水利工程中软土地基桩基础设计与变形分析

姚力铭，钟 瑾

（1.连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222000；2.江苏省善后闸管理所，江苏 连云港 222000）

在水利工程软基基础施工建设过程中，为了增加其抗压强度和荷载力，需要采取针对性的软基基础施工技术，对土壤的松软结构进行处理。在水利工程施工建设中，针对软基与其他土壤相比具有很强的可塑性和压缩性这一特点，需要采取不同的技术才能够保证整个工程的施工安全。随着我国大部分城市用地越来越紧张，软基基础施工成为了水利工程领域中的一个重要的研究课题。相对于普通的施工地基结构，由于水利工程软基基础施工具有一些固有的特点，如渗水性、高敏感度等，导致在建设过程中施工难度非常大。因此在施工过程中需要结合当地具体的施工地质情况，制定科学的施工方案，从而保证整个地基结构的安全性和稳定性。

1 工程概况与地质条件

该水利工程位于广东省某地区，通过对项目进行具体的勘查后可知，该项目采用一种水下卧倒门的设计方案对该水利工程河口的水闸进行设计，设计的进水口的单孔宽度为100 m，防洪水位高度设计为6.35 m，对应的防洪标准是100 年一次的重现期。根据水利工程设计标准文件，其水利工程建筑物等级均需按照I 级标准进行设计，建筑物主要包括工程内基坑围护结构、防水防渗结构、闸墩结构和底板结构等。其中工程的沉井结构的设计尺寸为7 m×16 m×30 m。由于该工程项目所在区域和地形的特殊性，为保证工程质量，设计桩基础需要全面考虑该位置的地质结构与水文条件。采用专业的地质勘查技术，对该水利工程地质条件进行了具体勘查，勘查结果见表1。

通过对表1 中勘查的地质条件判断可知其地质结构层的综合承载力较低，该工程所在地属于软土地基。

2 软土地基桩基础具体设计方案

2.1 单桩承载力计算

为确保桩基础结构能够满足水利工程中软土地基的承载力，在桩基础结构设计前，对软土地基中单桩结构承载力进行计算。根据对项目所在地的地质条件信息的分析，在项目实际施工中，预设工程桩基础结构会承受来自上部结构的压力，在此压力的作用下，桩基础会发生下沉，该下沉会对桩体产生一种负向摩擦力，从而对桩基础产生一种下拉的荷载作用力。通过分析可知，桩基础承载了2 种作用力，一种是顶部荷载的作用力，另一种是分布在桩体侧面的摩擦力。在此条件下，可用下述公式进行计算软土地基中桩基础结构的综合承载力。

式中：R 为桩基础结构的综合承载力；γ 为桩基础结构承载力系数；N 为桩基础顶部承载作用力设计值；Qn为桩侧的n 负摩擦力设计值。

对软土地基中单桩承载力进行计算时，既要考虑基础结构中单桩侧向负摩擦力，又要考虑单桩结构的自身强度，还要考虑地基结构对桩体的支撑力。由于在设计时，单桩结构就集中设计在一个结构体上，当单桩结构上的负摩擦力过大时，负摩擦力就会转换成正摩擦力。为避免该情况的发生，可将内隔板作为承载力的划分界面，对单桩承载力进行计算，计算公式如下

式中：R′为单桩承载力；l 为单桩长度；U 为承载力划分界面；q 为单桩结构自身强度；i 表示土层。由公式（2），可完成单根桩体承载力的计算。

2.2 桩基础结构的选型

为确保桩基础在整体结构中的承载效能可以得到有效发挥，基于本文案例研究的桩基础作用在水利工程的软土地基中，因此需要对桩基础结构的选型进行优化设计。

为满足软土地基桩基础结构承载要求，在设计中排除挤土效应对其的影响，选用钻孔灌注桩作为其主要结构形式。根据单桩结构承载力的计算结果，该水利工程设计的桩基础结构方案见表2。

在完成桩基础结构设计后，按照上述内容，对软土地基中局部桩体的布置进行设计，设计结果如图1所示。

图1 软土地基中局部桩体的布置

2.3 桩体根数与抗浮设计

在上述软土地基桩基础设计的基础上，根据水利工程相关设计文件，对桩基础承台面积进行计算，计算公式如下

式中：A 为桩基础承台面积；F 为承台顶部荷载；G 为承台上部土层重度；ξ 为面积控制系数；k 为单位面积下承台结构的效应系数；a 为地基结构承载力。桩基础结构中桩体根数是根据布置承台的有效面积进行设计的，桩体根数K 的计算公式如下

式中：μ 为桩体间距的大小；B 为减沉效应值；f 为土荷载分担系数。需要根据水利工程软土地基承载力的设计要求，完成桩体根数设计后，再对桩基础结构的抗浮进行设计。设计方案如下：抗浮设计桩与单桩进行连接，以穿插的方式设计在局部桩体中间。该穿插方式设计的优点在于能确保桩基础结构具有足够大的承载力，而且具有较强的抗浮能力。基于上述设计方案，完成了对水利工程中软土地基桩体根数与抗浮的设计。

