變剛度調(diào)平法在水工建筑物地基處理中的運(yùn)用與探索

洪 偉，李永生，倪言波，俞 偉

（1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，223005,淮安；2.江蘇淮陰水利建設(shè)有限公司，223005,淮安）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，水利工程功能從單一防洪排澇向以防洪排澇為主，兼顧調(diào)水、活水、水環(huán)境和水景觀轉(zhuǎn)變。 閘站結(jié)合、閘橋結(jié)合、橋壩結(jié)合等綜合型水工建筑物,在條件具備時(shí)，為節(jié)省空間、減少各功能區(qū)間分縫及止水、方便施工，可采用整體化結(jié)構(gòu)。但整體結(jié)構(gòu)各功能區(qū)間荷載差異又會(huì)導(dǎo)致不均勻沉降差和內(nèi)力增大。 為解決這一問(wèn)題，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）的理念及原則，提出根據(jù)水工建筑物基礎(chǔ)不同區(qū)域的地基反力大小采用不同程度和方法的變剛度調(diào)平地基處理法，可減小不同區(qū)域間的差異沉降和結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

一、變剛度調(diào)平法原理及基本方法

1.變剛度調(diào)平法原理

天然地基和均勻布樁的初始豎向支承剛度是均勻分布的，設(shè)置于其上的剛度有限的閘底板受均布荷載作用時(shí)，由于土與土、樁與樁、土與樁的相互作用導(dǎo)致地基或樁群的豎向剛度分布發(fā)生內(nèi)弱外強(qiáng)變化，沉降變形發(fā)生內(nèi)大外小的碟形分布，基底反力出現(xiàn)內(nèi)小外大的馬鞍形分布。 當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為荷載與剛度分布不均勻的閘站結(jié)構(gòu)、閘橋結(jié)構(gòu)時(shí)，將導(dǎo)致荷載和剛度大的區(qū)域沉降大、荷載和剛度小的區(qū)域沉降小，這種差異沉降在結(jié)構(gòu)中將引起附加應(yīng)力。 為避免上述負(fù)面效應(yīng)，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，通過(guò)調(diào)整地基或基樁的豎向支承剛度分布，使得差異沉降最小，閘底板內(nèi)力和上部結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力顯著降低，這就是變剛度調(diào)平概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。

變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)旨在通過(guò)對(duì)不同反力大小區(qū)域進(jìn)行不同程度的地基處理，從而使整個(gè)地基不同區(qū)域間具有不同剛度來(lái)適應(yīng)相應(yīng)上部結(jié)構(gòu)的荷載需求，通過(guò)這樣的地基變剛度調(diào)平可減小差異變形、降低水工建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)力（特別是底板內(nèi)力），減小底板厚度， 提高建筑物使用壽命，確保正常使用功能。 將常規(guī)通過(guò)加大底板厚度來(lái)增強(qiáng)底板抗彎剛度來(lái)減小差異沉降和抵抗結(jié)構(gòu)內(nèi)力， 稱為“抗”。 這種方法性價(jià)比不高。 本文將變剛度調(diào)平地基剛度方法來(lái)減小差異沉降和抵抗結(jié)構(gòu)內(nèi)力稱為“防”，這種方法性價(jià)比較高。

2.變剛度調(diào)平基本方法

考慮上部結(jié)構(gòu)形式、荷載和地層分布以及相互作用效應(yīng)，通過(guò)調(diào)整樁徑、樁長(zhǎng)、樁距等改變基樁支承剛度分布， 以使水工建筑物沉降趨于均勻、底板內(nèi)力降低。 根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2018）的原理，對(duì)于閘站、閘橋底板，當(dāng)豎向荷載較大的泵站（或水電站）部分天然地基承載力不滿足要求的情況下， 采用樁基時(shí)，豎向荷載較小的節(jié)制閘部分地基或樁基剛度宜相對(duì)弱化，可采用天然地基、復(fù)合地基、疏樁或短樁基礎(chǔ)。 當(dāng)豎向荷載較大的泵站（或水電站）部分天然地基承載力滿足要求的情況下，可對(duì)荷載集度高的區(qū)域如泵站（或水電站） 區(qū)域等實(shí)施局部增強(qiáng)處理，包括采用減小沉降的摩擦型樁基或局部剛性樁復(fù)合地基。

