摘要：复合疏桩基础在深厚软土地区是比较好的水闸基础型式，但是往往又容易出现水闸底板脱空的现象。本文先从一个水闸底板脱空的典型案例分析入手，分析了其脱空的一些表面的和内在的原因。然后反思了该如何来设计水闸桩基础的问题，提出了一种简单的设计计算方法，即先取单桩极限承载力乘以0.8~0.9的利用系数作为单桩的承载力设计值，然后在桩和土的位移相等的条件下，根据桩和土的荷载~沉降曲线确定桩和土分担的荷载及复合桩基的沉降量，最后根据总荷载由桩与桩间土共同承担来确定所需的布桩数量。该方法可以充分的发挥地基土和桩的承载力，并且可以保证桩间土至始至终都承担着一部分上部荷载，从而可以避免底板脱空。
　　关键词：水利工程；桩基础；软土地基；脱空；反思
　　1 引 言
　　珠江三角洲的软土存在着含水量高（一般达60%~100%）、孔隙比大（一般为1.5~2.5）、承载力低（一般为40~60kPa）、厚度大（一般为10~40m，有的区域可达60m）、压缩量大的特点。从在这样的软土地区建设水闸的历史来看，水闸的基础处理方案受经济发展、施工机械设备条件和施工质量控制等的影响产生了一些变化，20世纪80年代前主要采用浮运闸、换填砂垫层、木桩基础等，80年代后主要采用水泥土搅拌桩复合地基、钢筋混凝土桩基础、CFG桩复合地基、长短桩复合地基等。
　　由于软土的承载力一般为40~60kPa，而水闸基础的应力一般为80~100kPa左右，从满足承载力的设计要求角度，水闸下的软土地基承载力是不够的，一般都要进行处理。从珠江三角洲的已建的水闸的运行状况调查结果来看，当搅拌桩可以穿透软土层时（软土厚度小于20m），水泥土搅拌桩复合地基是一种经济且较合适的水闸软土地基处理方案，这种处理方式在珠海应用最成功，一般采用搅拌桩间距 ，直径为500mm，既有喷浆工艺搅拌桩，也有喷粉工艺的搅拌桩，就目前已建成投入使用的多座水闸运行良好。当然也存在一些搅拌桩无法成桩或者成桩质量差的现象，主要原因是淤泥的有机质含量太高或者存在动水压力的影响。而当采用质量相对可靠的桩基础（灌注桩或管桩基础）时，一般水闸沉降较小，易造成底板脱空产生渗流或管涌，在结构边缘处容易产生沉降差。这是目前涵闸基础采用混凝土等刚性基础处理而出现的较普遍的问题。而对采用CFG桩复合地基和刚柔结合的长短桩复合地基的水闸，由于使用时间短，其效果如何仍有等时间的考验[1~2]。
　　虽然调查表明水泥土搅拌桩处理方式比较好，但由于常规的搅拌桩无法穿透深厚软土层（软土厚度大于20m），若不穿透，则难以解决沉降量过大的难题，并且深部的搅拌桩质量也难以保证，所以在深厚软土地区和搅拌桩成桩质量较差的地区使用受限。这时采用软土地基减沉复合疏桩基础将是一个很好的选择，其既能保证施工质量又能适当利用底板下土的承载力。在过去设计水闸桩基础时，并没有考虑桩间土的承载力，即上部荷载全部由桩来承担，实际上桩间土也会承担部分上部荷载。减沉疏桩基础是介于常规桩基础和复合地基之间的一种过渡型式，由于其优点很多，已越来越多的在高层建筑基础、水闸基础中应用。然而这种减沉疏桩基础在水闸中应该如何来合理设计还有待进一步研究，主要有两个关键问题：一是桩土荷载分担比如何确定？二是如何保证桩和桩间土在受荷变形过程中始终保持两者共同分担荷载，从而避免水闸底板脱空？或者换言之如何保证桩和桩间土的变形协调？
　　在桩土荷载分担方面：何保汉[3]通过对黄河豆付窝分洪闸的桩和桩间土的承载力观测，发现桩间土在建成无水的情况下承担约15%的竖直荷载，并且随着沉陷增加灌注桩的荷载向基土转移，过去认为由桩承担全部荷载的假定是不尽符合实际情况的。黄智鑫[4]认为软土地基上水闸桩基设计中不考虑底板下地基土与桩共同承担外荷载的设计理念偏于保守，并指出可以考虑桩间土承担底板底面以上10%~15%的荷载。施景裕等[5]对浙江省慈溪市龙山闸的桩基进行设计时考虑了地基土可以承担上部荷载的16.7%。李俊才等[6]对南京大学MBA 大楼疏桩筏板基础进行了原位测试，测试表明：桩及桩间土的荷载分担比随荷载变化明显，筏板浇筑完成后，桩间土分担了约47.47 %的荷载，地下-2 层浇筑完成后，桩间土分担了约58.33 %的荷载，此时桩间土的荷载分担比达到最大值，此后随着荷载的增加，桩间土的荷载分担比逐渐减小，结构封顶后桩间土的荷载分担比约为17.50 %。从前面已收集到的资料可见，水闸桩基础中桩间土的荷载分担比一般在10%~20%。
