變剛度調平設計在大跨度水閘地基處理中的應用

高煒杰，俞佩斯

（寧波市水利水電規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315192）

1 問題的提出

由于自身工作條件的復雜性和設計選型的獨特性，水工建筑物普遍具備結構剛度差異較大的特點，且荷載作用分布不均勻。而在水工建筑物設計中，常采用樁基礎來解決地基承載力不足的問題。但由于結構剛度、荷載作用的差異性，特別對一些跨度較大的水工結構，上部荷載傳遞至基礎后會導致樁基產生較大差異沉降，同時使底板某些部位產生較大附加應力，對結構的正常運行不利，因此在水工結構中采用通過調整地基或基樁豎向支承剛度分布來促使差異沉降減小、基礎或承臺內力顯著降低的變剛度調平設計是非常適用和必要的。而在傳統(tǒng)設計中，多數工程采用均勻布樁方式，未能將基礎剛度與上部結構、荷載協(xié)調一致，對結構安全及工程經濟性都十分不利。

在建筑工程中，基于變剛度調平設計理論的樁基礎設計近年來得到廣泛的應用，取得顯著的進展。各種實際工程應用表明，樁基礎變剛度調平設計不僅減小樁基礎的差異沉降、基礎筏板內力及上部結構的附加應力，同時減少用樁量，具有很高的經濟效應[1]。該法通過調整上層建筑、地基、樁基的剛度分布，以控制結構變形，同時降低工程造價，但在水利工程中應用有限。目前，國內學者對水利工程中的變剛度設計理念應用也進行了一些初步探究。唐金忠[2]在水利工程基礎工程設計部分介紹水利工程的變剛度樁基礎的設計方法及筏板配筋計算方法。韓曉飛[3]計算水閘上部結構與樁土的共同作用，得出其變形規(guī)律，并通過對樁布置、樁長、樁徑、樁端土性質等參數進行調整，得出每一參數的變化對樁基礎工作的影響規(guī)律，并分析其對結構自振特性的影響。鄭克紅[4]對邊孔底板不均勻布置、中孔是否布樁這3種不同的樁基布置情況進行分析，指出不均勻布樁能夠有效減小閘底板負彎矩，其中中孔不布樁情況下底板負彎矩會增大。岳晨雨[5]研究深厚覆蓋層上采用變剛度摩擦樁的水電站廠房的沉降和地震反應，指出變剛度設計有效節(jié)約資源，控制沉降值，而單純增加樁的數量并不能提高結構抗震性能。孫洋廣[6]針對水閘左墩、右墩、上下游底板布置不同樁基，分析灌注樁對水閘豎向承載、水平承載以及基礎沉降的影響，表明合理布樁能夠有效改善基礎的沉降情況。

本文擬結合寧波市某大跨度水閘（單跨45 m）工程建設，開展結構數值仿真分析，對水閘底板樁基布置進行優(yōu)化設計，將變剛度調平設計理念應用于該工程樁基設計中，通過比對變剛度樁基布置與傳統(tǒng)均勻布樁方式的計算成果，得出變剛度樁基設計的合理性、優(yōu)越性，為類似工程的結構設計提供參考。

2 工程概況及有限元模型的建立

2.1 工程概況

寧波市某大跨度水閘，為滿足通航需求，采用1孔×45 m平面直升鋼閘門，為目前國內單孔寬度最大的平面直升閘門，底檻高程為-3.67 m。閘室頂高程為11.00 m，上部啟閉房頂高程為22.00 m，上部結構高大。由于閘室寬度與高度均較大，對變形十分敏感，其閘室結構的安全性、可靠性成為整個工程設計的重中之重。

2.2 結構及樁基布置

2.2.1 結構布置

經前期設計方案比選后，最終確定水閘采用整體式底板結構。考慮剛度要求，并結合類似工程經驗，取底板厚度為2.50 m。

整體式底板為保證閘室剛度，底板為2.50 m等厚布置，閘室分3塊進行澆筑，邊聯(lián)2塊為L型擋墻，中聯(lián)底板與邊聯(lián)底板通過1.00 m寬施工后澆帶進行連接。后澆帶設置位置見圖1。

