7.3 地基加固工程

7.3.1 基礎現狀及存在問題

閘址區內地形平坦，一般標高40.0～40.3m，近壩背坡為柳林區，閘軸線為北東10°，黃河大堤在此段呈北東20°左右，據地質勘探揭露，本區地層均系第四紀疏散沉積物，自上而下可分為四個大層：①第四系全新統沖積層，此層分布范圍從地表到標高28.0m左右總厚度約12.0m，可分為11個小層；②第四系全新統沖積湖積層，此大層僅一層，為黏土層；③第四系全新統河流沖積層；④第四系更新統河流沖積層。地下水位很高，在39.5m附近。

基礎現狀：林辛閘為樁基開敞式水閘，分縫設在閘底板中間，全閘有12個中聯，2個邊聯。中聯長19.3m，寬7m，底板平均厚度2m，中聯下設混凝土灌注30根，樁直徑0.85m，樁長12.7～19.7m；邊聯長19.3m，寬11.1m，底板平均厚度2m，邊聯下設混凝土灌注樁48根，樁長12.7～19.7m。

存在問題：林辛閘自興建以來，連續沉降觀測顯示，岸箱與邊聯各觀測點的累計沉降量偏大，各中聯累計沉降量多數滿足規范要求，其中2010年觀測結果為北岸箱上游側累計沉降520mm，南岸箱上游側累計沉降495mm，邊聯累計沉降243mm大于規范限值150mm；邊聯與中聯間沉降差未超過規范限值50mm。

本次安全鑒定發現的問題：

（1）地基沉降差不滿足設計要求。

（2）中聯老樁配筋不滿足要求。

7.3.2 樁基礎復核

樁基復核計算內容包括單樁的豎向承載力、水平承載力及樁身強度。依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）、《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTJ D63—2007）和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）進行計算。

（1）樁頂作用效應計算。樁頂作用效應采用《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）中的兩種方法分別進行計算復核。

方法A：計算公式如下：

偏心豎向力作用下：

水平力：

式中 F——作用于樁基承臺頂面的豎向力設計值；

G——樁基承臺和承臺上土自重設計值；

N_i——偏心豎向力作用下第i復合樁基或樁基的豎向力設計值；

M_x、M_y——作用于承臺底面通過樁群形心的x、y軸的彎矩設計值；

x_i、y_i——第i復合基樁或基樁至y、x軸的距離；

H——作用于樁基承臺底面的水平力設計值；

H_i——作用于任一復合基樁或基樁的水平力設計值；

n——樁基中的樁數。

群樁形心位置的求法：

式中 x_i——第i棵樁距承臺外邊緣的距離；

x₀——樁群形心距承臺外邊緣的距離。

方法B：低承臺樁基的m法，依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）中表C.0.3-2進行計算。