　　在沉降计算方面：黄香山[7]等按照线弹性本构模型, 提出了的一种关于复合桩基沉降的改进计算方法，其思路是计算桩的沉降量，并忽略桩身的弹性压缩变形。陈阳[8]等通过假定桩侧摩阻力沿深度为三角形分布，提出采用Mindlin-Geddes 和Boussinesq法联合求解疏桩地基的沉降。陈福江[9]等提出了考虑压缩模量深度效应的深厚软土桩基沉降计算方法。刘金砺[10]等和现行国家《建筑桩基技术规范》[11]指出大桩距条件下，桩基沉降计算可取两种模型：①如同常规桩基那样，计算桩端以下土的压缩量；②计算桩间土的沉降。对于前者要涉及桩端塑性刺入，在理论上难以解决，而复合疏桩基础桩间土的压缩占总沉降量的绝大部分，故采用计算桩间土的压缩沉降模型，并以十余项实际工程进行了验证。
　　从已有的资料可见，复合桩基中桩与桩间土的荷载分担比与复合桩基的沉降量计算是分别计算的，实际上是一个存在相互影响的过程。本文从一个水闸桩基底板脱空的典型案例分析入手，分析了其产生的原因，并反思了该类水闸桩基础的应如何来设计，从而避免水闸底板脱空，以期为水闸基础设计提供借鉴。

　　2 某水闸桩基底板脱空案例分析
　　该水闸位于佛山市顺德区，是Ⅳ等小（1）型工程，主要建筑物为4级，于2002年开始兴建。水闸为整体式刚架结构，单孔，净宽4米，闸室总宽度5.6米，带胸墙，如图1所示。
　　场地内岩土层由上而下依次为：①粘土、②淤泥质土、③粉细砂、④淤泥质土、⑤粉质壤土、⑥粉细砂、⑦中粗砂、⑧砾砂、⑨强风化泥质砂岩。工程地质剖面图如图2所示。
　　水闸基础采用Φ400混凝土预应力管桩承担主体建筑物的垂直荷载，桩端持力层取在层位稳定，承载力高，工程地质性质好的（8）砾砂层，桩长为32米，单桩竖向承载力设计值为1077.6kN。为了防止水闸两侧堤防高填土引起下卧深厚软弱土层的深层滑动，造成水闸水平位移，本工程水闸部分还采用了15米长的Φ500粉喷桩置换率为15.7%加固表层不良地基土，促使危险滑弧下移，改善地基土的整体抗滑稳定性。水闸部分共布32米长Φ400混凝土预应力管桩39根，15米长Φ500粉喷桩597根，6米长Φ120尾径杉桩183根，闸室前齿采用了长度4米的拉森Ⅲ型的钢板桩，如图3所示。
　　2005年6月24日，百年一遇特大洪水的洪峰通过顺德境内。下午3时，水闸出现了5.29米的最高水位。下午5时，巡视发现水闸后右翼墙侧的堤脚管涌冒水并带走小量砂土，管径约7公分，流量约0.05 。通过采取抬高水闸船室水位并在内坡脚管涌出水范围加筑反滤井压渗，外江侧从闸边至泵站防洪闸约20米长堤围外坡大面积铺帆布、斑马布，加压砂包封堵截渗等抢护排险措施后，管涌险情得到有效控制，并于2006年对水闸及堤围进行了高压旋喷桩（高压旋喷桩Φ1200@700，所处高程为3.00米至今10.50米，总长13.5米）防渗帷幕处理。目前，水闸底板上还出现了两段几乎平行的纵向裂缝，其中一条位于水闸底板正中间，并且闸室两侧堤顶道路和闸室出现了不均匀沉降，堤顶路的沉降达60多厘米。近几年在对水闸底板灌浆处理过程中，在闸室上游灌浆，在闸室下游出现冒浆孔，即出现了灌浆连通的现象，初步判断闸室底板下有脱空现象。
　　为了进一步查清脱空情况，采用了透地雷达测试和钻孔取芯法相结合的检测手段。 　　4 水闸桩基础设计反思
　　为了避免水闸底板不脱空，则必须保证桩间土至始至终都需要承担一部分上部荷载，即在设计时就应该考虑桩间土的荷载分担作用，而且还需要保证建成后桩与桩间土的变形协调。此外，最为关键的是还必须保证设计出来的布桩方案，在施工过程中得以实现，才能达到实际的桩与桩间土的受力与设计时考虑的计算模式相一致，否则，设计也只是不切实际的计算罢了。
