黄河规划设计

西霞院工程泄洪闸地基沉降计算研究

刘全鹏张晓瑞康鸣雷(工程设计院) [摘要] 泄洪闸的部分闸室段地基中存在较厚的夹砂层，在基底应力作用下，夹砂层会产生较大沉降，不仅影响闸室的稳定，其承载力不满足要求，还对闸室结构变形产生一定的影响。通过对夹砂层进行振冲碎石桩处理前后的沉降计算和对比分析，了解了不同地基的变化情况，为选用合理的闸体结构形式，确定适宜的施工程序提供了依据。[关键词] 沉降 e—p曲线压缩模量泄洪闸西霞院 1. 概述泄洪闸是西霞院枢纽工程的主要泄洪建筑物，泄洪闸闸室基础座落在砂卵石地层上，部分闸室段基础下部夹砂层比较发育，夹砂层最大厚度达9m以上，顶面离闸底板最近处仅2m~3m。夹砂层较厚可能引起地基不均匀沉降，不仅影响闸室的稳定，其承载力不满足要求，还对闸室结构变形产生一定的影响，且由于夹砂层地基和砂卵石层地基的沉降差较大，易造成止水和结构破坏。通过对地基的沉降计算和对比分析，初步了解不同地基处理前后的变化情况，为选用合理的闸体结构形式，确定适宜的施工程序提供了依据。本工程地基沉降计算采用分层总和法，原则上控制每层厚度不超过2m，计算深度通常计算到该处的附加应力σz≤0．2σs (σs为土体自重应力)时为止。将计算土层分为n层，每层的沉降量为Si，则总的沉降量为∑Si，通过对比相临闸段的沉降量和沉降差，即可近似了解沉降情况。 2．地质概况泄洪闸闸基座落在砂卵石(Q3)层上，砂卵石地层以下为上第三系地层，上第三系地层由泥岩类和砂类地层组成。闸基下砂卵石地层中夹砂层较发育，较厚的一层分布相对稳定，但会引起过大的沉降变形。其它呈小透镜体状分布，厚度多在0.3m～2.0 m间，对闸室稳定影响不大，也不会产生过大的不均匀沉降。2.1 砂卵石层砂卵石地层中大于150mm的漂石含量一般为3%～12%，最大粒径可达300mm以上，含砂率(<2mm)一般在15%～30%之间，颗粒极不均匀，为间断级配，缺少中细砾粒与粗砂粒。砂卵石层均一性差，多为密实状态，局部为中等密实状态。2.2 夹砂层闸基下砂卵石层中夹砂层较发育，较厚的一层分布在19#～21#泄洪闸坝段，称1#夹砂层，厚度5.5 m ~9.0m，离闸底板最浅处仅2m~3m，最深处10m~15m。其它夹砂层厚度多在0.3m～2.0m，呈小透镜体状分布，分布高程较低，相对沉降量较小，对闸室稳定影响不大。根据2000年补充勘察的28组夹砂层原状样物理力学试验成果，该夹砂层属密实～中密状态。 3．沉降计算3.1 计算理论根据建筑物基础的形状确定泄洪闸中间段沉降计算按条形基础考虑；边跨闸室沉降计算按矩形基础考虑。3.1.1 e－p曲线法采用e－p曲线法计算步骤如下：① 根据建筑物基础的形状，结合地基中层状，选择沉降计算点位置。② 按作用在基础上的荷载的性质(中心、偏心或倾斜等情况)，求出基底压力的大小和分布。③ 将地基分层，天然土层的交界面和地下水位面应为分层面，同时在同一类土层中，各分层的厚度不宜过大，控制每层的厚度在2m左右，对每一层计算时假定压力是均匀分布。④ 计算地基中土的自重应力分布，求出计算点垂线上各分层层面上的竖向自重应力σs(从地面算起)。⑤ 计算地基中竖向附加应力分布，求出计算点垂线上各分层层面处的竖向附加应力σz，以σz=0.2σs的标准确定压缩层的计算总厚度H；当基础有埋置深度d时，应采用基底净压力Pn＝p-γd为地基中的附加应力(p为基底应力计算值)。⑥ 按算术平均法求出各分层平均自重应力σsi和平均附加应力σzi。自重压力在不考虑开挖回弹再压缩的情况下可由计算深度乘以相应的容重求得，而附加应力则按《水闸设计规范》附录J的公式计算，求得基底应力后，由e－p曲线查得相应的孔隙比。⑦ 求出第i层的压缩量，根据第i层的平均初始应力p1i＝σsi及初始应力与附加应力之和p2i＝σsi＋σzi，由压缩曲线图查出相应的初始孔隙比eli和压缩稳定后孔隙比e2i。将p1i，p2i，e1i，e2i代入下式得第i分层的压缩量，即式中：Hi—i分层的厚度。 