水闸底板结构的桩基布置不同方案对比

李 娜，赵恒祥

(1.淄博市水利勘测设计院有限公司，山东 淄博 255000；
2.山东水利技师学院，山东 淄博 255000)

桩基加固技术因其在控制路基沉降和提升结构强度方面具有良好的性能，广泛应用在路基、边坡以及水利工程中[1-4]。同时，桩基对基础结构的改善效果也一直是岩土领域研究的热点。

杨克己等人[5]通过实施模型试验，对不同桩距、入土深度和排列方式以及承台等参数进行了一系列研究和对比试验，并提出了一些优化措施。杨敏等人[6]采用有限元简化模型进行数值模拟计算，对不同长度的桩进行组合，研究了其在竖向荷载作用下的变形特性。结果表明，桩基础在沉降控制方面展示了优越的性能，有良好的应用前景。黄茂松[7]等人基于Winkler计算理论，提出了单桩竖向位移简化方法，并以此进行有限元模拟分析，验证了该方法的正确性。宋兵[8]和王玉娟[9]研究了钻孔灌注桩在水利施工上的应用，对桩基础在水利方面的施工进行了优化。

为研究水闸底板结构内力分布和不同桩基加固方式效果差异，本文利用有限元软件建立了三维水闸模型，并通过理论计算结果对比验证了该模型的合理有效性。基于此，分析了4种工况下水闸的底板弯矩、底板沉降和桩端阻力情况。

根据实际工程案例测量，该水闸工程采用平面直升钢闸门，高10 m。其中，底板高2 m，后侧土体回填6.5 m，边墩和中墩厚度分别为1.4 m和1.2 m，底槛高程-1.6 m，闸门顶室高程6.5 m。水流方向垂直长度为56.7 m，底板在水流方向的跨度不小于50 m，由于该结构存在较大的内力，因此，为提高该结构的安全性和稳定性、减小水闸底板内力，选用合理的地基处理方式是有意义的。

考虑到工程处于完建期时，底板在受力方面条件相对其他时期较差，因此，作为最不利设计工况。另外，结构在完建期时不需要考虑水的作用，并且该工程结构不区分上下游，因此，本文以完建期的典型单宽结构段进行设计研究。

根据《水闸设计规范》[10]和《建筑桩基技术规范》[11]，进行了4种水闸桩基地基处理方式的设计。具体方案如下：工况1，不对原始天然地基土进行处理，结构计算简图如图1(a)所示，图中②和⑦1代表粉质砂土；
私代表淤泥黏土；
⑤1-1和⑥代表粉质粘土；
⑤1-1t表示粉砂；
⑦2代表粉砂。工况2，采用长21 m，直径800 mm的灌注桩桩基对水闸底板下侧的土体进行加固，共布置14根灌注桩，桩距设置为4 m，如图1(b)所示。工况3，采用14根长21 m，直径800 mm的灌注桩对水闸底板下侧土体进行加固，如图1(c)所示，在两侧边墩位置处分别布置3根，桩距2.4 m，中墩下分别布置2根。工况4亦采用14根长21 m，直径800 mm的灌注桩对水闸底板下侧土体进行加固，在两侧边墩位置处分别布置5根，间距设置为2.4 m，剩余的4根桩均匀布置在在中底板处，如图1(d)所示。

2.1 土体和结构材料参数

土体模型采用HS硬化土体模型，通过相关的勘察报告，确定了各土层粘聚力、内摩擦角和重度等参数，相关刚度参数参考前人试验研究计算得出。各土层参数如表1所示。

表1 各土层模型参数

图1 各工况结构示意图

利用有限元软件自带的板单元对水闸结构进行仿真模拟，仿照混凝土材料对材料参数进行选用，截面积和惯性矩等进行等效折算。如上文所说，利用灌注桩进行地基加固，忽略挤土效应，通过比较相关模拟经验，采用Embedded桩单元进行模拟。桩-土之间的相互作用通过界面单元进行模拟，详细的材料参数如表2所示。

