桑星德

樁基礎(chǔ)是一種優(yōu)良的地基處理方法，適應(yīng)不良地層的能力強(qiáng)，而且因?yàn)榛炷敛牧暇哂休^低的低滲透性，還可作為防滲結(jié)構(gòu)，具有附加抗?jié)B效果。在天然地基下建筑物不滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件時(shí)，地基處理可利用樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)形成樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。所有水利建筑一樣，對滲流的研究是伴隨水利行業(yè)發(fā)展的其中一部分。滲流是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素，滲流計(jì)算也是結(jié)構(gòu)破壞的預(yù)防[1]。在大量的水利學(xué)者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工過程中，總結(jié)了一系列滲流計(jì)算和防滲的經(jīng)典方法，解決了大量的滲流難題。但具體到樁基礎(chǔ)建筑物中，由于樁土材料性質(zhì)的差異，樁基在地基中的不連續(xù)，也不能單一的視之為防滲體。樁基在提供地基承載能力的同時(shí)對滲流場和應(yīng)力場的影響仍然需要進(jìn)一步的研究。所以，筆者認(rèn)為研究樁基礎(chǔ)建筑物的滲流問題很有必要。

1 滲流基本理論

1.1 滲流連續(xù)性方程

對不可壓縮液體，連續(xù)性方程[3]為：

1.2 滲流運(yùn)動方程

實(shí)際液體在介質(zhì)中流動，當(dāng)粘滯性不能忽略時(shí)，取實(shí)際液體的微分平行六面體，邊長分別為為。研究六面體上的作用力，包括每個(gè)面有一個(gè)正應(yīng)力和兩個(gè)切應(yīng)力，現(xiàn)單獨(dú)取x方向根據(jù)牛頓第二定律建立平衡方程得到：

1.3 滲流微分方程

將達(dá)西定律帶入到滲流連續(xù)性方程中即可得到關(guān)于滲流的拉普拉斯方程：

1.4 滲流邊界條件

地基滲流不是無為發(fā)生的，滲流的發(fā)生及程度是由邊界條件決定的，給定一種邊界條件，它就會支配水流發(fā)生一種特定的滲流狀態(tài)。邊界條件有三類。

滲流邊界條件較為簡單時(shí)，利用三種邊界條件求解拉普拉斯方程便可得到理想的解答，但一般工況下，滲流邊界條件較為復(fù)雜，很難得出解析解，這時(shí)，滲流分析的有限元法為我們提供了又一種思路。

2 有限元計(jì)算原理

滲流計(jì)算有限元法[5]是將連續(xù)的滲流場用有限個(gè)單元的集合體來代替，將這些單元用節(jié)點(diǎn)連接，用函數(shù)關(guān)系表示每個(gè)單元的水頭分布，然后給定一定精度，求解滲流場中節(jié)點(diǎn)在滿足該精度下的水頭值。

給定常水頭邊界后，可以得到線性方程組：

[K]{h}=[F]

其中，[K]為滲流場總滲透矩陣，{h}是未知水頭的水頭列向量，[F]為已知邊界水頭的列向量。

3 關(guān)于滲流有限元法的工程實(shí)例計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)選取

某河口閘[6]結(jié)構(gòu)整齊，雙閘門具有對稱性，閘底四排灌注樁，每兩排也對稱分布，外部樁距外部邊界距離為2.25m，內(nèi)部樁距內(nèi)部邊界距離為2.01m。閘基位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，其下為粉質(zhì)粘土層和粉砂層，各土層銜接流暢但不平行?？紤]到這些位置粉質(zhì)粘土占主要部分，所以將地基沿豎向模擬為物理性質(zhì)接近的三層土，第一層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，層厚15m，第二層為粉質(zhì)粘土層，層厚為35m，第三層為粉砂層，層厚為10m。模型沿水平向取130m。沿橫向取49.5m。在順?biāo)鞣较驑兜膫€(gè)數(shù)為每排12根，樁間距為3m，橫向分布有四組樁，樁間距也為2m，每兩組呈對稱分布，中間兩組樁相距4.02m，靠岸坡的兩組樁距岸坡距離為2.25m。底板灌注樁總樁數(shù)為192根，取對稱的96根。

