堤防工程中对厚软土层基础选型再认识

　　摘要：江新联围达标加固过程中，对重建水闸等建筑物在厚淤泥质地质条件下，使用过换砂基础、松木桩基础、喷粉搅拌桩、端承桩基础和摩擦桩基础。本文对其进行总结，以利对堤防工程厚软土层基础选型认识的提高。
　　关键词：堤防，软土基础，基础选型
　　江新联围是广东省五大重点堤围之一，位于西、北江下游珠江三角洲河网区的西部，地势底洼平坦，河流纵横交错，密度大，降雨多，水量丰富，受潮汐影响大，洪涝灾害频繁。全围总集水面积545.60km2。保护人口90万人，干堤长94.42km，干堤上有小型水闸39座，中型水闸3座，船闸2座，涵窦109座；内堤总长200km，围内电排站191座，小型水闸127座，涵窦93座。
　　随着城市发展，江门市对沿江大堤提出了更高的建设标准，加高培厚堤围提高防洪标准。防洪标准由二十年一遇提高到五十年一遇，再加堤路结合使堤顶加宽导致江新联围全线绝大多数的小型水闸重建。堤围地基大部分属于第四纪沉积的软土，对软弱地基必须进行处理，江新联围多采用两种方法。
　　1采用换砂基础
　　先挖除浅层表土，换砂约2米深。在砂上再建水闸，在这个时间段随着闸身的建设，逐步给地基加载，加速地基固结。当闸墩、闸顶建好时水闸已下沉较多，且基本稳定。此法在江门市广泛使用，效果较好，建成后经过多年下沉观测，下沉量为10～20cm。
　　但此法对地层的均匀性有较高的要求，如果地质资料稍有偏差就会产生较大的不均匀沉降。如：江新联围的横沥水闸，由于钻孔的位置离实际闸址有一点偏差，原以为建基面下有一层承载力较高且均匀的中砂层，采用换砂基础较为妥当。可是在闸址下的砂层恰好很不均匀，为一尖锐楔形，砂层之下为20多米的淤泥，在建基面闸基的一角砂层相当薄。从2001年1月开始浇筑底板砼后，在施工阶段闸身产生近50厘米的沉降，且前后（外江侧与内江侧）沉降差达到6厘米，左右沉降差（上下游）达到5厘米。
　　2采用桩基础
　　又主要分为松木桩、搅拌桩和预制砼桩等。
　　2．1松木桩
　　一般采用松木桩群，桩长在7～9米左右。从效果上来看，对于后软弱地基上的建筑物，几乎不能控制沉降量减少。一度已经很少使用，但随着江新联围以预制砼桩基础的水闸陆续出险，近年来对松木桩基础的优点有了更深一步的认识。建筑物与淤泥一起下沉，更符合自然规律。
　　2．2搅拌桩
　　在江新联围重建的壳窖、横海南、石洲等多座水闸中以喷粉搅拌桩组成连续墙来做为的闸基防渗措施来使用。当时这三座水闸是以端承的预制砼桩为主要受力结构，闸体下沉很少。在2005年6月西江发生超百年一遇的洪水时，多个以端承的预制砼桩为主要受力结构的水闸发生渗漏，尤以这三座以喷粉搅拌桩组成连续墙来做为的闸基防渗的水闸险情严重。后经探测发现，喷粉搅拌桩组成连续墙比淤泥下沉量还要大，在闸下构成连续贯通通道。所以在后来的抢险加固中改用钢板桩做为防渗措施。
　　2．3预制砼桩
　　在重建的多座水闸中广泛使用。又分为端承桩、摩擦桩。
　　江新联围在最近的10年内几乎重建了干堤上所有39座小型水闸中的大部分，在重建小型水闸中基础大部分为预制砼桩。在较早重建的壳窖、横海南、石洲三座水闸是以纯粹的端承桩为主要受力结构。经历了西江超百年一遇洪水，三座水闸同时遇险的教训后，后来重建的水闸对端承桩的使用较为保守，大多采用偏于摩擦桩的做法，给予桩体一定的下沉预留量
　　在此通过一个实例讨论预制砼桩在实际工程中对端承桩的变异的一些算法，允许桩体变形弯曲，又不同于摩擦桩的算法情况。
　　实例：㈠、基本情况：
　　江门市外海镇金溪乡的金溪2闸（含泵站）位于江新联围中部，原来建设的排涝对象为农田。随着经济的发展，现在已变为市区，区内有大量的工厂，排涝标准大幅度提高，故重建。设计总荷载11669.71KN。
　　㈡、水闸地基土层分布，自上而下为：
　　⑴人工填土层，层厚5.4m；
　　⑵冲积层。又分为4个亚层。①淤泥质粉质粘土，层厚3.2m；②淤泥质中细砂，层厚2.8m；③灰棕色淤泥质粘土，淤泥质粉质粘土，层厚23.4m；④粉土，含砂质和圆砾，局部底层含少量卵石，层厚3m；
　　⑶全风化带。全风化粗粒花岗岩，由岩脉风化而成；
　　从以上情况得知软弱土层厚度在37.8m。
　　㈢、方案采用预制砼管桩，桩外径Φ=50cm，内径Φ’＝30cm，标号500＃。
　　方案Ⅰ、采用摩擦桩
　　①单桩摩擦力计算：假定取桩长35米。人工填土层摩擦力约11.5KN／m2，厚5.4m；冲积层各亚层摩擦力自上而下分别为11KN／m2，厚3.2m；11KN／m2，厚2.8m；11KN／m2，厚23.4m；
　　N摩擦力＝∑qs•πΦ＝11.5×5.4×3.14×0.5+11×（3.2+2.8+23.4）×3.14×0.5＝605.235（KN）
　　②桩数计算：总荷载／N摩擦力＝11669.71／605.235＝19.3（根），取20根。
