疏桩基础在水利工程中的应用方法与流程

本发明涉及水工基础，特别是涉及一种疏桩基础在水利工程中的应用方法。

背景技术：

软土地基上的水利工程主要问题是承载力不足及地基变形过大，软土地基一般需要处理才能满足设计要求。水利工程地基除要满足承载力和变形外，还要满足渗流稳定。目前，在长三角地区、珠三角地区等软土地区，泵站和水闸等水利工程基础通常都是采用普通桩基，由于桩基与桩间土沉降不一致，底板与地基土之间往往很容易形成渗流通道，安全隐患较大。

进一步阐述，软土地区的水工建筑物采用普通桩基，即建筑物荷载全部由桩基承担，不考虑桩间土的作用。这种桩基设计存在三方面问题，其一，采用普通桩基会形成底板与土体间的渗流通道，工程存在严重的安全隐患。其二，普通桩基工程量大，施工期长、投资大。其三，从承载力或沉降需要考量，不需要这么多桩，且桩间土的承载力没有利用，造成没有必要的浪费。

上述表明，软土地区的水利工程，桩基需要既能解决软土地基沉降、提高承载力，又要不产生渗流通道，保证水利工程安全；同时，既要降低成本，又要缩短施工工期。如此，工程需要呼唤技术创新，以解决软土地区水利工程的地基设计。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种疏桩基础在水利工程中的应用方法，以克服现有技术的上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种疏桩基础在水利工程中的应用方法，包括如下步骤：s1、选用合适桩身直径，确保单桩承载力控制在预设范围内；s2、确定疏桩的数量，需要相邻两根疏桩的桩中心距为sa，且sa＞6d，式中d为桩身直径；s3、疏桩与水工基础结合形成疏桩基础。

优选地，在步骤s1中，当桩的截面为圆形时，桩径为200～400mm；当桩的截面为正方形时，桩的截面边长为200～300mm。

优选地，在步骤s2中，桩底端应支撑于较硬的土层，确保桩受荷后能产生刺入变形，但较硬的土层不能是坚硬岩层、密实砂或卵石层。

优选地，在步骤s2中，根据下式确定桩的数量，

fd+gd≤(acfk+nra)/γr

式中fd表示上部结构传至基础顶面的竖向荷载设计值；gd表示基础自重及基础上覆土重的设计值；ac表示桩基基础的总面积；n表示桩数；fk表示基础下地基土极限承载力标准值；γr表示疏桩基础承载力综合分项系数；ra表示单桩承载力设计值。

优选地，疏桩基础承载力综合分项系数γr为2.0～2.2。

优选地，利用下式确定桩基的沉降范围，

s＝ψ(ss+ssp)

式中，s表示桩基中心点沉降量；ψ表示沉降计算经验系数；ss表示由基础底地基土附加压力作用下产生的中点沉降；ssp表示由桩土相互作用产生的沉降。

利用下式确定ss：

式中，p0表示按荷载效应准永久组合计算的假想天然地基平均附加压力；esi表示基础底以下第i层土的压缩模量，取自重应力至自重应力加附加应力段的模量值；m表示地基沉降计算深度范围内的土层数；zi、zi-1表示基础底至第i层、第i-1层土底面的距离；表示zi和zi-1范围内的平均附加压力系数；其中，

式中，f表示荷载效应准永久组合下，作用于基础底的总附加荷载；ηp表示基桩刺入变形影响系数；ac表示桩基基础的总面积；n表示桩数；ra表示单桩承载力设计值。

利用下式确定ssp：

式中，表示桩身范围内按厚度加权的平均桩侧极限摩阻力、平均压缩模量；d表示桩身直径；sa表示桩的中心距。

如上所述，本发明涉及的疏桩基础在水利工程中的应用方法，具有以下有益效果：本发明水利工程采用疏桩基础，改变了软土地基的性质，实现了既满足承载力和沉降要求，又避免了地基产生渗流通道，从而保证了水利工程的安全；疏桩基础桩数仅为普通桩基的1/3～1/2，桩基费用减少明显，效益显具；疏桩采用预制桩，质量容易控制，投资省、施工快，施工方便。

