高 競,劉學(xué)應(yīng)

(1.安徽建筑大學(xué) 研究生院，安徽 合肥 230601；2.浙江水利水電學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大量的水利設(shè)施建設(shè)涌現(xiàn)出來，這些設(shè)施協(xié)同留存至今的一些古代水利工程，對(duì)我國水利事業(yè)的發(fā)展具有極大的意義。在興建水利工程的過程中，不可避免地會(huì)遇到軟土地基處理的問題。軟土地基由于其自身存在的不穩(wěn)定性，及其具有的高壓縮性和不透水性，對(duì)地基基礎(chǔ)有著很大的影響，從而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)存在不可預(yù)測(cè)的安全和質(zhì)量隱患問題[1]。所以，為避免不穩(wěn)定因素對(duì)地基施工產(chǎn)生影響，保障后續(xù)水利工程建設(shè)順利進(jìn)行，選用合理的地基處理技術(shù)就顯得尤為重要。尤其是在古代科技、工藝欠缺的條件下，合適的地基處理方式，不僅能夠減少材料和工期的損耗，更能夠保證上部建筑物的經(jīng)久耐用。

我國古代水利工程對(duì)于軟土地基處理經(jīng)歷了幾個(gè)重要的階段，首先是以都江堰為代表的軟土地基處理技術(shù)，先秦人民對(duì)于都江堰建設(shè)中遇到的地基處理問題是通過往竹簍中放入石塊，再將大量的竹簍拋入江中，以此方法來加大地基的承載力。都江堰的建成使得成都至今都是水旱從人、沃野千里的天府之國[2]。得益于大量民用建筑的建造經(jīng)驗(yàn)，夯打基礎(chǔ)和運(yùn)用條石這兩種方法被熟練地運(yùn)用于水利建設(shè)方面，也同樣發(fā)揮巨大的作用。夯打基礎(chǔ)法通過重物擊打地基，使土顆粒受到擠壓，排出其中的水分，從而達(dá)到密實(shí)基礎(chǔ)的目的。條石法則更為簡單，選取經(jīng)久耐用的條石充當(dāng)建造基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)的出現(xiàn)不僅是對(duì)于軟土地基處理的重大突破，更是我國古代水利工程事業(yè)發(fā)展的一塊里程碑。其在地基中不斷地施打木樁，通過木樁之間的擠壓，排出地基中的水分，達(dá)到密實(shí)地基的效果。此類方法在清朝時(shí)得到大量的推廣運(yùn)用，高郵里運(yùn)河灌區(qū)的南關(guān)壩在建造時(shí)便用到樁基礎(chǔ)來提高地基承載力[3]。本文以高郵里運(yùn)河灌區(qū)內(nèi)的界首閘為例，對(duì)其地基的處理工藝進(jìn)行探討。

1 界首閘概況

界首閘(見圖1)是高郵里運(yùn)河灌區(qū)二里支渠的進(jìn)水洞，始建于清朝順治十年，在康熙五十九年、乾隆二十一年進(jìn)行了重修。該閘采用的是迭梁式閘門，漿砌條石結(jié)構(gòu)，經(jīng)過民國和建國后的不斷修繕加固，現(xiàn)設(shè)計(jì)流量為11.10 m3/s。界首閘作為涵洞式水閘，頂部留作道路，供車馬通行，所以該閘對(duì)于地基的處理足夠完善才能由清朝留存至今，到現(xiàn)在仍發(fā)揮著過流、灌溉的功能。

圖1 界首閘

水閘修建于京杭大運(yùn)河旁，閘址處河道地層主要由黏性土構(gòu)成。地基土體由上至下可大致分為以下5層：

(1)層表土：灰色-灰黃色，主要由粉土及粉質(zhì)黏土組成，飽和，松散狀，局部含植物根莖、碎磚瓦礫等建筑材料，土質(zhì)不均勻，層厚0.80～2.10 m；

