水閘底板結(jié)構(gòu)的樁基布置不同方案對比

李 娜，趙恒祥

(1.淄博市水利勘測設(shè)計院有限公司，山東 淄博 255000；2.山東水利技師學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

樁基加固技術(shù)因其在控制路基沉降和提升結(jié)構(gòu)強度方面具有良好的性能，廣泛應(yīng)用在路基、邊坡以及水利工程中[1-4]。同時，樁基對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的改善效果也一直是巖土領(lǐng)域研究的熱點。

楊克己等人[5]通過實施模型試驗，對不同樁距、入土深度和排列方式以及承臺等參數(shù)進行了一系列研究和對比試驗，并提出了一些優(yōu)化措施。楊敏等人[6]采用有限元簡化模型進行數(shù)值模擬計算，對不同長度的樁進行組合，研究了其在豎向荷載作用下的變形特性。結(jié)果表明，樁基礎(chǔ)在沉降控制方面展示了優(yōu)越的性能，有良好的應(yīng)用前景。黃茂松[7]等人基于Winkler計算理論，提出了單樁豎向位移簡化方法，并以此進行有限元模擬分析，驗證了該方法的正確性。宋兵[8]和王玉娟[9]研究了鉆孔灌注樁在水利施工上的應(yīng)用，對樁基礎(chǔ)在水利方面的施工進行了優(yōu)化。

為研究水閘底板結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和不同樁基加固方式效果差異，本文利用有限元軟件建立了三維水閘模型，并通過理論計算結(jié)果對比驗證了該模型的合理有效性?；诖?，分析了4種工況下水閘的底板彎矩、底板沉降和樁端阻力情況。

1 研究方案

根據(jù)實際工程案例測量，該水閘工程采用平面直升鋼閘門，高10 m。其中，底板高2 m，后側(cè)土體回填6.5 m，邊墩和中墩厚度分別為1.4 m和1.2 m，底檻高程-1.6 m，閘門頂室高程6.5 m。水流方向垂直長度為56.7 m，底板在水流方向的跨度不小于50 m，由于該結(jié)構(gòu)存在較大的內(nèi)力，因此，為提高該結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性、減小水閘底板內(nèi)力，選用合理的地基處理方式是有意義的。

考慮到工程處于完建期時，底板在受力方面條件相對其他時期較差，因此，作為最不利設(shè)計工況。另外，結(jié)構(gòu)在完建期時不需要考慮水的作用，并且該工程結(jié)構(gòu)不區(qū)分上下游，因此，本文以完建期的典型單寬結(jié)構(gòu)段進行設(shè)計研究。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》[10]和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[11]，進行了4種水閘樁基地基處理方式的設(shè)計。具體方案如下：工況1，不對原始天然地基土進行處理，結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖1(a)所示，圖中②和⑦1代表粉質(zhì)砂土；私代表淤泥黏土；⑤1-1和⑥代表粉質(zhì)粘土；⑤1-1t表示粉砂；⑦2代表粉砂。工況2，采用長21 m，直徑800 mm的灌注樁樁基對水閘底板下側(cè)的土體進行加固，共布置14根灌注樁，樁距設(shè)置為4 m，如圖1(b)所示。工況3，采用14根長21 m，直徑800 mm的灌注樁對水閘底板下側(cè)土體進行加固，如圖1(c)所示，在兩側(cè)邊墩位置處分別布置3根，樁距2.4 m，中墩下分別布置2根。工況4亦采用14根長21 m，直徑800 mm的灌注樁對水閘底板下側(cè)土體進行加固，在兩側(cè)邊墩位置處分別布置5根，間距設(shè)置為2.4 m，剩余的4根樁均勻布置在在中底板處，如圖1(d)所示。

2 模型建立

2.1 土體和結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

土體模型采用HS硬化土體模型，通過相關(guān)的勘察報告，確定了各土層粘聚力、內(nèi)摩擦角和重度等參數(shù)，相關(guān)剛度參數(shù)參考前人試驗研究計算得出。各土層參數(shù)如表1所示。

表1 各土層模型參數(shù)

圖1 各工況結(jié)構(gòu)示意圖

利用有限元軟件自帶的板單元對水閘結(jié)構(gòu)進行仿真模擬，仿照混凝土材料對材料參數(shù)進行選用，截面積和慣性矩等進行等效折算。如上文所說，利用灌注樁進行地基加固，忽略擠土效應(yīng)，通過比較相關(guān)模擬經(jīng)驗，采用Embedded樁單元進行模擬。樁-土之間的相互作用通過界面單元進行模擬，詳細(xì)的材料參數(shù)如表2所示。

表2 模型結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

另外，為在保證計算精度的前提下盡量兼顧計算效率，對該水閘模型進行網(wǎng)格劃分，對水閘底板位置處進行局部網(wǎng)格加密細(xì)化處理，共劃分出12 134個10節(jié)點有限元網(wǎng)格。

2.2 模型有效應(yīng)驗證

為驗證該水閘有限元模型的有效性，參考《水閘設(shè)計規(guī)范》要求，將有限元模型模擬結(jié)果與彈性地基梁理論計算結(jié)果進行對比驗證，以對該模型的合理性和正確性進行探究。