附图说明

图1为现有技术中普通桩基底与地基脱开的结构示意图。

图2为本发明中采用疏桩的剖面及传力示意图。

图3为本发明案例采用疏桩的闸室平面布置图。

构件标号说明

1普通桩

2渗流通道

3上部结构

4基础

5疏桩

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

水工建筑通常都有防渗要求，例如，软土地基上的水闸、泵站等挡水建筑物，要求基底与地基紧密接触，不能形成缝隙而成为渗流通道。当软土地基采用普通桩基时，往往基底与地基都会脱开，如图1所示；当桩间土固结沉降s1大于桩端刺入沉降s2时，则会出现基础板与土脱开现象，这就是普通桩基础在软土地基上会出现基础与基土脱开的主要原因。

普通的桩基中，底板与地基脱开有两种情况：一是当桩顶下沉量小于基底土的下沉量时，基础板与地基就会脱开；二是由于桩基和土的共同作用、软土的固结沉降等影响，桩间土的沉降大于桩基沉降，基底与地基也会脱开，这种状况出现的几率很大，对水工建筑渗流稳定极为不利。因此，软土地基采用普通桩基础，虽然解决了承载力和沉降问题，但防渗存在较大的安全隐患。

现行桩基础设计中的群桩一般采用小于6倍桩径的桩距，其群桩效应明显。首先，桩距小使得桩端平面的应力重叠较大，从而基础沉降量增大；其次，桩间土被桩挟裹使得桩侧摩阻力不能充分发挥；再次，施工过程中挤土效应使土体产生较大的扰动变形。

本发明中使用的疏桩减少了桩数，避免了群桩效应，能充分发挥各单桩及桩间土的承载力，疏桩基础的使用是一种桩基础设计理念的转变。疏桩基础具有控制沉降和补偿天然地基承载力的双重作用，普通桩基一般由桩承担全部荷载，疏桩基础则由桩和土共同承担上部荷载。

如图2所示，本发明提供一种疏桩基础在水利工程中的应用方法，包括如下步骤：

s1、选用合适桩身直径，确保单桩承载力控制在预设范围内。在受荷变形过程中，为了始终保持桩和桩间土共同分担荷载，疏桩基础的单桩承载力要求控制在较小的范围内，因此，应选择小直径的桩，当桩的截面为圆形时，桩径为200～400mm；当桩的截面为正方形时，桩的截面边长为200～300mm，通常计算时d＝1.27b，其中d为桩身直径，b为方形桩边长。

s2、可通过公式计算确定疏桩的数量，需要相邻两根疏桩的桩中心距为sa，且sa＞6d，式中d为桩身直径；当桩中心距达到上述要求时，可确保桩间土的荷载分担比足够大，这是发挥单桩承载力和桩间土承载力所必须的最小桩距，使桩间土受桩牵连变形较小，以便于桩间土较充分发挥承载作用；而普通的桩基，其桩距一般为(2～4.5)d<sa<6d。

s3、疏桩与水工基础结合形成疏桩基础。优选地，在步骤s2中，桩底端应支撑于相对较硬的土层，该土层为持力层，但需要注意的是，该较硬的土层不应是坚硬岩层、密实砂、卵石层，以确保基桩受荷后能产生刺入变形，从而确保基础底地基土能有效分担较大的荷载。

本发明中桩中心距大于6倍桩径的桩基称为疏桩，疏桩的桩型应为摩擦型桩，由桩和桩间土共同承担荷载，且沉降一致，因此，通常称为疏桩基础。当采用疏桩时，基础桩的沉降为塑性刺入，在受荷变形过程中桩、土分担荷载比随土体固结而使其在一定范围变动，随固结变形逐渐完成而趋于稳定；桩间土体的压缩固结受基础压力作用为主，受桩、土相互影响居次。由于疏桩的沉降特点，使桩与土体沉降一致，从而保证了基础底板与土体的紧密结合，不会形成渗流通道。