3 变形分析

为了验证文中软土地基桩基础的结构设计，以及各项参数的计算是否正确，根据施工设计要求，对某具体水利工程软土地基的桩基础进行设计，并测量了桩基础的变形情况，从而验证了该设计的可行性。根据文中设计思路，设置5 个桩基础，分别位于该水利工程软土地基上5 个不同的区域，并分别以#Z-01、#Z-02、#Z-03、#Z-04 和#Z-05 进行编号，其具体位置如图2 所示。

图2 桩基础结构位置示意图

施加不同的荷载，测量5 个不同桩基础结构的变形量，用其与地面之间产生沉降距离的变化量表示其值的大小。测量的变形量结果见表3。

表3 桩基础变形量记录表

通过对表3 中测量的数据分析可知，在0～400 kN不同的荷载条件下，5 个桩基础的沉降量均小于0.20mm；通过进一步分析，不断增加桩基础荷载的情况下，5 个桩基础的沉降量虽然都有增加，但最大沉降量仍小于0.50 mm，都能满足水利工程软土地基施工对桩基础沉降量的变形量的要求。上述测试结果验证了本文提出的桩基础设计方案，该方案可以实现对桩基础变形量的有效控制，可应用到实际水利工程项目当中，进而能够保证地基的整体稳定性。

4 水利工程桩基础施工质量研究

4.1 做好测量定位工作

水利工程施工开始之前，须根据施工设计的要求，进行施工现场地形的测量与勘察，同时根据工程施工要求，进行施工现场道路、排水设施的修筑和临时用电、用水等相关设施的布置。若经过测量后发现施工现场地质属于病害地质类型的话，须采取相应的压实处理措施才能确保施工的顺利进行。在放样测量过程中，主要是利用GPS 全站仪进行灌注桩轴线、桩位、高程等相关数据的测量与定位，为水利工程施工的顺利进行奠定良好的基础。

4.2 做好埋设护筒工作

孔壁坍塌是影响钻孔施工作业的重要因素。若钻孔深度较大的话，在静水压力状态下地下水位以下的孔壁土层就会出现孔内坍塌或流沙的现象。因此须在钻孔作业过程中，根据具体情况增加孔内静水压力，才能避免孔壁坍塌现象的发生。水利工程施工过程中桩基础的护筒大多应采用厚钢板制作。而护筒的内径须比钻头的直径大20～30 cm，同时根据施工现场的地质情况将其安置于高出地面30 cm 以上的位置，在确保护筒的稳定性与准确性符合要求后，才能开始桩基础施工。

4.3 做好泥浆调配工作

泥浆是钻孔灌注桩施工的关键，所以在施工过程中须根据施工现场的具体情况及时进行调整，才能在有效降低泥浆失水率的基础上，促进钻孔灌注桩施工稳定性的有效提升。如水利工程施工过程中所使用的混合材料主要是由膨润土、红黏土、外加剂等混合而成，因此须在泥浆配制过程中，不断地进行泥浆试验检测，同时根据实际的检测结果及时调整泥浆配制参数，才能确保泥浆性能的指标符合工程施工的要求。

4.4 做好桩位、垂直度偏差的控制

桩孔与设计出现偏差现象是钻孔灌注桩施工过程中常见的问题，而钻孔灌注桩施工过程中垂直度的偏差则主要是由钻孔垂线与轴线的夹角形成的，这也是导致桩位无法对接成功的主要因素。由于这2 种偏差现象会导致桩柱成型后无法进行纠偏，所以必须制定完善的预防措施，尽可能地避免偏差现象的出现，才能保证钻孔灌注桩施工的顺利进行。

4.5 做好钢筋笼的制作工作

钢筋笼是预防桩位出现偏差现象的主要手段，因此在制作钢筋笼时，须严格按照要求和规范对所有主筋进行编号，然后才能开始焊接工作。另外，在外箍筋定型时，须将其套于主筋的外部，同时摆放定位支架，才能确保钢筋笼制作的顺利进行。

4.6 水下混凝土的浇筑

在混凝土浇筑施工开始前，须及时进行二次清空作业，根据混凝土浇筑施工的要求，进行孔内泥浆性能指标的试验，并在确保试验结果符合设计要求和相关规范，并交由工程监理人员签字确认后方可进行混凝土浇筑施工。另外，为确保混凝土浇筑施工质量符合工程设计要求，须采取积极有效的措施保证混凝土浇筑的连续性并在混凝土初凝发生之前完成混凝土浇筑，如此才能促进混凝土浇筑施工质量的稳步提升。混凝土浇筑结束后，必须及时拆去导管并清理施工现场的泥浆与沉渣，然后根据工程施工的要求制定相应的混凝土养护措施。

5 结束语

本文以某具体水利工程为例，对软土地基桩基础设计与变形进行研究，该研究结果可为水利工程建设提供一定借鉴作用。如果此设计方案要在水利工程相关领域进一步推广，为地区经济发展提供全面的助力，那么桩基础结构的设计方案就需进一步优化，根据水利工程对桩体结构的综合效应，进一步提高承台的承载力，优化桩体结构，如此才能够对水利工程项目的稳定运营与持续效益加以保证。