上海地區(qū)水利工程地基處理簡述

文/顧晶

引言

上海地區(qū)水利工程主要包括海堤、泵站、水閘、防汛墻、河道護岸等多種水工建筑物型式。上海地處長江河口平原河網(wǎng)地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造屬揚子淮地臺東緣之江南臺隆東部，前震旦紀變質(zhì)巖構(gòu)成了本地區(qū)的基底，其后陸續(xù)發(fā)育了震旦系，古生界、中生界第三系地層。第四紀以來又相繼沉積了海陸相間的松散沉積物，成為本地區(qū)人類工程經(jīng)濟活動關(guān)系密切的巖復(fù)蓋層，也即通常意義上的軟土層，其構(gòu)成的建筑物地基為軟土地基。根據(jù)上海地區(qū)水利工程多年的經(jīng)驗，為保證水工建筑物承載力和變形的要求，一般需對地基進行處理。

一、上海地區(qū)水利工程地基處理基本特點

大量工程實踐表明，上海地區(qū)水利工程地基處理具有以下幾方面的特點：

1.由上海地區(qū)水利工程的受力機理和方式可知，其水工建筑物的基礎(chǔ)不但需承受較大的豎向荷載，還需同時承受較大的水平荷載。地基處理需確保水工建筑物在各種荷載作用下和各種工況條件下具有足夠的穩(wěn)定性，并保證水工建筑物的變形在功能要求允許的范圍內(nèi)。

2.對于上海地區(qū)水利工程，軟土地基處理需涉及土力學(xué)中穩(wěn)定、變形和滲流等三個基本課題，有時其中兩方面或三方面會同時成為工程主要控制因素。

3.隨著上海地區(qū)城市環(huán)境要求的逐漸提高，城市水利建設(shè)也進入了前所未有的發(fā)展階段，周邊建筑物林立，管線復(fù)雜，使水利工程的建設(shè)受到周邊環(huán)境較大的限制和制約，為了保證工程的順利進行，需采取基坑圍護的方式。

4.上海地區(qū)水利工程一般周邊環(huán)境較為復(fù)雜，水利工程地基處理往往需要進行沉樁，為了防止打樁產(chǎn)生的噪音和振動影響周圍居民的生產(chǎn)、生活，以及防止沉樁擠土、基坑開挖和降水危及鄰近的建筑物、道路交通和地下管線設(shè)施，必須采取經(jīng)濟合理而有效的環(huán)保措施，這已成為當前上海地區(qū)水利工程設(shè)計和施工方案的重要組成部分。

二、上海地區(qū)水利工程地基處理的現(xiàn)狀

目前各行業(yè)和地方根據(jù)各自的特點分別制定了專門的有關(guān)地基處理方面的規(guī)范，如港口行業(yè)、建筑行業(yè)、交通行業(yè)等，而水利行業(yè)由于涉及面廣、情況復(fù)雜，至今未專門針對地基處理方面的內(nèi)容編制相應(yīng)的規(guī)范，僅包含在特定工程規(guī)范中，其運用范圍也做了較多的限制，其有關(guān)地基處理方面的內(nèi)容難以滿足軟土地區(qū)水利工程地基處理的需要，因此目前上海地區(qū)水利工程地基處理在滿足水利行業(yè)相關(guān)規(guī)范的前提下，一般還需參照國家、行業(yè)和地方相類似的規(guī)范、規(guī)程進行設(shè)計和施工。因此上海地區(qū)水利工程地基處理的發(fā)展基本與上海地區(qū)建筑、市政、港口等其他行業(yè)地基處理的相關(guān)發(fā)展同步。

（一）現(xiàn)行規(guī)范

目前可應(yīng)用于上海地區(qū)水利工程作為地基處理設(shè)計與施工常用規(guī)范如下：

水利行業(yè)標準——《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265—2016）；《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274—2001）；《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（SL 203—1997）；

上海地區(qū)地方規(guī)范——《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（DGJ08—11—2010）；《地基處理技術(shù)規(guī)范》（DG/TJ 08—40—2010）；《鉆孔灌注樁施工規(guī)程》（DG/TJ 08—202—2007）。