e1i—i分层在自重应力作用下的孔隙比； e2i—i分层在自重应力与附加应力共同作用下的孔隙比；m—地基沉降量修正系数，按规范规定，可采用1~1.6，坚实地基取较小值，软土地基取较大值。此处砂卵石地基为密实状态，取1.1；夹砂层地基为密实-中等密实状态取1.30；处理后的夹砂层取1.20。⑧ 将每层的压缩量累加，即得地基的总沉降量为：由于泄洪闸坝段相对较长(宽34m，长322m，322/34>5)，故应按条形基础考虑。按对于边跨闸室，应按矩形基础计算，且闸室上下游基底应力不同，应考虑按均布荷载和三角形荷载分别计算。3.1.2 压缩模量法计算在缺少e-p曲线资料的情况下，可根据规范要求采用压缩土层的压缩模量Es近似计算该层的沉降量。计算步骤如下：①　复合土层的压缩模量 Esp计算根据《建筑地基处理技术规范》JGJ 79-2002 J220-2002第7.2.9条规定，复合土层的压缩模量Esp按下式计算：Esp=[1+m(n-1)]Es式中：Esp—复合土层的压缩模量；Es—桩间土的压缩模量；m—桩土面积置换率，根据振冲碎石桩结构计算，取m=0.1451；n—桩土应力比，无实测资料时可取2~4；原土强度低取大值，原土强度高取小值。此处按2.5考虑。② 用压缩模量法计算：③ 将每层的压缩量累加，即得地基的总沉降量。 4 计算成果及分析4.1 计算成果泄洪闸为砂性土地基，完建期沉降量最大。完建期上、下游无水，不考虑地基开挖后地基压缩回弹和地基开挖前的自重应力，按开挖后上下游埋深的平均值考虑地基的自重应力；稳定计算的上下游基底应力作为条形地基的附加应力的初始值计算基底以下的附加应力。由于砂卵石地基渗透性大、排水性好、压缩过程短，建筑物完建时地基沉降已基本稳定，故一般不考虑其沉降过程。选择计算工况时，考虑完建期泄洪闸上游地基所受的基底应力最大，沉降也最大；正常运用期下游应力最大，运用时间最长，因此选用完建期和正常运用期两种工况进行计算。关于沉降量及沉降差的容许值，目前尚无统一标准，可视工程具体情况研究确定。根据《水闸设计规范》规定，天然土质地基上的水闸地基最大沉降量的容许值为100mm～l50mm，最大沉降差为30～50mm；本设计采用的沉降量的容许值为80mm，最大沉降差为50mm。4.1.1 e-p曲线法计算成果e-p曲线法计算成果见表1。4.1.2 压缩模量法计算成果压缩模量法计算成果见2。表1为地基未处理前成果，根据砂卵石地基与夹砂层地基的压缩量及沉降差的比较，夹砂层地基比砂卵石地基压缩量及沉降差大；表2成果可以看出，夹砂层地基处理前，完建期的上下游侧压缩量均不满足设计要求，经振冲碎石桩挤密加固后，含夹砂层的地基压缩量及沉降差基本满足设计要求。应该说振冲碎石桩复合地基在该工程应用是合理的。 4.2 沉降计算分析4.2.1 软弱地基处理的必要性对软弱地基上的水闸，当不满足沉降要求时，为了保证其安全、正常地运行，需要对地基进行必要的处理，或采取适应变形的结构措施和地基处理两方面相结合，以满足稳定和沉降的要求。根据理论分析，振冲碎石桩的加固原理决定了地基加固后，地基重新固结并产生沉降是不可避免的。其重新固结稳定需要一定的时间，时间长短则随土的性质不同而不同，因此规范条文说明中提出了沉降预留值。但对于夹砂层，其透水性强，处理前埋深较厚，地层为相对稳定的Q31砂卵石层，并且施工过程相对较长，可以认为完建时地基固结沉降已基本稳定，故不考虑沉降预留值。地基处理后其固结沉降的监测分析很重要，固结后的测值可判断加固后的效果。另外，碎石桩施工后，若随即进行场地回填整平，要作好桩顶碎石垫层并做好排水通道，以免造成孔隙水压力的消散延缓和推迟沉降的不利影响。4.2.2 影响地基沉降计算的因素地基沉降计算受影响的因素较多，如地基沉降与时间的关系比较复杂，与计算方法也密切相关，如本计算中e-p曲线法计算成果较压缩模量法计算成果小，计算中尚难周密考虑，因而计算结果只能是近似值。4.2.3 减小不均匀沉降的措施为了减小不均匀沉降和沉降差，除进行必要的地基基础处理外，还可采用以下措施：① 尽量使相邻结构的重量不要相差太大；② 重量大的结构先施工，使地基先行预压；③ 尽量使地基反力分布趋于均匀，最大与最小值之比不超过规定的容许值等。