(2)層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：搖震反應(yīng)較快，干強(qiáng)度低，韌性低，中等壓縮性，層厚1.00～2.70 m;

(3)層粉質(zhì)黏土：灰色，軟塑，無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，屬于壓縮性中等強(qiáng)度土，層厚1.90～4.90 m；

(4)層粉土：灰色、灰黃色，中密，低干強(qiáng)度及韌性，屬于壓縮性中等強(qiáng)度土，層厚4.30～4.40 m；

(5)層粉質(zhì)黏土夾粉土：灰黃色、黃褐色，硬塑，局部夾中密狀粉土。無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性高，屬于壓縮性中等強(qiáng)度土，工程地質(zhì)條件較好，層厚6.00～7.20 m[4]。

從地層分析可得出，水閘的基礎(chǔ)為軟土地基，所以對(duì)軟土地基的處理是建造和修繕該工程的首要任務(wù)。

2 界首閘地基處理方案分析

2.1 界首閘原地基處理工藝

明代是我國古代閘壩理論的成熟階段，閘壩的規(guī)格不僅多，還對(duì)閘壩的高度、寬度、選料及筑造過程有了統(tǒng)一的明確規(guī)定。到清朝時(shí)，閘壩處理工藝已完全成熟[5]。對(duì)于界首閘，從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得出，在建造時(shí)對(duì)于地基的處理采用的是樁基法，然后再往樁基上澆筑三合土。這種方法，一是通過杉木樁的擠壓使土體得到壓縮，提高其密實(shí)度、均勻性，減少土體中的含水量；二是利用三合土中的堿性生石灰中活性CaO與酸性黃土中的SiO2結(jié)合生成硅酸鈣膠體，體積膨脹，從而壓縮了土中的間隙，使其成為一個(gè)整體，增大地基的承載力[6]；另外，加入的河沙使拌合物具有更強(qiáng)的和易性，利于施工，同時(shí)三合土的加入使得底部淤泥與上部建筑物基礎(chǔ)得到隔絕，更利于上部建筑的穩(wěn)定和經(jīng)久耐用。

2.2 界首閘地基處理存在問題

2019年5—7月，蘇北地區(qū)遭遇60年一遇的氣象干旱，淮河流域累計(jì)降雨較常年周期偏少50%以上，蘇北地區(qū)主要湖庫接近死水位。為滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、群眾生活及重要航道用水需求，江水北調(diào)、南水北調(diào)沿線泵站機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行[7]。里運(yùn)河河道水位長時(shí)間高水位運(yùn)行，這就造成了界首閘等一些沿運(yùn)河穿堤建筑物閘門漏水、護(hù)坡?lián)p毀等現(xiàn)象。但是，對(duì)于界首的修繕也存在一些問題：(1)高郵降雨量季節(jié)分布特征明顯，其中夏季降水量集中，基本占全年降水量的1/2；且拉伸鋼板樁擋水標(biāo)準(zhǔn)低，如果降雨量過多，可能會(huì)對(duì)修繕的工程造成二次破壞，所以該工程需要在雨季來臨前完成施工，施工工期緊張；(2)因界首閘是高郵一處重要的歷史遺跡，所以需要在盡可能保存其原貌的情況下，對(duì)其加以修繕。

2.3 界首閘地基修繕方案選擇

對(duì)于界首閘的修繕，首先是保留其建筑穿堤的部分，延伸至運(yùn)河部分則進(jìn)行重新擴(kuò)建。為避免界首閘原有地基產(chǎn)生滲漏，導(dǎo)致有效水流量的增大而產(chǎn)生的滲透破壞水閘的原有地基，所以采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)置在水閘主體部分的兩側(cè)(見圖2)，灌注樁基礎(chǔ)抗?jié)B性能好、施工簡單、承載力強(qiáng)且造價(jià)較低，一方面可以保護(hù)水閘的原有地基防止破壞；另一方面則可以增強(qiáng)水閘上方公路的地基承載力，避免因水閘施工而導(dǎo)致的路基失穩(wěn)塌陷。