（二）理論計算

1.天然地基承載力的計算

目前國內(nèi)外天然地基承載力的計算方法非常多，理論系統(tǒng)也不完全相同，受歷史的原因，以及由于我國國土遼闊，地質(zhì)情況差異非常大，造成現(xiàn)狀國家標準、行業(yè)標準和地方標準推薦采用的理論體系和計算方法不盡相同。以上海地區(qū)水利工程為例，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和《水閘設(shè)計規(guī)范》推薦采用按塑性平衡理論，根據(jù)地基塑性變形區(qū)的開展范圍確定地基承載力。上海地方規(guī)范則運用地基極限承載力的概念，推薦采用漢森公式，設(shè)計公式中考慮了分項系數(shù)，與工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準的設(shè)計原則相一致。但在工程具體設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)區(qū)域的工程經(jīng)驗和具體情況采用不同規(guī)范進行對比計算和復(fù)核驗證。

樁基豎向承載力的計算各規(guī)范均要求按現(xiàn)場靜載荷試驗確定，對于初步設(shè)計階段，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗采用樁端端阻力和樁側(cè)摩阻力對樁基的承載力進行估算。但不同的規(guī)范之間仍存在不同的理論體系和計算模式之間的矛盾。

樁基水平承載力的計算方法有m法、c法、k法、P-y法、N-L法等，目前應(yīng)用上海地區(qū)實際工程仍以m法最為普及。

2.沉降變形計算

目前國內(nèi)各規(guī)范在計算天然地基沉降變形一般采用應(yīng)力面積法通過分層總和進行計算，然后通過各地區(qū)的沉降觀測資料和經(jīng)驗確定沉降經(jīng)驗系數(shù)進行修正。上海地區(qū)也采用類似的方法，由于適用范圍較小，地質(zhì)條件相對比較單一，因此經(jīng)驗系數(shù)的變化范圍比國家標準窄。

對于樁基沉降的計算方法，上海地區(qū)根據(jù)大量工程的經(jīng)驗和對實測數(shù)據(jù)的分析，將Mindlin課題的應(yīng)力解引入到樁基沉降計算中。國家標準《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》考慮到實際應(yīng)用的方便，以及以往工程的經(jīng)驗，保留了實體深基礎(chǔ)的計算方法。

對于由規(guī)范方法計算得到的沉降值僅為最大平均沉降值，未推薦不均勻沉降和差異沉降的計算方法，為了滿足工程的需要，工程人員也只能根據(jù)各自的經(jīng)驗對其進行估算。

3.滲流計算

上海地區(qū)水利工程的滲流計算一般按照《水閘設(shè)計規(guī)范》推薦的改進阻力系數(shù)法進行計算，在有條件或工程需要的前提下也可采用流網(wǎng)法進行計算。

4.邊坡整體穩(wěn)定計算

上海地區(qū)水利工程的邊坡整體穩(wěn)定計算主要采用瑞典條分法、簡化的畢肖普法和有效固結(jié)應(yīng)力法，但在計算參數(shù)取值上不盡相同，在具體應(yīng)用時，應(yīng)從盡可能接近工程的實際應(yīng)力狀態(tài)情況以及根據(jù)不同工況選取合理的計算參數(shù)，從而保證工程計算的合理性和精確性。

隨著有限元計算方法應(yīng)用的逐漸普及，以上各計算內(nèi)容在許多重大工程中也逐步運用有限元的方法進行計算復(fù)核。

5.計算軟件

由于巖土工程的復(fù)雜性，因此涉及有關(guān)地基處理的計算軟件也非常多，目前上海地區(qū)水利工程地基處理應(yīng)用較為廣泛、工程技術(shù)人員較易掌握的軟件主要有理正軟土系列計算軟件、同濟啟明星系列計算軟件以及各設(shè)計單位編制的專業(yè)計算軟件。對于處理一些較為復(fù)雜的工程問題，也可運用巖土專業(yè)分析軟件進行計算，如：Plaxis、Ansys-CivilFEM、3-σ、MSC.Marc、Flac3D等等。

