》（1968年）中相关部分，地基土压缩模量E_s成果见表7.3-9。

地基土的压缩模量对沉降计算结果影响很大，本次计算时，对各计算土层的压缩模量的选用进行了分析（见表7.3-10）。

从表7.3-9地基土压缩模量E_s成果表，可以看出，同一种土在不同荷载级下的压缩模量与其均值差异性比较大，说明样本的方差比较大。考虑到现状闸基的沉降量比较大，以及桩端处附加应力值的大小（约50kPa），在沉降计算时，选用附加应力由0kPa变化到50kPa时对应的压缩模量作为该土层的压缩模量。

地下水水位标高39.5m，接近地表，由闸基土层物理力学性质试验成果表可知，基础范围内各土层的饱和容重为20kN/m³，基础埋深2.6m，由此可知，基础面的自重应力为26kPa，由闸基稳定计算成果可知，基础面的平均基底应力，边联为121kPa，中联为106kPa。

地基沉降计算成果如下：边联221mm，中联156mm。

7.3.3.3 地基沉降趋势评价

现状情况：林辛闸北边联（左岸）累积沉降量最大值为246mm，南边联（右岸）累积沉降量最大值为266mm，各中联最大沉降量为148mm。该闸的沉降量超出规范规定的150mm，各联间沉降差末达到规范规定的50mm。

沉降原因分析：林辛闸基下各土层地质年代为第四系，成因为河流冲积和湖积层，从整体上分四个大层，各大层下又分若干小层，各土层物理力学性质试验成果表明，各土层的空隙比在0.8以上，压缩模量（0～50kPa）比较小，属于高压缩性土，地下水位在39.5m附近，接近地表。引起闸基沉降的原因比较复杂，林辛闸的沉降原因有以下几点：①地基属于高压缩性土，地基沉降计算也验证了这一点；②原始地基地下水位高，空隙水压力大，当地下水位下降后，随着空隙水压力的释放，有效应力增大；③两侧岸箱末设桩基，它的沉降会引起边联处负摩阻力，带动周围中联的沉降，闸基上游端或下游端从左至右，沉降曲线呈U形（见林辛闸上游侧各观测点2010年沉降曲线）。沉降观测资料也证明了这一点；④上部结构构在桩端平面处产生的附加应力大，边联为100kPa，中联为80kPa，见图7.3-3、图7.3-4。

历史沉降资料分析：林辛闸自建以来，每年都有沉降观测数据，林辛闸沉降观测点布置图和各观测点沉降速度变化曲线图见林辛上下游侧沉降曲线图，从各观测点沉降曲线能够看出，自2001～2010年间，各观测点沉降曲线呈水平趋势，表明地基土经过40年的固结沉降，已趋于稳定。

地基沉降复核结论：从以上计算分析表明，目前地基沉降已稳定。

7.3.4 地基加固

在7.3.2节桩基础复核计算中，中联老桩上游侧一列桩配筋不满足，需要采取加固措施，通过一系列的减载措施：启闭机房由砖混结构，更换为轻结构；混凝土闸门更换为钢闸门，启闭机容量变小（自重相应减轻）。再一次对中联进行了计算，结果表明：减载后，中联桩基础配筋满足要求，林辛闸中联桩顶荷载设计见表7.3-11，林辛闸中联单桩配筋面积见表7.3-12。