圖2 鋼筋混凝土灌注樁

水閘延伸至運(yùn)河的部分，首要處理的施工問題也是對(duì)于地基的處理?？紤]到鋼板樁具有臨時(shí)擋土、擋水作用，且施工簡單，不需要大型設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)快速施工的優(yōu)點(diǎn)[8]，首先采用鋼板樁進(jìn)行圍堵，圍堵后進(jìn)行施工段清淤，清淤結(jié)束后再進(jìn)行填土，待初步處理結(jié)束后將填土進(jìn)行壓實(shí)。因延伸部分工程量較小，所以綜合考慮采用施打松木樁來進(jìn)行地基加固。對(duì)于采用松木樁而不是界首閘修建時(shí)所采用的杉木樁，可以通過計(jì)算數(shù)據(jù)得出結(jié)論。計(jì)算樁基的地基承載力時(shí)，假設(shè)松木樁和杉木樁的樁長、尾徑、埋置深度相同，參考《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)[9],按照松(杉)木樁自身抗壓強(qiáng)度確定的單樁豎向抗壓承載力特征值公式為：

Ra=ηfcuAp

(1)

式中：Ra—單樁豎向抗壓承載力特征值；η—樁體強(qiáng)度折減系數(shù)；fcu—樁體抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；Ap—樁身截面積,m2。

不考慮松(杉)木樁在自身及使用條件下的設(shè)計(jì)指標(biāo)調(diào)整，查表得出fcu=10×103kPa，松木樁的η為0.30，杉木樁的η為0.25。當(dāng)木樁的直徑都選擇為100 mm時(shí)，可得出松木樁的單樁豎向承載力比杉木樁的單樁豎向承載力多約3.9 kPa(π取3.14)。

從這方面可以看出，松木樁相較于杉木樁的單樁地基承載力有明顯提高。選擇松木樁作為基礎(chǔ)，其強(qiáng)度高且密度小，彈韌性好，可承受一定的沖擊作用；松木樁的吸濕性及濕脹干縮性在吸水后體積膨脹，對(duì)樁間土有一定擠密作用，同時(shí)可以增大摩擦作用，這是杉木樁無法替代的。另外，松木含有豐富的松脂，而松脂能夠很好地防止地下水和細(xì)菌對(duì)其的腐蝕，保證了松木樁的經(jīng)久耐用。

3 結(jié) 語

界首閘作為高郵里運(yùn)河灌區(qū)仍在發(fā)揮功能的水閘，對(duì)其修繕不僅要使主體部分免受損害，在保證水閘過流能力的前提下，還需防止修繕后的部分出現(xiàn)工程問題而導(dǎo)致的損害影響建筑物使用壽命。該閘通過運(yùn)用鋼筋混凝土灌注樁和松木樁，加大了水閘的地基承載力，一方面減少了水閘對(duì)于周圍建筑物的沉降影響并延長了運(yùn)河部分建筑物的經(jīng)久耐用，從而保證其繼續(xù)發(fā)揮防洪灌溉的能力；另一方面對(duì)于水工程遺產(chǎn)保護(hù)，具有很重要的啟示。

水利是中華民族發(fā)展的基礎(chǔ)，水利文化構(gòu)建了中華文化體系的一部分[10]，在水利工程中對(duì)于地基的處理應(yīng)放在首要位置。界首閘的施工過程明確揭示了地基處理工藝的發(fā)展，表明地基處理工藝是在不斷更新改進(jìn)的。在具體建設(shè)時(shí)，不能單一選擇一種方法，而要揚(yáng)長避短，選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用的處理方法，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)探索地基處理的新方法、新工藝，為以后施工和工程的遺產(chǎn)保護(hù)提供借鑒和參考。