林辛閘中聯、邊聯基樁布置見圖7.3-1、圖7.3-2。

林辛閘中聯樁、邊聯樁頂荷載設計見表7.3-1、表7.3-2。

林辛閘中聯、邊聯單樁計算結果見表7.3-3～表7.3-6。

（2）鉆孔灌注樁的允許承載力：

式中［P］——單樁軸向受壓容許承載力，kN，在局部沖刷線以下，樁身自重的1/2作為外力考慮；

U——樁的周長，m，按成孔直徑計算；

l——樁在局部沖刷線以下的有效長度，m；

A——樁底橫截面面積，m²，用設計直徑計算；

τ_p——樁壁土的平均極限摩阻力，kPa；

n——土層的層數；

l_i——承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度，m；

τ_i——與li對應的各土層與樁壁的極限摩阻力，kPa；

σ_R——樁尖土的極限承載力，kPa；

［σ₀］——樁尖處土的允許承載力，kPa；

h——樁尖的埋置深度，m；

k₂——地面土允許承載力隨深度的修正系數；

γ₂——樁尖以上土的容重，kN/m³；

λ——修正系數；

m₀——清底系數。

參數取值：l=12.5m，τ_i=60kPa，［σ₀］=180kPa

經計算：［P］=1100kN，單樁豎向承載力滿足要求。

（3）樁基的水平承載力復核。樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁單樁水平承載力：

式中 R_h——單樁水平承載力設計值；

α——樁的水平變形系數；

m——地基土的水平抗力系數的比例系數；

b₀——樁身的計算寬度；

EI——樁身抗彎剛度；

α_E——鋼筋彈性模量于混凝土的彈性模量的比值；

d₀——扣除保護層的樁直徑；

ρ_g——樁身配筋率；

ν_x——樁頂水平位移系數；

χ_0a——樁頂允許水平位移。

參數取值：a=0.52，EI=566288.67，v_x=0.94

經計算：R_h=318kN，單樁水平承載力滿足要求。

（4）樁身強度復核。本次設計基樁正截面抗壓承載力計算應符合下列規定：

式中 γ₀——結構重要性系數，本次設計取1.1；

e₀——軸向力的偏心距；

A、B——有關混凝土承載力的計算系數；

C、D——有關縱向鋼筋承載力的計算系數；

r——圓形截面的半徑；

g——縱向鋼筋所在圓周的半徑r_s與圓截面半徑之比；

ρ——縱向鋼筋配筋率；

f_cd、f′_sd——基樁混凝土抗壓強度設計值、普通鋼筋抗壓強度設計值。

對長細比l₀/i＞17.5的構件，應考慮構件在彎矩作用平面內的撓曲對軸向力偏心距的影響。此時應將偏心距e₀乘以偏心距增大系數。

偏心距增大系數，按下式計算：

式中 η——偏心距增大系數；

l₀——樁身計算長度，按樁底、樁頂連接形式確定；

i——截面最小回轉半徑，對于圓形截面i=d/4；

h₀——截面有效高度；

h——截面高度，圓形截面取h=2r；

ζ₁——荷載偏心率對截面曲率的影響系數；

ζ₂——樁身長細比對截面曲率的影響系數。

林辛閘中聯、邊聯單樁配筋面積見表7.3-7、表7.3-8。

（5）樁基礎復核結論。樁基礎計算分析表明，中聯老樁最上游一列樁配筋不滿足規范要求，需要采取加固措施。

7.3.3 地基沉降復核

7.3.3.1 地基沉降計算方法

群樁基礎沉降計算是一個較為復雜的問題，一直是巖土工程界的難點和重點。目前群樁沉降計算中心方法主要有等代墩基法，經驗法，Mindlin-geddes法，等效作用分層總和法等，本次計算采用等效作用分層總和法，依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）和《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2001），計算地基變形時，地基內的應力分布，采用各向同性均質線性變形體理論。對于樁中心距不大于6倍樁徑的樁基，其最終沉降量計算采用等效作用分層總和法。等效作用面位于樁端平面，等效作用面為樁承臺投影面積，等效作用附加應力近似取承臺底平均附加應力。對于混凝土灌注樁樁基的沉降，忽略樁本身的沉降量，只計算樁端以下未加固土層的沉降。地基最終變形量按下式計算：

式中 φ_s——沉降計算經驗系數；

p_z——樁端處的附加壓力，kPa；

n——未加固土層計算深度范圍內所劃分土層數；

E_si——樁端下第i層土的壓縮模量，MPa；

z_i、z_i-1——樁端至第i層土、第i-1層土底面的距離，m；

α_i、α_i-1——樁端到第i層土、第i-1層土底面范圍內的平均附加應力系數。

7.3.3.2 參數選取與沉降計算

地質參數來自于《東平湖林辛進湖閘工程地質報告》（1968年）中相關部分，地基土壓縮模量E_s成果見表7.3-9。

地基土的壓縮模量對沉降計算結果影響很大，本次計算時，對各計算土層的壓縮模量的選用進行了分析（見表7.3-10）。

從表7.3-9地基土壓縮模量E_s成果表，可以看出，同一種土在不同荷載級下的壓縮模量與其均值差異性比較大，說明樣本的方差比較大。考慮到現狀閘基的沉降量比較大，以及樁端處附加應力值的大小（約50kPa），在沉降計算時，選用附加應力由0kPa變化到50kPa時對應的壓縮模量作為該土層的壓縮模量。

地下水水位標高39.5m，接近地表，由閘基土層物理力學性質試驗成果表可知，基礎范圍內各土層的飽和容重為20kN/m³，基礎埋深2.6m，由此可知，基礎面的自重應力為26kPa，由閘基穩定計算成果可知，基礎面的平均基底應力，邊聯為121kPa，中聯為106kPa。

地基沉降計算成果如下：邊聯221mm，中聯156mm。

7.3.3.3 地基沉降趨勢評價

現狀情況：林辛閘北邊聯（左岸）累積沉降量最大值為246mm，南邊聯（右岸）累積沉降量最大值為266mm，各中聯最大沉降量為148mm。該閘的沉降量超出規范規定的150mm，各聯間沉降差末達到規范規定的50mm。

沉降原因分析：林辛閘基下各土層地質年代為第四系，成因為河流沖積和湖積層，從整體上分四個大層，各大層下又分若干小層，各土層物理力學性質試驗成果表明，各土層的空隙比在0.8以上，壓縮模量（0～50kPa）比較小，屬于高壓縮性土，地下水位在39.5m附近，接近地表。引起閘基沉降的原因比較復雜，林辛閘的沉降原因有以下幾點：①地基屬于高壓縮性土，地基沉降計算也驗證了這一點；②原始地基地下水位高，空隙水壓力大，當地下水位下降后，隨著空隙水壓力的釋放，有效應力增大；③兩側岸箱末設樁基，它的沉降會引起邊聯處負摩阻力，帶動周圍中聯的沉降，閘基上游端或下游端從左至右，沉降曲線呈U形（見林辛閘上游側各觀測點2010年沉降曲線）。沉降觀測資料也證明了這一點；④上部結構構在樁端平面處產生的附加應力大，邊聯為100kPa，中聯為80kPa，見圖7.3-3、圖7.3-4。

歷史沉降資料分析：林辛閘自建以來，每年都有沉降觀測數據，林辛閘沉降觀測點布置圖和各觀測點沉降速度變化曲線圖見林辛上下游側沉降曲線圖，從各觀測點沉降曲線能夠看出，自2001～2010年間，各觀測點沉降曲線呈水平趨勢，表明地基土經過40年的固結沉降，已趨于穩定。

地基沉降復核結論：從以上計算分析表明，目前地基沉降已穩定。

7.3.4 地基加固

在7.3.2節樁基礎復核計算中，中聯老樁上游側一列樁配筋不滿足，需要采取加固措施，通過一系列的減載措施：啟閉機房由磚混結構，更換為輕結構；混凝土閘門更換為鋼閘門，啟閉機容量變小（自重相應減輕）。再一次對中聯進行了計算，結果表明：減載后，中聯樁基礎配筋滿足要求，林辛閘中聯樁頂荷載設計見表7.3-11，林辛閘中聯單樁配筋面積見表7.3-12。