（三）地基處理常見型式

根據(jù)上海地區(qū)水利工程的類型，其相應(yīng)的地基處理方式主要包括樁基（以剛性樁為主，如：預(yù)制樁、PHC管樁、鉆孔灌注樁、鋼管樁等）、地下連續(xù)墻、SMW工法樁、高壓噴射注漿、水泥土攪拌法、排水固結(jié)法、反壓坡法等。其中水利控制工程以樁基應(yīng)用最為廣泛，海堤工程以排水固結(jié)最為廣泛。

基坑圍護的方式主要包括地下連續(xù)墻法、排樁法（如鉆孔灌注樁、鋼板樁等）、SMW工法、重力式墻體法（如水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁等）、放坡開挖法、土釘墻法等。

以上各處理方式均有一定的適用條件，一般需根據(jù)具體工程，結(jié)合地質(zhì)條件、周邊環(huán)境情況、施工可行性、工程造價等多種因素綜合確定。

三、上海地區(qū)水利工程地基處理關(guān)鍵技術(shù)研究展望

（一）新材料、新工藝以及新技術(shù)在軟基處理中得到開發(fā)和應(yīng)用

利用鋼纖維、碳纖維材料解決水利工程耐久性和安全性問題，減小地下結(jié)構(gòu)的裂縫開展寬度；摻合泡沫材料制成的輕質(zhì)地基土可以解決高填土的問題，減輕設(shè)計施工荷載；許多新型土工結(jié)構(gòu)型式得以開發(fā)，如采用地下連續(xù)墻形成開放式沉井作為水工結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)型式等；在新工藝方面，對于軟基處理，效率更高的排水固結(jié)工藝、深層攪拌、超級高壓旋噴工法等得到開發(fā)及應(yīng)用。

（二）環(huán)境土力學(xué)和環(huán)境水利工程相結(jié)合

在密集的城市地區(qū)無論進行何種形式的工程施工都會對周邊建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生影響。因此，為盡可能減少工程建設(shè)對周圍環(huán)境的影響，應(yīng)研究發(fā)展對周圍土體擾動小的施工方法，并強調(diào)基于現(xiàn)場檢測的信息化動態(tài)施工反饋技術(shù)的應(yīng)用，同時開展新的理論方法研究，將環(huán)境土力學(xué)與環(huán)境水利工程有機系統(tǒng)地結(jié)合。

（三）土力學(xué)與城市防災(zāi)減災(zāi)的研究

近年來，地震、臺風(fēng)、暴雨、洪水等自然災(zāi)害中如何保證水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施的安全，對城市的災(zāi)害降到最低，成為一個熱點問題并引起重視。如暴雨時邊坡穩(wěn)定的問題、地下公共工程防汛問題、如何通過地基處理等巖土力學(xué)手段提高城市抵御大地震災(zāi)害的能力等。因此應(yīng)開展土動力學(xué)與抗震減災(zāi)理論的研究和對策，以及城市水利工程災(zāi)害、風(fēng)險分析和控制的研究。

（四）海洋土力學(xué)理論和應(yīng)用的研究

圍海造地是上海地區(qū)解決土地問題首選策略，隨著社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，這方面的力度還在不斷加大。隨著深水中海堤的建設(shè)，堤前高灘沒有了，帶來的不僅是河勢和生態(tài)上的問題，直接面臨的是防臺保安問題。因此開展波浪往復(fù)荷載作用下地基土的弱化效應(yīng)、海洋地基土的動力特性、海堤等結(jié)構(gòu)物變形與穩(wěn)定、海岸工程抵御海洋災(zāi)害能力的研究是保障城市安全和減少城市災(zāi)害的前提。

四、結(jié)束語

隨著上海城市經(jīng)濟的發(fā)展，大城市的基礎(chǔ)設(shè)施、城市防洪等生命線工程的建設(shè)得到了空前的發(fā)展，城市水利工程建設(shè)要求達到環(huán)境水利的高度。今后針對上海軟土地基的特征，基坑維護的研究方向或更注重數(shù)學(xué)、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、信息、管理、地球科學(xué)、海洋、環(huán)境、能源等學(xué)科的融合，以及智能化預(yù)測和監(jiān)測、可視化仿真等信息化手段的運用。