　　桩间土的荷载分担比大约在10%~20%。那么具体工程中桩间土到底分担多少荷载？应该如何来确定？实际上桩与桩间土的荷载分担比是随着上部荷载的变化而变化的，但是对于具体的工程和布桩方案，桩间土的荷载分担比是确定的，如图6所示。 　　宰金珉[12]的研究指出复合桩基中单桩的承载变形特性有别于常规桩基中的单桩，是具有明显的非线性，而且只有当桩的受力接近极限承载力时，桩间土的承载力才能充分发挥，并且提出了按单桩取用其极限承载力乘以一个利用系数（一般0.8~0.9）来确定桩土的荷载分担比。何保汉[3]提出了将桩的刚度考虑进去的弹性地基梁的方法来确定桩与桩间土的荷载分担比，该方法应该说是比较合理的，因为这样把荷载分担比与变形协调计算同时考虑了，该方法的缺点是无法手算，只能采用数值解。
　　按桩基规范[11]来计算一下前面这个水闸的桩间土的荷载分担比，根据地勘桩间土（淤泥质土）的承载力55kPa，假定桩间土的承载力全部发挥，则土分担的荷载为5132.3kN，上部总荷载为10590.9kN，桩间土的最大荷载分担比约为48%。另外按常规10%~20%来反推桩间土的承载力发挥系数，结果如表1所示。可见，即使按常规的桩间土承担总荷载的20%时，桩间土的承载力的发挥系数也不到0.5，所以还有较大的空间可以挖掘利用。
　　在复合桩基沉降计算方面，在特大桩距的小群桩，桩间土压缩量占95%以上，主要发生在承台下1/3桩长范围内，对于较大桩距的中小群桩和大桩距的大中群桩，大部分复合桩基属于这种情况，桩间土压缩量占70%~90%，桩端下土压缩量仅为10%~30%[12]。目前的复合桩基中的沉降计算，并没有充分考虑桩与桩间土的变形协调，如桩基规范中为了回避计算桩端塑性刺入变形这一难以计算的问题，采用了只计算桩间土的变形。
　　可见，目前在复合桩基的设计中，桩与桩间土的荷载分担比与复合桩基的沉降计算是分离的，并没有考虑两者的相互影响。针对这一问题，我们提出一种简单的可以考虑这两者相互影响的设计计算方法。
　　假定已经在现场做了地基土和单桩的载荷试验。根据宰金珉等人的研究，复合桩基中的基桩受力与普通单桩的受力比较接近，且实际受力过程中基桩的承载力发挥接近极限荷载，故可以直接采用现场的单桩的载荷试验曲线来分析。在水闸的复合桩基中桩与桩间土可以看成是相对独立的体系，在桩和土的位移相等的条件下，根据桩和土的荷载~沉降曲线确定桩和土分担的荷载。
　　具体做法为可以取单桩极限承载力乘以0.8~0.9的利用系数来确定单桩的承载力设计值，与其对应的沉降量（若水闸容许的最大沉降量为[S]，则须），此时对应的土的荷载为，则可以根据上部总荷载=桩间土的荷载+所有基桩的荷载，来确定所需的桩数量，如图7所示。
　　5 结 论
　　本文从一个水闸桩基底板脱空的实际案例分析入手，分析了其脱空的主要原因，指出为了防止类似脱空现象的产生，必须保证保证桩间土至始至终都必须承担着一部分上部荷载。针对目前在复合桩基的设计中，桩与桩间土的荷载分担比与复合桩基的沉降计算是分离的，并没有考虑两者的相互影响的这一问题，提出了一种简单的可以考虑这两者相互影响的设计计算方法，即根据现场地基土和单桩的载荷试验曲线来确定桩与桩间土的荷载及复合桩基的沉降量。
　　该方法的优点是可以在某种程度上保证设计计算的工况与实际建成后的桩与桩间土的受力工况相一致，从而最大限度地减少了底板的脱空产生。缺点是需要做一定数量的现场载荷试验，若无现场载荷试验则应用有此困难，但此时可采用原状土切线模量法分别计算地基土和基桩的非线性荷载和沉降，从而计算获得需要的荷载~沉降Q~S和P~S曲线[13~15]。
　　参 考 文 献
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