按上述變剛度調(diào)平的樁基，宜進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)-閘底板-樁-土共同工作分析。 對(duì)于按變剛度調(diào)平方法設(shè)計(jì)的樁基剛度相對(duì)弱化區(qū)的摩擦型樁基，宜考慮底板效應(yīng)確定其復(fù)合基樁的豎向承載力特征值。

二、實(shí)例分析

1.采用變剛度調(diào)平地基下的結(jié)構(gòu)布置

淮安市里運(yùn)河北門橋控制工程采用新型底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門，結(jié)構(gòu)采用下閘上橋形式，工作橋通過(guò)邊墩頂部工作橋支座及兩岸伸縮柱進(jìn)行支撐。 水閘采用單孔形式，孔寬30m。水閘整體橫河向最大跨度為43m，順河向最大跨度為35m，水閘底板底部最小高程為0.7m，底板頂部最大高程為5.5m。 地質(zhì)勘探表明，水閘所在位置工程地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是在閘室段的地基土層中淤泥質(zhì)軟土分布較多，承載力較低，不能滿足結(jié)構(gòu)要求，需要進(jìn)行地基處理。 經(jīng)方案對(duì)比，決定采用鋼筋混凝土灌注樁加固方案。

由于水閘孔徑較大，兩側(cè)空箱結(jié)構(gòu)除承受自身重量外，還承受上部橋梁傳來(lái)的靜、動(dòng)荷載及閘門啟閉設(shè)備重量，因此兩側(cè)空箱下的地基反力比中間閘底板下的地基反力大，為減小不均勻沉降差大及底板結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，對(duì)于地基采用不均勻布樁的變剛度調(diào)平法，在兩側(cè)反力較大的空箱區(qū)域樁間距為3.8 m （3.2 m）（順?biāo)飨颍?.9 m（垂直水流向），樁長(zhǎng)為22.5 m；在中間反力較小的水閘區(qū)域樁間距為3.8 m（3.2 m）(順?biāo)飨?×3.5 m（垂直水流向），樁長(zhǎng)為20.5 m。

2.采用變剛度調(diào)平地基下的結(jié)構(gòu)分析

（1）分析模型

本項(xiàng)目利用ABAQUS 軟件對(duì)閘室進(jìn)行三維有限元分析， 水閘基坑取整個(gè)水閘和一定范圍的地基(橫河方向，自南岸臨土墩墻向南延伸61 m，自北岸臨土墩墻向北延伸55 m；上下游方向，自水閘底板上游側(cè)邊沿向上游延伸65 m，自水閘底板下游側(cè)向下游延伸75 m；垂直方向，從底板向下延伸61 m，包括整個(gè)厚覆蓋層作為整體結(jié)構(gòu)剖分有限元網(wǎng)格，水閘整體三維有限元模型如圖1 所示。

閘門的水平推力以集中力形式等效作用在水閘底板相應(yīng)金屬閘門鉸支座上；上下游靜水壓力以面力形式作用在水閘相應(yīng)位置；揚(yáng)壓力以面力形式作用在水閘底板下側(cè)； 水閘邊墩上部工作橋、排架、公路橋等荷載以集中力形式施加在水閘邊墩以及兩側(cè)橋臺(tái)相應(yīng)支座節(jié)點(diǎn)； 水閘及地基整體施加重力。 水閘復(fù)合樁基礎(chǔ)地基中混凝土灌注樁與地基土層單元之間采用薄層單元模擬接觸。 在地基底部加三向固定約束，在地基垂直側(cè)面加法向鏈桿固定約束， 樁基礎(chǔ)模型如圖2所示。

（2）計(jì)算工況

根據(jù)水閘施工情況及水閘運(yùn)行期工作性態(tài)，本項(xiàng)目分為以下幾個(gè)計(jì)算工況。

①完建期工況，上下游圍堰完成，地連墻與上下游形成防滲封閉，地連墻外側(cè)水位為施工期水位組合，閘塘內(nèi)水位為上下游閘底板底高程以下0.5 m～底板頂高程平齊變化。 完建期工況可分為以下3 種工況。

a.完建期1 工況。水閘整體澆筑完成后（后澆帶完成），閘室上下游地下水水位為上下游閘底板底高程以下0.5 m（地連墻外水位考慮上下游施工期水位組合），橋主體結(jié)構(gòu)還未施工時(shí)。

b.完建期2 工況。 水閘整體澆筑完成，橋滿堂支架開始搭建（橋主體結(jié)構(gòu)未施工），閘兩側(cè)回填土填筑（施工填筑高程可取10.5 m），閘室上下游地下水水位抬升至上下游閘底板頂高程平齊（地連墻外水位考慮上下游施工期水位組合）。