圖2展示了結(jié)構(gòu)彎矩曲線有限元模型模擬結(jié)果和彈性地基梁理論計算結(jié)果對比。從圖中可以看出，有限元模型模擬結(jié)果與理論計算計算結(jié)果在底板彎矩方面表現(xiàn)較為一致，隨著底板尺寸的增加，出現(xiàn)先增后減趨勢，總體趨勢和彎矩最大值數(shù)值方面均較為接近，這說明該有限元水閘模型在參數(shù)選用和網(wǎng)格劃分等方面具有一定的合理和有效性。此外，有限元峰值計算結(jié)果相對于理論計算結(jié)果略微偏大，這可能由于在有限元模擬時，利用分步施工處理，在基坑開挖時將降水條件計算在內(nèi)，這可能導(dǎo)致了有效應(yīng)力在基坑邊緣數(shù)值增大，以及開挖后進行超固結(jié)試驗時加劇了土體的回彈效應(yīng)。

圖2 彈性地基梁理論與有限元模型計算結(jié)果對比

3 結(jié)果與討論

3.1 底板彎矩

利用已經(jīng)經(jīng)過驗證的模型進行數(shù)值計算，圖3展示了4種工況下的底板彎矩曲線。從圖中可以看出，隨著底板尺寸的增加，各工況下的底板彎矩出現(xiàn)先增后減的趨勢。在底板兩側(cè)，各工況彎矩較為接近。沒有進行地基處理的工況1底板峰值彎矩最大，且在峰值附近增長較快，容易造成結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生安全問題。其他三種工況底板峰值彎矩相較于工況1均出現(xiàn)不同程度的減小，約35%左右，并且峰值彎矩附近，并沒出現(xiàn)很大的彎矩激增，而是出現(xiàn)了很長一段的平穩(wěn)過渡階段，因此，地基處理對水閘結(jié)構(gòu)內(nèi)力減緩作用明顯，將峰值點的彎矩分布到各土層，減小了結(jié)構(gòu)負(fù)載，增加了安全性能。

圖3 各工況下底板彎矩變化曲線

表3展示了跨中和邊側(cè)的最大彎矩情況。從表中可以看出，工況1的跨中彎矩最大，其他各工況彎矩依次減少。而邊側(cè)彎矩則恰恰相反，彎矩絕對值從大到小依次為工況4、工況3、工況2和工況1，這亦證明了上文的結(jié)論，即樁基地基處理對水閘結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定的緩解作用，減小了峰值彎矩，將峰值點的彎矩分布給結(jié)構(gòu)其他位置，使材料能夠有效利用，減小了應(yīng)力集中效應(yīng)。另外，最優(yōu)的地基處理方案為工況4。

表3 各工況下跨中和邊側(cè)最大彎矩 KN·m/m

3.2 底板沉降

表4展示了4種工況下的底板沉降值，包括最大沉降、最小沉降和不均勻沉降差值。從中可以看出，在沉降控制方面，地基處理效果更為明顯。相對于未進行地基處理的自然工況1，其余3種工況最大沉降減小了50%以上，且最小沉降亦遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工況1的沉降，并且不均勻沉降情況也較為良好。另外，在沉降控制方面最好的仍然是工況4，即采用樁基邊側(cè)加密方案效果最好。

表4 各工況下的底板沉降情況 mm

3.3 樁端阻力

為研究不同樁基加固方式的差異，對工況2-4的樁端阻力進行了分析。由于各工況間都采用了對稱布樁，因此只需要對7個樁的樁端阻力進行分析。圖4展示了工況2-4各樁的樁端阻力情況。從圖中可以看出，工況2即在均勻布樁進行加固方式下，各樁之間的樁端阻力分布不均勻，1號樁的軸力達(dá)到了141.4 kN，而7號樁的軸力僅為92.7 kN，兩者相差了約50 kN，為三種工況中差異最大。而工況3采用墩下布樁的方式和工況4采用邊密中疏的方式下，兩者樁端阻力差異表現(xiàn)得并不明顯。

圖4 工況2-4樁端阻力圖

表5展示了工況2-4中樁端阻力分析結(jié)果，從中可以看出，與上文分析結(jié)論相同，工況2相對來說樁端阻力差值較大，而工況3和工況4表現(xiàn)較為接近。對比發(fā)現(xiàn)，工況4的最大樁端阻力和樁端阻力最大值與最小值之間的差值均為三種工況中最小，因此，采用工況4即邊密中疏的布樁方式最為合理。

表5 工況2-4樁端阻力分析結(jié)果 kN

4 結(jié)語

為研究水閘結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和不同樁基加固方式效果差異，本文利用有限元軟件建立了三維水閘模型，并通過理論計算結(jié)果對比驗證了該模型的合理有效性。基于此，分析了4種工況下水閘的底板彎矩、底板沉降和樁端阻力情況。得出主要結(jié)論如下：

(1)三種通過地基處理的工況相對于自然工況，底板彎矩和沉降均出現(xiàn)不同程度的減小，通過樁基對地基進行加固對水閘結(jié)構(gòu)內(nèi)力減緩作用明顯，減小了結(jié)構(gòu)負(fù)載，增加了安全性能。

(2)通過對底板彎矩分布和沉降控制方面以及樁端阻力大小情況對比，工況4采用邊密中疏的布樁方式加固效果最好。