圖1 后澆帶設置位置圖

2.2.2 樁基布置

整體式閘室結構考慮降低施工期受溫度應力及樁基沉降變形附加應力對底板結構的影響，采用兩側閘墩邊聯(lián)與中聯(lián)底板設置后澆帶分離澆筑，考慮實際施工安排偏不利情況，在兩側閘墩澆筑至墩頂11.00 m高程后，再對兩側邊聯(lián)與中聯(lián)底板進行并縫。故兩側邊聯(lián)樁基需滿足承受并縫前上部荷載要求。同時考慮閘室水平荷載均直接作用于兩側閘墩上，增加靠近閘墩處樁基有利于減小底板由水平荷載引起的內力，對結構安全有利。

（1）變剛度樁基布置方案。根據 JGJ 94 — 2008《建筑樁基技術規(guī)范》，同一承臺下的樁不宜采用不同樁徑，因此變剛度樁基設計應采用變樁距和變樁長布樁實現(xiàn)?？紤]到變樁距布樁所有基樁的線剛度相同，避免因變樁徑、變樁長布樁基樁線剛度取值不合理導致計算產生較大誤差，同時在布置空間不受限制情況下，變樁距布樁相對于變樁長布置更有利于施工，只有在變樁距困難的情況下才考慮進行變樁長，故結合本工程實際情況樁基變剛度采用變樁距布樁來實現(xiàn)。

根據上述原則經初步計算，對并縫前邊聯(lián)閘墩處底板采用3排樁，樁徑1.00 m、承臺寬度9.50 m，前排6根樁，中排4根樁，后排4根樁，單側邊聯(lián)共計14根樁，兩邊聯(lián)總樁數為28根。中聯(lián)底板按承受底板自重，同時考慮樁基施工質量等不可控因素，樁距不宜太大，共布4排樁，每排4根樁，該聯(lián)樁數為16根。底板樁基布置見圖2。

圖2 底板樁基布置圖（變剛度樁基布置方案）

（2）傳統(tǒng)均勻布樁方案。根據結構水平承載力要求，對邊聯(lián)底板仍采用3排樁，樁徑與承臺寬度不變，每排5根樁，單側邊聯(lián)共計15根樁，兩邊聯(lián)總樁數為30根。中聯(lián)的樁基布置同變剛度樁基方案。底板樁基布置見圖3。

圖3 底板樁基布置圖（傳統(tǒng)均勻布樁方案）

2.3 有限元模型的建立

2.3.1 三維有限元模型的建立

本次研究基于大型通用商業(yè)有限元軟件MIDAS -GTS NX進行，將水閘的閘室進行整體三維有限元離散，采用變剛度樁基布置方案的閘室共劃分單元231 552個，節(jié)點51 099個，采用傳統(tǒng)均勻布樁方案的閘室共劃分單元234 725個，節(jié)點51 678個。不同方案的水閘閘室有限元模型見圖4，模型的X向指順水流方向，Y向指垂直水流方向，Z向指豎直方向。

圖4 水閘閘室有限元模型圖

2.3.2 材料參數、荷載及邊界條件

閘墩、底板采用3D實體單元進行模擬，鉆孔灌注樁采用1D梁單元進行模擬，有限元網格以精度較高的四面體網格為主。

閘室結構及樁基礎等采用線彈性本構模型來模擬，其物理力學參數見表1。其中樁基的彈性模量按樁頂豎向位移達40.00 mm時，樁基正好達到極限承載力的經驗關系換算而得。

