盘锦市双台子河闸枢纽工程浅孔闸振冲碎石桩设计

郭 锋

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

盘锦市双台子河闸枢纽工程浅孔闸振冲碎石桩设计

郭 锋

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

双台子河闸枢纽工程浅孔闸位于河床及河漫滩上，透镜体较多，地层构造较复杂，天然地基承载力较低，在地震作用下存在着液化的可能性；经综合比较，浅孔闸基础处理采用振冲碎石桩方案，应用效果良好。

双台子河闸枢纽工程；浅孔闸；基础处理；振冲碎石桩

1 双台子河闸枢纽工程概况

双台子河闸枢纽工程位于辽宁省盘锦市双台子区东郊，建于1968年，工程等别为Ⅰ等，其中深孔闸、浅孔闸、进水闸、船闸、浅孔闸连接段及上下游导流堤、小柳河防汛交通桥等主要建筑物级别为1级，过水斜堤、下游防护堤等次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。防洪标准按100年一遇（P=1%）洪水设计，200年一遇（P= 0.5%）洪水校核；水闸设计洪水位8.10m，相应泄量5000m3/s；校核洪水位9.08m，相应泄量6800m3/s；正常蓄水位为4.3m。双台子河闸枢纽工程是辽河下游防洪体系的重要组成部分，为盘锦市的开发建设起到至关重要的作用，取得了显著的社会、经济效益。［1］

2 浅孔闸地基处理方案比选

2.1 浅孔闸工程地质条件

浅孔闸位于双台子河左岸河漫滩上，北部为双台子河河漫滩，高程介于6.0～6.5m，大部分为坑塘（现为鱼塘和鱼池），塘堤高程为6.0～6.3m，坑底高程为3.0～3.4m，坑深约3.0m，周边为原河闸围堤，堤高约4.5m，堤顶高程为8.0～8.5m。

（1）地质条件较复杂，地基土可分为素填土（耕植土）、粉质粘土、粉土、粉砂及细砂，上部土层承载力较低，土质不均，层位不稳定。

（2）地基土中粉质粘土层属微透水，粉土层属弱透水，粉细砂层属中等透水；地基土渗透破坏类型为流土。

（3）地表水及地下水化学类型均为硫酸重碳酸钾钠钙型水，属中性～弱碱性水，对混凝土均具结晶类弱腐蚀性。

（4）场地土类型为中软场地土，场地类别为Ⅲ类场地；饱和粉土和饱和粉砂均存在液化问题。

（5）闸基持力层范围内有较易压缩的厚层粘性土，尤其是夹有高压缩性的淤泥质粉质粘土，作为闸基，容易产生不均匀沉降，在不均匀沉降的过程中产生的剪应力，会造成土体出现蠕动和液流现象。

浅孔闸基础建议采用桩基础，桩尖应穿过最大液化深度，进入较密实砂层中。

2.2 桩基选择应考虑的因素

根据上述浅孔闸部分的工程地质条件，浅孔闸基础决定采用桩基础，桩基类型以及桩基施工方法的选择应综合考虑以下诸多方面的因素［2］。工程地质和水文地质条件，工程特点、荷载性质及大小，施工队周围环境的影响，施工场地和设备的制约，施工安全，造价和工期。

2.3 桩的分类

桩的类型，按不同目的可以有不同的分类法。

（1）按制桩材料分：木桩、钢筋混凝土桩、钢桩、水泥土桩、CFG桩、石灰桩、二灰桩、灰土桩、碎石桩等；

（2）按桩身的制作方法分：预制桩、灌注桩和搅拌桩；

（3）按截面尺寸分：大直径桩、中等直径桩和小直径桩；

（4）按成桩方法分：挤土桩、部分挤土桩、非挤土桩；

（5）按承载性状分：摩擦桩、端承摩擦桩、端承桩、摩擦端承桩；

（6）按横截面形状分：圆型、管型、正方型、矩型、十字型、H型、三角型、多角型等；

（7）按竖向受荷方向分：抗压桩、抗拔桩。

2.4 浅孔闸桩基础方案比选

几乎所有工程往往都可能有一种或者一种以上的桩基类型可以选择，在选择最适合工程的桩基类型时，一般首先把那些在技术上对本工程不可行的桩基类型进行淘汰，其次再对其他对本工程可行的桩基类型分别分析各自的优缺点并进行综合比较，最终确定最适宜的桩基类型［3］。

结合浅孔闸部位地质条件和双台子河闸的实际情况，适合浅孔闸软土地基且普遍采用的桩基础有三种：混凝土灌注桩、振冲碎石桩和深层水泥搅拌桩。三种桩基础方案优缺点及各投资比较见表1。

表1 桩基础方案优缺点及投资比较表

三种桩基础方案均能满足要求，根据地质勘察报告，本次设计需处理的地层为粉质粘土层及粉土、粉砂层，这几层土存在承载力较低、或是存在液化、或是容易产生流失等因素，不能满足使用及设计要求，本次地基处理，应主要从以下几个方面来考虑。一是在软弱层建立骨架结构（置换加固）。由于本闸基的基础对表层及软弱层有较高承载力要求，而淤泥质土层本身的承载力几乎不可能达到设计要求，在这种情况下，需要增设既具有排水功能，又具有一定刚度及抵抗变形的桩体，形成复合桩体；二是处理砂层液化及防止砂层流失。根据岩土勘察报告，粉土层及粉砂层存在液化及一定的水降比的情况下产生流失，影响闸基的稳定性，这样利用振冲器的强力振动可充分密实土层，防止其液化的产生并可进一步提高其临界水降比值，利于闸基的稳定；三是造价。碎石桩的主材为碎石，其取材较为便宜，且一般碎石的水稳性较好，施工工艺也较为成熟可靠。

