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某高耸进水塔地基处理方案优选

日期：2015-9-8 15:57:34　来源：互联网　浏览数：
　

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１　工程概况
    新疆地区某水电站进水塔包括导流兼泄洪洞、溢洪洞及发电洞三个建筑物的进水口，位于坝址上游４００ｍ的库区陡壁附近，陡壁顶部高程１　３７５．７ｍ，底部高程１　２９２．５ｍ，最大高度８３．２ｍ。其中溢洪洞进口布置在陡壁最内侧的近顶部，底板高程１　３５４．０ｍ；发电洞进口位于陡壁中部，进水口底板高程１　３３２．５ｍ；导流兼溢洪冲沙洞位于陡壁最外侧的底部，进口底板高程１　２９２．５ｍ。在该洞进水口处设置检修闸井，闸井高８６．７ｍ，采用钢筋混凝土结构，底板高程１　２８８．５ｍ，底部面积为２５ｍ×１５ｍ（长×宽），为一高耸建筑物。
    底板基础位于第四系下更新统西域砾岩（Ｑｌ１）和第三系中更新统秋里塔克组泥岩、砂岩互层（Ｎ２ｑ）新鲜岩体内，地层基本力学参数见表１。

    计算表明在ＶＩＩＩ度地震工况下基础前缘应力为０．９ＭＰａ，而岩体承载力在０．５～０．６ＭＰａ之间，因此需要对基础进行加固处理，并对地基处理方案进行安全分析计算。鉴此，本文对高耸进水塔的几种地基处理方案进行了对比分析，选择出最适合该工程的地基处理形式，以确保该高耸进水塔的安全运行。
    ２　处理方案
    针对该进水塔地基地质条件及实际施工情况，初步设计了三种地基处理方案，三种方案剖面简图见图１。

    （１）桩基础方案（方案Ⅰ）。桩基础方案中设计桩径Ｄ＝７５０ｍｍ，桩距为３Ｄ，桩长为外围两排桩２２ｍ，共３２根；中间两排桩１８ｍ，共２４根；最中央的七排桩为１５ｍ，共２１根；共１１排每排７根总计７７根，属于变桩长设计。周围桩长较大而中央桩长较小，主要是为了适应偏心荷载的作用。
    地基处理形式为复合地基，其优点在于桩和桩间土共同承受上部荷载，可充分利用桩和桩间土的承载特性，减小工程造价。
    （２）深齿墙＋桩基础方案（方案Ⅱ）。采用在前缘设置深齿墙并减少桩体数量的方案。在筏板前缘设置深６ｍ的齿墙，并在齿墙底部设置两排共１４根桩径８００ｍｍ、桩长１２ｍ的桩体（从齿墙底部算起），其他部位均不设置桩体。由于桩体施工工艺较混凝土施工复杂且周期更长，大量减少桩体数量是加快工程进度的最有效方法，因此方案Ⅱ可有效缩短工期，从而为上部建筑争取时间。
    （３）无桩深齿墙方案（方案Ⅲ）。在方案Ⅱ的基础上，将筏板整体厚度增加４ｍ，并取消齿墙下部的两排桩体，使基础成为一个独立的墩实基础。灌注墩实混凝土基础工艺较桩基础简单，且取消所有桩体可使施工工期缩短为最小。
    ３　计算与分析
    ３．１　不同工况下基础基底压力分布
    计算了三种方案五种工况下的基底压力值以及分布形式。五种工况分别为：①工况１。正常蓄水位＋地震（以下简称前震）；②工况２。施工末期；③工况３。正常蓄水位；④工况４。校核洪水位；⑤工况５。正常蓄水位＋地震（以下简称后震）。基础基底压力值计算结果见表２。

    ３．２　地基承载力和单桩承载力
    根据地勘单位提供的承载力建议值，其承载力在５００～６００ｋＰａ之间，考虑到西域砾岩的不均匀性和遇水软化特性，选择其地基承载力特征值为５００ｋＰａ。根据地质勘查资料，单桩进入秋里塔克组泥岩层的深度均为４．５ｍ，其余均为西域砾岩层，并考虑到在计算桩深范围内桩端均在西域砾岩内的情况，桩端阻力值均按西域砾岩的指标选取。由表１中不同岩层内桩侧摩阻力和桩端阻力值计算可得不同桩长的单桩承载力标准值（表３），然后根据单桩承载力标准值除以安全系数Ｋ，从而得到单桩承载力特征值，按照现行规范［１，２］Ｋ取２．０。

    ３．３　计算方法
    方案Ⅰ采用ＰＫＰＭ软件中的ＪＣＣＡＤ模块进行。鉴于软件要求，为了使每根桩承载力与计算基底压力值相同，建立了一个虚拟的高８６．７ｍ的密集柱高层建筑，其柱子的布置位置与桩体布置一致，忽略了建筑物的自重和其他荷载，仅在柱子上施加集中荷载以模拟基础基底压力值，可保证计算得到的基础基底压力与实际相符（图２）。