表1 結構及樁基物理力學參數表

模型邊界條件：本次水閘樁基全部采用嵌巖樁，考慮上部結構荷載完全由灌注樁承受。灌注樁底部采用全約束，灌注樁樁身進行旋轉約束。

2.3.3 計算工況

根據SL 265 — 2016《水閘設計規(guī)范》，各工況荷載情況見表2。

表2 各工況荷載情況表表

3 變剛度樁基設計效果分析

本次考慮在兩側閘墩澆筑至墩頂11.00 m高程后，再對兩側邊聯(lián)與中聯(lián)底板進行并縫處理，因此底板并縫前、后的結構安全性均至關重要。

3.1 并縫前結構計算成果分析

由于底板并縫前上部結構荷載均作用在邊聯(lián)閘墩上，而中聯(lián)底板幾乎僅承受自重荷載，邊聯(lián)的結構安全是該工況下分析的重點。以下將采用變剛度樁基布置方案與傳統(tǒng)均勻布樁方案的計算結果數據進行匯總并對比分析。

3.1.1 結構變形

圖5 ～ 6分別為2種布樁方案水平和豎向變形計算云圖，表3為并縫前邊聯(lián)位移成果對比表。

圖5 底板并縫前邊聯(lián)垂直水流向水平位移云圖

圖6 底板并縫前邊聯(lián)豎向位移云圖

表3 2種布樁方案并縫前邊聯(lián)位移成果對比表

由上述計算成果可知，變剛度樁基布置方案與傳統(tǒng)均勻布樁方案位移分布規(guī)律基本一致，但采用變剛度方案使得邊聯(lián)閘室的最大水平位移降低31.1%，最大豎向位移（沉降）降低14.0%。

3.1.2 結構應力

2種布樁方案底板并縫前邊聯(lián)第一主應力云圖見圖7。由圖7對比結果可知，變剛度樁基布置方案與傳統(tǒng)均勻布樁方案應力分布規(guī)律基本一致，但采用變剛度方案使得邊聯(lián)閘室的拉應力有所降低。由于底板并縫前邊聯(lián)應力不受中聯(lián)大跨度底板約束影響，整體上拉應力水平較低，拉應力最大值均小于0.3 MPa。

3.1.3 樁基軸力

2種布樁方案底板并縫前邊聯(lián)樁基軸力分布見圖8，并縫前邊聯(lián)樁基軸力成果對比見表4。

圖7 底板并縫前邊聯(lián)第一主應力云圖

圖8 底板并縫前邊聯(lián)樁基軸力分布圖

表4 2種布樁方案并縫前邊聯(lián)樁基軸力成果對比表

由圖8、表4對比結果可知，變剛度樁基布置方案與傳統(tǒng)均勻布樁方案樁基軸力分布規(guī)律基本一致，即靠近邊聯(lián)閘墩的樁基所承擔的軸力較大。但采用變剛度方案使得邊聯(lián)閘室的樁基最大軸力值降低11.7%，最大最小軸力比值降低45.3%。相比于傳統(tǒng)布樁方案，在軸力較大位置，變剛度方案使其軸力有所降低，在軸力較小位置，軸力則有所提高，即軸力小處樁的承載力能夠得到更加充分的利用，而軸力較大處單樁的安全性更高。

綜上所述，相對于傳統(tǒng)均勻布樁方案而言，在樁基數量（或豎向承載力）、底板厚度一致的前提下，采用變剛度方案使并縫前邊聯(lián)閘室的結構變形顯著減小，結構拉應力水平有所降低，樁基最大軸力值降低，同時使不同部位樁軸力趨于均勻，樁基的整體安全性得到提高。

3.2 并縫后結構計算成果分析

底板并縫后，閘室的整體剛度增大，上部荷載傳遞至基礎后，樁基礎的不均勻沉降會導致底板某些部位產生較大附加應力和變形，此時并縫后大底板的結構安全成為分析的重點。以下將采用變剛度樁基布置方案與傳統(tǒng)均勻布樁方案的計算結果數據進行匯總，并進行對比分析。

