灌注排樁支護對大孔徑活動堰結構計算的影響

費照驊， 李 昱， 呂 犇， 鄭宏偉

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215103)

閘室底板作為整個閘室結構的基礎，是全面支承在地基梁上一塊受力條件復雜的彈性基礎板。此結構體系嚴格上應按照空間問題對其應力分布進行分析，不過此計算較為繁瑣，工程上常采用“截板成梁”的方法對將其簡化為平面問題，采用相應的有限元計算軟件按彈性地基梁法對底板彎矩進行計算[1]，從而選定合適的底板結構尺寸。

河道控導工程基坑一般采用邊坡開挖的方式進行施工，該施工方式需要足夠的施工場地區(qū)域。蘇南地區(qū)經濟發(fā)達，河道施工影響范圍內可能存在無法拆遷的房屋或者重要管線，需采用灌注排樁等基坑支護方式減小河道開挖影響范圍。閘室結構應力主要受幾大因素影響，包括：填土邊載、地下水位、地質情況等。不同的基坑開挖方式，作用的邊載也不同，且荷載的傳遞還會受灌注排樁支護的阻隔作用[2]。對于大跨徑節(jié)制閘而言，閘室底板厚度越后，邊載的荷載效應越明顯[3]，支護方式對于閘室結構應力影響越大。本文以太倉市主城區(qū)28 m活動堰為例，采用二維數(shù)值模擬的方式，比較了不同基坑支護方式下活動堰底板的彎矩，研究表明，采用灌注排樁支護的方式可以有效較小底板彎矩；灌注排樁對邊載的阻隔作用隨著樁長的增大而增大。

1 工程概況

太倉市主城區(qū)水質提升控導工程是太倉市主城區(qū)暢流活水工程之一，是保障入城水質、實現(xiàn)入城水量可控的重要工程，是滿足“二環(huán)”內主城區(qū)先期活水需求的核心內容之一?？貙Чこ虒κ烁蹡|岸及鹽鐵塘東岸現(xiàn)狀敞開的口門新建控制建筑物，使楊林塘水可通過十八港、湖川塘流向西南部的中心城區(qū)而不往東流失，滿足引水期間目標區(qū)域的水動力提升要求。按實施主體不同，14座活動堰分為5座水務局實施項目和9座高新區(qū)實施項目，其中水務局實施項目包括：洙涇河、湖川塘東、城北河活動堰單孔凈寬均為28m。本文擬對洙涇河及城北河活動堰的結構計算進行分析。

洙涇河河活動堰實施范圍內地形開闊，無制約因素，可采用邊坡開挖的方式進行基坑施工；城北河活動堰南北側存在市政道路，無法采用常規(guī)的基坑開挖方式，經方案論證，擬采用灌注排樁支護及放坡相結合的方式，具體如圖1所示。

圖1 活動堰基坑支護方案示意圖

2 數(shù)值模擬計算

2.1 計算方法

節(jié)制閘結構計算是在各土層土質均勻的前提下進行[4]。計算按平面有限元的思想，用AutoBank建模進行計算。

2.2 計算假定及邊界條件

(1)閘室可簡化為“U”型結構進行計算[5]。

(2)活動堰穩(wěn)定計算是在各土層土質均勻的前提下進行[6]。

2.3 計算荷載的選取

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，閘室主要承受的水平荷載為順水流方向的水壓力、地震動水壓力、地震慣性力等；豎向力主要有結構自重、水重、揚壓力等[7]。

3 計算結果分析

通過各工況計算分析發(fā)現(xiàn)，完建期活動堰底板彎矩最大，為活動堰底板結構設計的控制工況，彎矩分布如圖2、圖3所示。由計算結果可知，洙涇河活動堰完建期最大彎矩為3 610 kN·m，城北河活動堰完建期最大彎矩為2 190 kN·m，對于同一凈寬的閘室底板而言，采用不同基坑施工方閘室底板內力相差較大，結構尺寸也可相應調整[8]。

圖2 洙涇河活動堰底板彎矩圖(完建期)

圖3 城北河活動堰底板彎矩圖(完建期)

“彈性地基梁法”計算閘室底板結構內力時，主要依靠底板下土層來傳遞邊載的荷載效應[9]。閘室底板內力的大小取決于各作用在閘室結構上的荷載、空箱側回填土的邊載以及地板下土體的性質[10]。當基坑采取灌注排樁支護時，回填土的邊載減小，回填土對于地板下土體的約束變形影響受灌注排樁的限制相應減弱，即邊載對底板周邊的荷載效應受到排樁的阻隔，所以對于相同跨徑的活動堰，底板彎矩卻相差懸殊，底板結構也可進行相應優(yōu)化。

4 灌注排樁長度對于底板內力的影響分析

為了更準確地研究灌注排樁對大孔徑活動堰內力的影響，本文擬在相同地質及荷載條件下，研究采取不同長度的灌注排樁支護時28 m活動堰底板內力變化情況，結果如圖4所示。(為了對比灌注樁對邊載的影響，同時計算了無邊載且不采用灌注樁支護的工況)

圖4 不同長度的灌注排樁支護時底板彎矩圖

由圖4可知，采用灌注樁支護方案時，底板面層最大彎矩值開始減小，這是因為灌注樁支護開始阻隔邊載對土體所產生的變形而傳遞到地板上的荷載效應，隨著灌注樁長度的增長，這種阻隔效應更明顯。當樁長到達20 m時，底板面層彎矩值為529 kN·m，與無邊載時的底板面層彎矩值靠近，可以認為邊載的荷載效應已經基本被灌注樁擋墻所阻隔。

對于大跨徑的底板而言，其結構尺寸主要受內力計算結果所控制，其中又以底板面層彎矩最為重要。當活動堰受環(huán)境因素所限需要采取灌注排樁的基坑支護方式時，應具體分析不同樁長時底板內力情況，從而采取合適的排樁長度，從而減小地板尺寸，優(yōu)化結構內力。 底板結構的優(yōu)化， 一方面可以節(jié)省混凝土的方量，另一方面可以減少大體積混凝土澆筑的溫控措施費，節(jié)約整體的工程投資。

對于灌注排樁而言，樁長越長，支護成本越高，故應該對整體施工支護方案進行綜合計算比選，采用合理的樁長，既能優(yōu)化底板結構內力，減小底板尺寸，又能節(jié)約工程投資。

5 結 論

(1)基坑開挖采用灌注排樁支護時能顯著減小大跨徑底板的面層彎矩，有利于底板結構的優(yōu)化。

(2)采用的灌注排樁樁長越長，對于結構內力優(yōu)化效果越明顯。

(3)實際工程運用中如需采用灌注排樁的基坑支護方式，宜通過計算的方式確定合適的灌注樁長度，既對底板內力結構進行優(yōu)化，又節(jié)約投資。