圖1 水閘模型

圖2 水閘及樁基礎(chǔ)模型

表1 變剛度調(diào)平法下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與沉降計(jì)算成果表

表2 未采用變剛度調(diào)平法下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與沉降計(jì)算成果表

c.完建期3 工況。 水閘整體澆筑完成，閘兩側(cè)回填土填筑，橋主體結(jié)構(gòu)澆筑完成， 滿堂支架全部拆除，閘室上下游地下水水位仍為上下游閘底板頂高程平齊（地連墻外水位考慮上下游施工期水位組合）。

②運(yùn)行期工況， 上下游圍堰拆除， 地連墻與上下游的防滲封閉失效， 地連墻外側(cè)及閘塘內(nèi)水位一致，上下游對(duì)應(yīng)水位為運(yùn)行期上下游水位漸變，橋梁按標(biāo)準(zhǔn)施加荷載。 運(yùn)行期平水位工況可分為以下三種工況。

a.平水位工況。 運(yùn)行期平水位工況下，底軸下臥閘門豎起。 對(duì)應(yīng)封閉段外側(cè)水位H外=10.0 m，封閉段內(nèi)側(cè)水位H內(nèi)=10.0 m。

b.校核正向工況。 校核正向工況下，低軸下臥閘門豎起，擋外側(cè)水，達(dá)到最大擋水位置。 對(duì)應(yīng)封閉段外側(cè)水位，封閉段內(nèi)側(cè)水位。

c.設(shè)計(jì)反向工況。 設(shè)計(jì)工況下?lián)醴忾]段內(nèi)側(cè)水情況，相應(yīng)封閉段外水位，封閉段內(nèi)水位。

（3）內(nèi)力與沉降成果

根據(jù)上述變剛度調(diào)平地基下的計(jì)算模型和計(jì)算工況，利用ABAQUS軟件對(duì)閘室進(jìn)行三維有限元分析，結(jié)構(gòu)應(yīng)力及沉降計(jì)算結(jié)果見表1。

3.未采用變剛度調(diào)平地基下的結(jié)構(gòu)計(jì)算

為充分反映變剛度調(diào)平法的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)， 本文對(duì)未采用變剛度調(diào)平地基下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析， 此種情況下樁在基礎(chǔ)范圍內(nèi)采用等間距、等長(zhǎng)布置，樁間距為3.8 m（3.2 m）(順?biāo)飨?×3.5 m （垂直水流向）， 樁長(zhǎng)均為22.5 m。 根據(jù)相應(yīng)計(jì)算模型和計(jì)算工況，利用ABAQUS 軟件對(duì)閘室進(jìn)行三維有限元分析， 結(jié)構(gòu)應(yīng)力及沉降計(jì)算結(jié)果見表2。

4.兩種地基處理方法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)地基采用剛度調(diào)平法相對(duì)于未采用剛度調(diào)平法的橫向、縱向、豎向應(yīng)力及不均勻沉降均呈減小趨勢(shì)， 因此，通過(guò)剛度調(diào)平法處理整底板地基反力分布變化大的水工建筑物地基,有利于減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力、 不均勻沉降，進(jìn)而可減小底板厚度或配筋量, 提高結(jié)構(gòu)的安全度。

三、小 結(jié)

本文通過(guò)闡述剛度調(diào)平法在水工建筑物地基處理中的運(yùn)用原理、基本方法和基本條件，并結(jié)合淮安市里運(yùn)河北門橋控制工程的設(shè)計(jì)實(shí)例用數(shù)據(jù)說(shuō)明該方法特點(diǎn)，結(jié)論如下：

①剛度調(diào)平法通過(guò)調(diào)整樁徑、樁長(zhǎng)、 樁距等改變基樁支承剛度分布，以使水工建筑物沉降趨于均勻, 底板內(nèi)力降低。

②剛度調(diào)平法適用于水工建筑物地基反力分布差距大的整底板地基。

③通過(guò)剛度調(diào)平減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力和沉降， 可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸及配筋，降低造價(jià)。