表2 模型结构材料参数

另外，为在保证计算精度的前提下尽量兼顾计算效率，对该水闸模型进行网格划分，对水闸底板位置处进行局部网格加密细化处理，共划分出12 134个10节点有限元网格。

2.2 模型有效应验证

为验证该水闸有限元模型的有效性，参考《水闸设计规范》要求，将有限元模型模拟结果与弹性地基梁理论计算结果进行对比验证，以对该模型的合理性和正确性进行探究。

图2展示了结构弯矩曲线有限元模型模拟结果和弹性地基梁理论计算结果对比。从图中可以看出，有限元模型模拟结果与理论计算计算结果在底板弯矩方面表现较为一致，随着底板尺寸的增加，出现先增后减趋势，总体趋势和弯矩最大值数值方面均较为接近，这说明该有限元水闸模型在参数选用和网格划分等方面具有一定的合理和有效性。此外，有限元峰值计算结果相对于理论计算结果略微偏大，这可能由于在有限元模拟时，利用分步施工处理，在基坑开挖时将降水条件计算在内，这可能导致了有效应力在基坑边缘数值增大，以及开挖后进行超固结试验时加剧了土体的回弹效应。

图2 弹性地基梁理论与有限元模型计算结果对比

3.1 底板弯矩

利用已经经过验证的模型进行数值计算，图3展示了4种工况下的底板弯矩曲线。从图中可以看出，随着底板尺寸的增加，各工况下的底板弯矩出现先增后减的趋势。在底板两侧，各工况弯矩较为接近。没有进行地基处理的工况1底板峰值弯矩最大，且在峰值附近增长较快，容易造成结构破坏，产生安全问题。其他三种工况底板峰值弯矩相较于工况1均出现不同程度的减小，约35%左右，并且峰值弯矩附近，并没出现很大的弯矩激增，而是出现了很长一段的平稳过渡阶段，因此，地基处理对水闸结构内力减缓作用明显，将峰值点的弯矩分布到各土层，减小了结构负载，增加了安全性能。

图3 各工况下底板弯矩变化曲线

表3展示了跨中和边侧的最大弯矩情况。从表中可以看出，工况1的跨中弯矩最大，其他各工况弯矩依次减少。而边侧弯矩则恰恰相反，弯矩绝对值从大到小依次为工况4、工况3、工况2和工况1，这亦证明了上文的结论，即桩基地基处理对水闸结构内力有一定的缓解作用，减小了峰值弯矩，将峰值点的弯矩分布给结构其他位置，使材料能够有效利用，减小了应力集中效应。另外，最优的地基处理方案为工况4。

表3 各工况下跨中和边侧最大弯矩 KN·m/m

3.2 底板沉降

表4展示了4种工况下的底板沉降值，包括最大沉降、最小沉降和不均匀沉降差值。从中可以看出，在沉降控制方面，地基处理效果更为明显。相对于未进行地基处理的自然工况1，其余3种工况最大沉降减小了50%以上，且最小沉降亦远远低于工况1的沉降，并且不均匀沉降情况也较为良好。另外，在沉降控制方面最好的仍然是工况4，即采用桩基边侧加密方案效果最好。

表4 各工况下的底板沉降情况 mm

3.3 桩端阻力

为研究不同桩基加固方式的差异，对工况2-4的桩端阻力进行了分析。由于各工况间都采用了对称布桩，因此只需要对7个桩的桩端阻力进行分析。图4展示了工况2-4各桩的桩端阻力情况。从图中可以看出，工况2即在均匀布桩进行加固方式下，各桩之间的桩端阻力分布不均匀，1号桩的轴力达到了141.4 kN，而7号桩的轴力仅为92.7 kN，两者相差了约50 kN，为三种工况中差异最大。而工况3采用墩下布桩的方式和工况4采用边密中疏的方式下，两者桩端阻力差异表现得并不明显。

图4 工况2-4桩端阻力图

表5展示了工况2-4中桩端阻力分析结果，从中可以看出，与上文分析结论相同，工况2相对来说桩端阻力差值较大，而工况3和工况4表现较为接近。对比发现，工况4的最大桩端阻力和桩端阻力最大值与最小值之间的差值均为三种工况中最小，因此，采用工况4即边密中疏的布桩方式最为合理。

表5 工况2-4桩端阻力分析结果 kN

为研究水闸结构内力分布和不同桩基加固方式效果差异，本文利用有限元软件建立了三维水闸模型，并通过理论计算结果对比验证了该模型的合理有效性。基于此，分析了4种工况下水闸的底板弯矩、底板沉降和桩端阻力情况。得出主要结论如下：

(1)三种通过地基处理的工况相对于自然工况，底板弯矩和沉降均出现不同程度的减小，通过桩基对地基进行加固对水闸结构内力减缓作用明显，减小了结构负载，增加了安全性能。

(2)通过对底板弯矩分布和沉降控制方面以及桩端阻力大小情况对比，工况4采用边密中疏的布桩方式加固效果最好。