　　桩长＝20×35＝700（m）
　　方案Ⅱ、采用大柔度杆算法的端承桩
　　由于软弱地层厚度几乎达到38m，而空心的预制砼管桩直径只有50cm，很可能形成细长压杆失稳。如果这样在此则要采用压杆临界力的欧拉公式来验算，Pcr=π2EI／(μL)2。但欧拉公式有应用范围的限制。即只有大柔度杆即细长压杆才适用，即：λ≥λp
　　λp＝πλ＝μL／rr＝
　　Pcr―――临界压力
　　E―――弹性模量500＃标的E＝3.50×107KN／m2
　　I―――截面形心主惯性距
　　μ―――压杆的长度系数。由杆两端的约束决定。
　　δp―――比例极限500＃的δp取受弯抗压强度值，δp=35500KN／m2
　　λ―――长细比
　　L―――杆长，在此为桩长
　　r―――压杆横截面对主轴的惯性半径
　　A―――压杆断面面积，在此为桩断面面积
　　① 先验算是否满足λ≥λp的应用条件
　　由于软弱土层最后处达37.8m，在此设桩长L＝38m。按材料力学规定，当杆两端固定时μ＝0.5；一端固定另一端铰支时μ＝0.7。
　　λp＝π＝π＝98.64
　　当μ＝0.5时，λ＝μL／r＝130.31
　　当μ＝0.7时，λ＝μL／r＝182.43
　　本工程长桩上端与闸底板浇筑为一体，约束应为固定端。由于长桩位于软土中，当桩产生弯曲变形时，软土会对桩产生摩擦力，阻止桩体弯曲变形、移位，这样就会对桩有一定的固定作用。所以桩下端最低限度应为铰支，故μ的取值范围应为0.7＞μ≥0.5。在此保守的取μ＝0.55
　　则：λ＝μL／r＝143.34＞＞λp＝98.64
　　说明长桩的受力状态，确实为大柔度杆，欧拉公式适用。
　　② 单桩承载力P设的计算
　　Pcr=π2EI／(μL)2＝2109.6KN
　　但实际上在桩的制造过程中，在施工中可能出现各种情况：如压力的偏心、桩轴的弯曲等等。所以临界力随细长比λ的增大而减少。在此取折减系数为0.5，则设计承载力为
　　P设＝0.5Pcr＝1054.8KN
　　③ 验算桩的截面应力
　　δ＝P设／A＝8398.09KN／m2＜＜δp=35500KN／m2
　　说明此时桩的截面应力，远小于砼的比例极限和设计抗压强度。
　　④ 桩长计算：
　　桩根数＝总荷载／P设＝11669.71／1054.8＝11.06（根）取12根
　　桩长＝12×38＝456（m）
　　方案比较：采用摩擦桩，桩长为700米；采用以大柔度杆算法的端承桩，桩长为456米，节省桩长244米，材料费节省53.5％。在实际的施工中，长桩在软土中可能歪斜，甚至在打桩过程中由于种种原因，当桩体入土较深后形成弧状，可能有中间断裂现象，在此是否可以理解为在折减系数中已经考虑。本工程考虑到允许下沉、摩擦力及构造要求，实际布设管桩16条。
　　
　　桩基础选型中，算法有很多种：纯摩擦桩、纯端承桩、考虑摩擦力的端承桩等。端承桩的算法也可以有多种选择，在理论上以压杆失稳为原理计算出来的承载力，与以砼达到抗压破坏或钢筋屈服破坏为前提的大小偏心受压为原理计算的承载力相比，承载力数值要小的多。所以采用压杆稳定原理计算长桩承载力偏于安全，且考虑了桩体的弯曲变形并产生出一定的摩擦力。比纯端承桩的选型可能要符合实际一些。
　　
　　3结论
　　堤防地基中厚软土层是最常遇到的问题，在建筑物基础选型过程中，认识也是逐步提高。改革开放三十多年，国家实力大幅提高，工程技术手段更是日新月异。人们普遍有了一种认为用钢筋砼桩比用松木桩是代表着进步，能让水闸不下沉当然比水闸下沉要高一个等次，防渗措施从铺盖、齿墙发展到钢板桩代表着新技术，等诸如此类的想法。
　　在2005年6月西江发生超百年一遇的洪水时，多个以纯粹端承的预制砼桩为主要受力结构的水闸发生非常严重的渗漏，以大柔度杆算法的端承桩为主要受力结构水闸也出现轻微险情，而出现不均匀沉降的换砂基础闸反而安然无恙。在经历了多次抢险、除险之后对各种基础，尤其是桩基础的认识进一步清晰：使用砼摩擦桩可能比任何的端承桩要符合自然规律些，由此是否也可以认为，只要是预留了沉降量的松木桩基础，甚至是换砂基础比使用砼摩擦桩的基础更好呢？我们的认识好象转了一圈又回到了以前，但又不一样了。
　　在厚软土层上的建筑物与其下的软土层一同下沉是一种持续的自然现象，一厢情愿的不允许闸体下沉的做法是违反自然规律的。这可以说是对堤防中厚软土层基础选型的一种再认识，是人与自然和谐相处的新体现。
　　参考文献：
　　1、孙训方、方孝淑、关来泰，材料力学(下册)，北京，高等教育出版社，1988年
　　2、华东水利学院主编，水工设计手册（第一卷，基础理论），北京，水利电力出版社，1987年

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