    在施加荷载后，输入地质参数，按弹性地基梁的方法采用软件中桩筏有限元计算模块进行计算，考虑了桩—土—承台之间的相互作用，并适当考虑了上部结构的刚度。
    由于方案Ⅱ、Ⅲ地基基础不适合采用ＰＫＰＭ软件桩筏有限元计算模块进行计算，因此改用ＡＤＩＮＡ有限元软件［３，４］，有限元计算参数依据地质勘探资料选取。其中，桩体与筏板混凝土弹性模量取２８ＧＰａ，泊桑比为０．１６７；土体弹性模量为４ＧＰａ，泊桑比为０．２８；桩土之间的摩擦系数为０．４５，计算以弹性理论为基础，考虑了桩土之间的摩擦特性。计算中在底板和桩周围取１倍板宽的土体，在深度方向也选取了１倍板宽的土体，将土体与桩体、筏板作为整体进行计算。本文仅列出方案Ⅱ、Ⅲ在工况１、３情况下的应力、沉降云图，见图３～６。

    ３．４　计算结果分析
    ３．４．１　各方案应力及安全性对比
    ①方案Ⅰ。桩顶最大反力与对应桩体承载力之比是基础的安全系数。②方案Ⅱ。桩顶最大反力与桩体承载力之比是安全系数ａ，筏板底部土体平均应力与地基承载力之比为安全系数ｂ，ａ、ｂ中的较小值为方案Ⅱ的安全系数；③方案Ⅲ。将齿墙底部和闸底板底部土体应力最大值与地基承载力之比作为安全系数。三种方案各工况下安全系数见表４。由表４可看出，三种方案在五种工况下均是安全的。对于地震工况１、５，方案Ⅱ安全系数大于方案Ⅰ、Ⅲ，但在工况２、３、４下方案Ⅲ比方案Ⅰ、Ⅱ更安全。在各种工况均满足要求的前提下，考虑到高耸进水塔施工完成后基本工况是正常蓄水位工况和校核洪水位工况（即工况３、４），因此应选择这两种工况下安全系数较高的方案。根据各方案安全系数可知，方案Ⅲ在进水塔正常运行中会有更高的安全储备，因此认为方案Ⅲ较方案Ⅰ、Ⅱ更加合理。

    ３．４．２　各方案沉降量对比分析
    对比三种方案沉降量，可发现三种方案在工况２、３、４、５下沉降规律相似，都是两侧大中部小，最大沉降发生在筏板的中间（图５（ｂ）、图６（ｂ）），这符合一般情况下桩基础沉降的特点；但在工况１下最大沉降发生在靠近齿墙一侧且筏板前部沉降较小（见图５（ａ）、图６（ａ）），这主要是由于工况１的荷载前缘应力和后缘应力偏心严重造成的。从计算结果中提取各方案不同工况的最大沉降量见表５。

    由表５可看出：①方案Ⅰ在工况３、４下沉降较小，在工况１、２、５下沉降较大，各个工况的平均最大沉降量为６．３０ｍｍ，表明方案Ⅰ在正常运行情况下沉降较小，而在动荷载下沉降有所增大，满足规范［５］要求；②方案Ⅱ在工况１、２、５下沉降量均小于方案Ⅰ，而在工况３、４下沉降量大于方案Ⅰ，各工况的平均最大沉降量为５．０９ｍｍ，表明方案Ⅱ在动荷载作用下沉降量小于方案Ⅰ；③方案Ⅲ相对于方案Ⅰ、Ⅱ在五种工况下的沉降量不仅更稳定，而且各工况平均最大沉降量为４．００ｍｍ，为三种方案中最小值。
    对高度Ｈｇ≤１００ｍ的高耸进水塔，地基允许最大变形量不超过１０ｍｍ［５，６］。因此，就控制高耸进水塔沉降量而言，方案Ⅲ合理性优于方案Ⅰ、Ⅱ。
    ３．４．３　投资及工期
    采用方案Ⅰ进行地基处理投资最低，但其施工工艺较复杂且工期较长。方案Ⅲ较方案Ⅰ投资增加约６０％，但工期缩短３０ｄ。针对本工程工期要求紧且建设费用宽裕这一特点，可认为方案Ⅲ较方案Ⅰ、Ⅱ更加符合该工程要求。
    ４　结论
    针对某高耸进水塔基础，分析了三种地基处理方案不同工况下的应力、沉降及安全性，结合该项目工期要求紧且建设费用较为宽裕的特点，最终选择无桩深齿墙方案。但桩基础方案亦可满足高耸建筑物地基稳定的要求，且造价低于独立无桩深齿墙方案，因此对工期宽裕、建设成本较低的工程更优。