3.2 結(jié)構(gòu)材料物理參數(shù)

對淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉砂、混凝土取摩爾-庫倫本構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

3.3 滲流工況

對某河口閘進(jìn)行穩(wěn)定滲流分析，在模型建好后，對上下游水位根據(jù)蓄水的不同時(shí)期取三種邊界條件，三種工況如表2所示。

3.4 樁基礎(chǔ)水閘滲流分析有限元模型

4 分析與結(jié)論

4.1 樁基礎(chǔ)地基

在工況一下，最大總水頭仍在進(jìn)水口位置，深齒墻底部的水頭值為3.2m，與天然地基對水頭的消耗相同，但樁附近的水頭重新分布，在以上游齒墻和下游閘底板端部為分界線，齒墻以上的較大水頭所占的比重為5.3%，而天然地基所占的比重為35.7%，閘底板范圍內(nèi)，水頭值在1.83m-3.25m之間，在整個(gè)水頭分布中所占的比重為86%，占整個(gè)滲流場總水頭的絕大多數(shù)，而天然地基中比重為24%。可以看到，樁基礎(chǔ)可以降低高水頭所占比。減小了水流滲透的能量。

進(jìn)水口和出水口以及齒墻仍是滲透坡降最大的地方，進(jìn)水口有最大滲透坡降，值為0.125；最小滲透坡降為0，所占的比重為24.3%。而天然地基所占的比重為44.8%。在樁附近的滲透坡降值要大于天然地基，在坡降值0.02以上的滲流區(qū)域，樁基礎(chǔ)水閘占75.7%，天然地基占55.2%?？芍瑯痘A(chǔ)可以減小滲透坡降，但在閘底板下帶樁附近，滲透坡降值卻大于天然地基。

在工況二下，最大總水頭值為6.5m，齒墻底部水頭值為5.25m，上下游水位差為3.0m，在樁附近，也出現(xiàn)了與工況一相同的規(guī)律，齒墻以上的較大水頭所占的比重為5.3%；閘底板下4.5-5.25m水頭范圍占比也為86%。由于下游水位上漲為3.5m，從閘底板下游端部開始至下游出水口，有1m水頭差，樁基礎(chǔ)使這個(gè)范圍內(nèi)水頭差所占的比重只為7.5%，而天然地基卻有40%。進(jìn)水口最大滲透坡降值為0.08；最小滲透坡降極小但不為0。

在工況三下，最大總水頭值為7m，齒墻底部水頭值為5.54m，上下游水位差為3.5m，在樁附近，齒墻上游的較大水頭所占的比重為5.3%；閘底板下4.5-5.25m水頭范圍占比也為86%。進(jìn)水口最大滲透坡降值為0.1；最小滲透坡降極小但不為0。

4.2 結(jié)論

在一般水利工程中，蓄水期由于水位上漲，上下游水位差增大，滲透坡降增大，結(jié)構(gòu)最有可能發(fā)生滲透破壞，最典型的三個(gè)部位上游入水處、下游出水口，和齒槽處的滲透坡降比其他部位大。樁的植入[7]可以改變地基水頭分布，與天然地基均勻分布不同，灌注樁水閘出現(xiàn)樁基附近水頭大，其他部位水頭小的特點(diǎn)。樁基還可以降低滲透坡降，相比于天然地基，降低了土體發(fā)生滲透破壞的概率。樁的植入可以減小下游透水層的滲流量，實(shí)際上是樁作為非排水性材料，占據(jù)了水的流動空間。樁基礎(chǔ)以承重作用為主，兼顧防滲效果，在不良的軟土地基地基中可以考慮使用樁基礎(chǔ)水閘。

【參考文獻(xiàn)】

[1]林繼鏞.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]吳持恭.水力學(xué)[M].高等教育出版社，北京：2008.

[3]孔祥言.高等滲流力學(xué)[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2010.

[4]毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[5]杜延齡，許國安.滲流分析的有限元法和電網(wǎng)絡(luò)法[M].水利電力出版社，1992.

[6]陳寶華，張世儒.水閘[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[7]盧萌盟，謝康和，周國慶，等.不排水樁復(fù)合地基固結(jié)解析解[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011（4）：574-579.

[責(zé)任編輯：王偉平]