综合比较，浅孔闸基础处理采用振冲碎石桩方案。

3 振冲碎石桩作用机理

振冲碎石桩挤密法（又称粗颗粒土桩），是指采用振动和冲击（水冲）等方法在松软的地基里形成孔，随后将碎石挤压进入已成的土孔中，构成由碎石所组成的大直径密实桩体。

松软的地基或土体经过振冲碎石桩法挤密的加固处理后，工程性能大幅度得到改善和提升，总结分析其主要原因有以下两个方面：1、直接加固了松软的地基（土体），使之密实度明显加大、强度提升、压缩性降低、抗震性能有所增加；2、在松软的地基（土体）中构筑了比软土本身刚度大若干倍的碎石桩体，构成复合地基，一起承受上部传来的荷载，当基础整体变形时，碎石桩体与桩间土经过变形协调作用，强度高、刚度大的碎石桩体承受大部分荷载，桩间土体上承受的负载大大降低，从而明显改善和提升了碎石桩复合地基的工程性能，使其整体强度增加、沉降及不均匀沉降变形均有所降低，并且总沉降期大幅度减小［4］。

4 浅孔闸振冲碎石桩设计

4.1 设计基本资料

根据双台子河闸枢纽工程浅孔闸部位相关地质勘察资料，选取有代表性的钻孔并整理地质条件参数，浅孔闸振冲碎石桩设计地质参数见表2。

表2 地质参数汇总表

4.2 振冲碎石桩设计

4.2.1 布桩范围

浅孔闸部位为软土地基，土质情况较差，同时考虑基础边缘部位的碎石桩体所承受的约束力比中间部位桩体所承受的约束力要小，以及应力扩散的需求，因此，除在浅孔闸基础范围内布桩外，在浅孔闸基础外缘增设一排护桩。

4.2.2 桩长设计

根据浅孔闸建筑物结构布置，桩顶（浅孔闸底板底面）高程为1.70m；根据地质勘察成果，桩尖应穿过最大液化深度，进入较密实砂层中，因此桩底标高应至少位于第④细砂层顶面；

4.2.3 布桩形式

根据浅孔闸上部结构设计及底板布置情况，振冲碎石桩在基础范围内采用三角形布桩方式。

4.2.4 桩径设计

振冲碎石桩的桩径与原状土的地基容许承载力（fk）值和所采用的振冲器型号密切相关，结合经验数据，本工程振冲碎石桩平均桩径采用1.0m。

4.2.5 桩距设计

振冲碎石桩的桩距应该综合考虑荷载大小、原状土的性能和振冲器的功率等因素，一般取1.5m至3.0m，结合本工程的实际情况，桩距采用2.0m。

4.2.6 桩体材料设计

采用含泥量不大于5%的角砾、碎石、圆砾、卵石等材料，一般粒径范围为20mm至80mm，最大粒径不大于150mm，级配良好。

4.2.7 桩顶预留段及垫层设计：由于制桩时顶部桩体不便振动碾压，桩体的密实程度不易满足设计要求，因此在桩体施工时在顶部预留1.0m段桩体，振冲碎石桩施工全部完成后将预留段桩体挖除，为使荷载能够均匀传递，在桩顶设置一层300mm厚的碎石垫层。

4.3 复合地基承载力及总沉降量计算

双台子河闸枢纽工程浅孔闸振冲碎石桩复合地基承载力及总沉降量按DL/T 5214-2005《水利水电工程振冲法地基处理技术规范》中相关计算公式进行计算。经计算，各土层复合地基承载力标准值最小为209 kPa，满足设计要求；地基最终沉降总量为95mm，小于规范规定的允许值150mm，满足要求［5］。

5 结语

振冲碎石桩体与桩体间被桩挤密的土组成复合地基，能够大规模提升地基承载力；而且这种复合结构在加固地基的同时还能够构成通畅的排水通道，综合排渗能力随之提高，液化可能性基本可以消除；沉降与不均匀沉降减小，而且沉降期大为缩短；碎石桩的主材为碎石，其取材较为便宜，工程造价低；施工工艺成熟可靠。其他类似工程设计可以参考和借鉴。

［1］周敏.辽宁省双台子河闸枢纽工程过流能力的分析［J］.陕西水利，2014（02）.

［2］何广纳.振冲碎石桩复合地基［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］史佩栋.实用桩基工程手册［M］.中国建筑工业出版社，1999.

［4］姚琪阳.碎石桩复合地基承载机理及优化设计研究［D］.湖南大学，2004.

［5］周博.双台子河闸除险加固工程地基处理方案选择［J］.水与水技术，2015（05）.

TV66

B

1008-1305（2017）01-0127-03

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.039

2016-05-06

郭 锋（1980年—），男，高级工程师。