疏桩基础是水利工程中一种新的设计方法，用桩来补偿天然地基、改善天然地基，从而利用天然地基承载力来减少桩数，使桩基与天然地基达到互补作用。疏桩基础为刚性桩复合地基，由于能利用土的承载力，因此，用料省，施工简单，工期快，质量容易控制，较普通桩基经济得多，工程造价为一般为普通桩基的1/3～1/2。

疏桩基础是桩与土共同承担外部荷载，应用于软土地基上的水工建筑，主要解决沉降过大或相邻建筑的沉降差过大，或天然地基承载力不足。疏桩基础与普通桩基不同，具有复合地基特征，具有使桩基与天然地基互补的作用，桩间土始终能与基础沉降一致，共同工作，不会出现基础脱空形成渗流通道的现象。

疏桩可以充分利用桩和桩间土的承载力，仅用少量的桩便可实现对沉降的控制，并提高地基承载力。它既减少了桩数避免了群桩效应，又能充分发挥各单桩及桩间土的承载力。疏桩作为一种新的桩基设计方法,在软土地区的水利工程中将得到广泛运用。

优选地，在步骤s2中，当天然地基承载力满足要求，沉降不能满足时，采用疏桩基础是以减少软土地基沉降为目的，因此，可以不计算疏桩基础整体承载力；然而当天然地基具有一定的承载力，但又不足以承受上部结构的全部荷载时，此时采用的疏桩基础，以弥补天然地基承载力不足为目的，此时，应进行疏桩基础整体承载力验算，以确保其满足承载力极限状态要求，从而也确定了疏桩的数量。如下式：

fd+gd≤(acfk+nra)/γr

式中fd表示上部结构传至基础顶面的竖向荷载设计值，kn；gd表示基础自重及基础上覆土重的设计值，kn；ac表示桩基基础的总面积，㎡；n表示桩数；fk表示基础下地基土极限承载力标准值，kpa；γr表示疏桩基础承载力综合分项系数，数值应取2.0～2.2；ra表示单桩承载力设计值，kn。

由于基础底板下桩、土的沉降是相等的，疏桩基础中桩基的沉降，既可通过计算桩的沉降，也可通过计算桩间土的沉降实现。桩的沉降包含桩端平面以下土的压缩和塑性刺入，以及基础土反力对桩沉降的影响。桩间土的沉降包含基础底土的压缩和桩对土的影响。因塑性刺入难以计算，工程设计中，一般按桩间土沉降的计算方法，其沉降按分层计算，故可利用下式确定桩基的沉降范围，

s＝ψ(ss+ssp)

式中，s表示桩基中心点沉降量；ψ表示沉降计算经验系数，无当地经验时，可取1.0；ss表示由基础底地基土附加压力作用下产生的中点沉降；ssp表示由桩土相互作用产生的沉降。

优选地，利用下式确定由基础底地基土附加压力作用下产生的中点沉降ss，

式中，p0表示按荷载效应准永久组合计算的假想天然地基平均附加压力；esi表示基础底以下第i层土的压缩模量，取自重应力至自重应力加附加应力段的模量值；m表示地基沉降计算深度范围内的土层数，沉降计算深度按σz≤0.1σc确定；zi、zi-1表示基础底至第i层、第i-1层土底面的距离；表示zi和zi-1范围内的平均附加压力系数；其中，

式中，f表示荷载效应准永久组合下，作用于基础底的总附加荷载；ηp表示基桩刺入变形影响系数，按桩端持力层土质确定，砂土为1.0，粉土为1.15，粘性土为1.30；ac表示桩基基础的总面积；n表示桩数；ra表示单桩承载力设计值。

优选地，利用下式确定ssp，

式中，表示桩身范围内按厚度加权的平均桩侧极限摩阻力、平均压缩模量；d表示桩身直径，当为方桩时，d＝1.27b，式中b为方桩截面边长；sa表示桩的中心距。

本发明用于水利工程的疏桩基础，改变了软土地基的性质，实现了既满足承载力和沉降要求，又避免了地基产生渗流通道，从而保证了水利工程的安全；疏桩基础桩数仅为普通桩基的1/3～1/2，桩基费用减少明显，效益显具；疏桩采用预制桩，质量容易控制，投资省、施工快，施工方便。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。