3.2.1 結構變形

2種布樁方案并縫后閘室位移成果對比見表5。從表5對比結果可知，變剛度樁基布置方案位移隨工況變化規(guī)律與傳統(tǒng)均勻布樁方案基本一致，其中最大水平位移出現(xiàn)在工況3，最大豎向位移出現(xiàn)在工況2。采用變剛度方案使得最大水平位移降低15.3%，最大豎向位移降低1.8%。

表5 2種布樁方案并縫后閘室位移成果對比表

3.2.2 結構應力

2種布樁方案下閘室的最大拉應力均出現(xiàn)在工況2的底板上表面，第一主應力值見圖9。

圖9 底板并縫后閘室第一主應力云圖

由計算結果可知，變剛度樁基布置方案應力分布隨工況變化規(guī)律與傳統(tǒng)均勻布樁方案基本一致，其中最大拉應力出現(xiàn)在工況2。變剛度方案閘室最大拉應力小于1.4 MPa，而傳統(tǒng)均勻布樁方案閘室最大拉應力達1.9 MPa，采用變剛度方案使得閘室最大拉應力降低約30.0%。

3.2.3 結構內力

通過采用有限元程序計算出的節(jié)點應力場提取截面應力，進行節(jié)點應力插值，然后將這些應力值在截面上進行積分即可轉化成截面內力。經積分計算，得出2種布樁方案的閘室底板在3個不同工況下的單寬彎矩值，并根據最大彎矩值進行配筋計算。并縫后不同工況閘室底板彎矩分布見圖10，2種布樁方案并縫后閘室底板彎矩成果對比見表6。

圖10 并縫后不同工況閘室底板彎矩分布圖

表6 2種布樁方案并縫后閘室底板彎矩成果對比表

由圖10、表6可知，3種主要控制工況下，采用變剛度方案后，底板最大彎矩產生不同程度的降低，降幅比例均在30.0%左右，而底板中部受荷載較小處彎矩產生不同程度的提高。由此可見，樁基的變剛度調平設計方案使底板彎矩分布趨于均勻，且在各工況下均能明顯降低底板所承受最大彎矩，使底板彎矩分布更加合理，提高鋼筋的利用率。2種布樁方案配筋結果對比見表7。

表7 2種布樁方案配筋結果對比表

由表7配筋結果可知，根據結構承載力要求，采用變剛度方案后，計算配筋量明顯減小，配筋量比均勻布樁方案降低28.2%。

3.2.4 樁基軸力

2種布樁方案并縫后閘室樁基軸力成果對比見表8。由表8對比結果可知，變剛度樁基布置方案的樁基軸力隨工況變化分布規(guī)律與傳統(tǒng)均勻布樁方案基本一致。但采用變剛度方案使得閘室的樁基最大軸力值最高降幅達1.1%，最大最小軸力比值降低6.0% ～ 12.0%。相比于傳統(tǒng)布樁方案，在軸力較大位置，變剛度方案使其軸力有所降低，在軸力較小位置，軸力則有所提高，但總體上軸力值差異比底板并縫前小，這是由于并縫后底板整體剛度增大，樁基受底板約束所致。

表8 2種布樁方案并縫后閘室樁基軸力成果對比表

綜上所述，相對于傳統(tǒng)均勻布樁方案而言，在樁基數量（或豎向承載力）、底板厚度一致的前提下，采用變剛度方案使并縫后閘室的結構變形顯著減小，結構拉應力水平明顯降低，結構內力顯著降低，樁基最大軸力值有所降低，同時使不同部位樁軸力趨于均勻，樁基的整體安全性得到提高。

3.3 樁基線剛度對底板內力的敏感性分析

考慮到并縫后閘室底板受力比較復雜，若由于樁基施工等因素導致底板下實際樁基剛度不一致，將可能會引起底板較大附加應力，對結構安全不利，因此樁基剛度對底板內力的影響進行敏感性分析是必要的。從偏不利因素考慮，給出樁基剛度對底板內力影響敏感性分析的3種計算工況（見表9）。

表9 樁基剛度對底板內力敏感性分析工況表

2種布樁方案在不同敏感性分析工況下不同工況的最大彎矩計算成果見表10，配筋計算成果見表11。

表10 不同敏感性分析工況下最大彎矩計算成果表

表11 不同敏感性分析工況下配筋計算成果表

由最大彎矩計算結果表10可知，變剛度樁基布置方案的彎矩值隨工況變化分布規(guī)律與傳統(tǒng)均勻布樁方案基本一致，2種方案均在工況c出現(xiàn)最大彎矩值，但采用變剛度方案使工況a底板的最大彎矩值降低26.3%，工況b底板最大彎矩降低26.9%，工況c底板最大彎矩降低6.0%。根據表11配筋計算成果，工況a和工況b采用變剛度方案后底板配筋量降低27.2%，工況c考慮控制裂縫寬度要求，采用變剛度方案后在底板配筋量相同的情況下減小裂縫寬度。相比于傳統(tǒng)布樁方案，在閘室樁基成樁質量較差的偏不利工況下，變剛度方案使底板彎矩分布趨于均勻，且在各敏感性分析工況下均能顯著降低底板所承受的最大彎矩，降低底板配筋量和裂縫寬度。綜上所述，采用變剛度方案使偏不利施工因素對底板結構安全的影響程度降低，提高結構設計的安全儲備。

4 結 論

本文采用三維有限元分析軟件MIDAS-GTS NX對寧波市某大跨度水閘閘室進行數值模擬，研究采用變剛度調平設計樁基礎的閘室應力、內力、變形、樁基軸力分布規(guī)律，并與傳統(tǒng)布樁方案的結果進行對比，最后研究不同布樁方案下結構對樁基礎豎向剛度的敏感性。通過對現(xiàn)有研究成果的綜合分析，得出如下結論。

（1）對于大跨度水閘，結構荷載主要作用在閘墩上，因此閘墩下樁基受力往往遠大于底板跨中部位樁基。按照變剛度調平設計理念，通過調整基樁的豎向支撐剛度分布，以此來控制基礎差異沉降，從而降低基礎內力和上部結構附加應力，這種設計方法是合理的，而當樁基布置不合理時，簡單增加樁數并不能有效改善結構受力變形情況。

（2）相對于傳統(tǒng)均勻布樁方案而言，在樁基數量（或豎向承載力）、底板厚度一致的前提下，采用變剛度方案使并縫前邊聯(lián)閘室的結構變形顯著減小（最大水平位移降低31.0%，最大豎向位移降低14.0%），結構拉應力水平有所降低，樁基最大軸力值降低（最大軸力值降低12.0%），同時使不同部位樁軸力趨于均勻（最大最小軸力比值降低45.0%），樁基的整體安全性得到提高。

（3）相對于傳統(tǒng)均勻布樁方案而言，在樁基數量（或豎向承載力）、底板厚度一致的前提下，采用變剛度方案在灌注樁減少2根（占總樁數4.3%）情況下使并縫后閘室的結構變形顯著減?。ㄗ畲笏轿灰平档?5.0%，最大豎向位移降低2.0%），結構拉應力水平明顯降低（最大拉應力降低30.0%），結構內力顯著降低（最大彎矩值降低約30.0%），樁基最大軸力值有所降低（最大軸力值最高降幅達1.1%），同時使不同部位樁軸力趨于均勻（最大最小軸力比值降低6.0% ～ 12.0%），樁基的整體安全性明顯提高。

（4）變剛度方案使樁基偏不利施工因素對底板結構安全的影響程度顯著降低，采用變剛度調平設計的結構對基礎剛度的敏感性總體上優(yōu)于傳統(tǒng)均勻布樁設計，變剛度設計的安全裕度更高。

（5）按照變剛度調平設計理念進行樁基布置，從結構受力變形、工程運行可靠性、工程經濟性等多方面考慮，均優(yōu)于傳統(tǒng)設計，因此變剛度調平設計在大跨度水利工程中能夠發(fā)揮其內在優(yōu)勢，在水利工程應用領域仍有較大發(fā)展前景。