5.3.3.1 工程区地基土的特点分析
长兴岛直至清代初期方才开始陆续成陆，逐渐与周边的沙岛合并成岛。库区除青草沙在长江常水位时可以出露江面，其他位置大部分淹没于江面之下，只在长江出现极低水位时方可出露。水库堤坝轴线位置的滩面高程0.90～1.20m，属低滩，表层普遍分布着新近沉积的（淤泥质）黏土，且厚度较大，一般达10m左右，基本呈软塑～流塑状，饱和状态，孔隙比大，易被压缩，天然地基承载力低，建筑物沉降量大。
地勘报告揭示工程区地层从上至下依次为新沉积土的（淤泥质）黏性土、砂质粉土、淤泥质黏土、黏土、粉质黏土以及粉砂，其中黏土大部呈流塑～软塑状，具有低强度和高压缩性的特点，从滩面填土至设计堤顶高程，填土高度接近8m，地基土在如此高的附加应力作用之下必然会排水固结，进而发生较大的沉降。而堤坝地基的过大沉降会对相邻泵闸建筑物地基产生不利影响，致使上部土层对桩基产生负摩阻效应，从而降低单桩竖向承载力，且增大桩基的沉降量。
综上所述，工程区地基土的特点为高含水率、高压缩性和低承载力。
5.3.3.2 连接堤与泵闸建筑物地基应力相互作用关系研究
水库堤坝与泵闸建筑物的连接堤沿堤线连续布置，具体见图5-34。水闸和泵房及其相邻的岸墙对地基承载力的要求高，对沉降变形的要求严格，天然地基无法满足其要求，故全部进行了相应的地基处理，主要处理方式为打入PHC管桩。经桩基加固后的复合地基（桩土）压缩模量大大提高，持力层以上土体的压缩量大大减小，而附加应力经桩基传递到持力层及其以下的土层中。
图5-34 连接堤与泵闸建筑物相互位置
虽然泵、闸建筑物的建基面所处高程不同，地基加固深度也有所差别，但仍然与连接堤地基组成一个整体，相互之间的影响不可避免。引起地基沉降的主要是附加应力，而附加应力的影响范围沿深度方向以某一角度扩散，最终导致相邻建筑物（构筑物）之间地基应力互相影响，产生“互为边荷载”效应，增大相邻建筑物的沉降量。
为了解天然地基上的连接堤与桩基上的泵闸建筑物两者沉降的相互影响关系，进行了三维有限元沉降变形分析。上游泵闸及连接堤的三维有限元网格见图5-35。
图5-35 上游泵闸区有限元网格模型
计算主要模拟泵闸地基以及连接堤地基的沉降变形规律，天然地基的压缩模量根据地勘报告取值，而经桩基加固过的地基则为经过换算的复合模量。计算过程模拟了施工过程，以及分时段的加载与卸载，依次为滩面的自然固结、泵房与水闸的桩基打入、泵房与水闸的基坑开挖、泵房和水闸的建造以及连接堤的填筑，采用非线性加载模式。计算结果截取了三个截面进行分析，具体见图5-36。
图5-36 变形分析剖面位置
2-2剖面通过连接堤轴线，具有代表性，故主要分析该剖面。
从图5-37可以看出，泵闸建筑物由于采用了PHC桩地基加固，故沉降量非常小，其最大值未超过39mm；而天然地基条件下连接堤的沉降量非常大，其中泵站侧的堤顶最大沉降接近1.6m，水闸侧连接堤堤顶最大沉降量也接近1.2m，由此可见，两者的沉降差是相当大的。连接堤与水闸和泵站相接处的沉降量接近0.4m，这足以使环库道路在该处发生断裂，并可能导致大堤防渗墙与泵闸建筑物侧墙的连接失效，从而引发水库漏水，并可能引发该处的渗透破坏。
图5-37 连接堤及泵闸建筑物地基沉降位移云图（连接堤地基未加固）
通过上面的计算分析可知，连接堤若采用天然地基会导致其与相邻泵闸建筑物沉降变形的严重不协调，除附加应力引起的沉降影响外，连接堤上部回填土体在缓慢沉降的过程中将会对闸室及主泵房的边墩以及安装间、副厂房和变电所等建筑的高于原滩面的钻孔灌注桩产生负摩阻力，加大建筑物的竖向荷载，降低桩基础的设计承载能力，加大基础的沉降量。因此应重视连接堤沉降对泵闸结构的不利作用，通过采取工程措施使连接堤不发生过大变形，应与泵闸等建筑物保持协调变形。
5.3.3.3 减少两侧连接堤沉降的措施研究
减小泵闸两侧连接堤沉降的工程方法有很多，但不同的加固工艺在施工周期、工艺的复杂程度以及工程造价等方面各不相同。针对工程的特点，可供选择的加固方式主要有排水固结法及灌入固化物的方法。(www.xing528.com)
排水固结是指土体在一定荷载作用下排出孔隙水，孔隙比减小，土壤颗粒间的有效应力不断上升，抗剪强度逐步提高，以达到提高地基承载力、减小工后沉降的目的。
属于排水固结的地基处理方法，按预压加载方法可分为加载预压法、超载预压法、真空预压法、真空预压与堆载预压联合作用法、电渗法，以及降低地下水位法等；按地基中设置竖向排水系统可分为普通沙井法、袋装砂井法和塑料排水袋法。
灌入固化物是指向土体中灌入或拌入水泥、石灰，或其他化学固化浆材，在地基中形成增强体，以达到加固地基的作用。
灌入固化物的地基处理方法主要有深层搅拌法、高压喷射注浆法、渗入性灌浆法、劈裂灌浆法和挤密灌浆法等。
若不考虑工期的影响，加载预压无疑是一个非常好的办法。（淤泥质）黏性土的排水固结是一个非常缓慢的过程，在这个过程中，超孔隙水压力不断消散，土壤颗粒间的有效应力不断上升，土壤不断排水固结。加载预压有时还需要建造一些沙井等辅助工程来加速排水过程，而且沉降量是相当大的。
采用碎石桩加固也可以起到提高地基土承载力、加速地基土排水固结的作用，而且施工工艺较为简单，也可以减少工程投资。但就水库工程而言，该方法也存在明显的不足：碎石桩的存在增大了地基土的透水性，不利水库防渗，故该加固方案不能采用。
高压旋喷桩目前已是国内非常成熟的施工工艺，在诸如深基坑围护、建筑物地基加固以及堤坝防渗工程领域得到了广泛的应用，具有明显的优势，因此采用高压旋喷桩为连接堤的地基加固方案。
确定了地基加固方式后，还须对加固体的平面范围以及竖向深度进行研究，使得加固后的地基既能满足变形协调的要求，又能做到节省投资。
5.3.3.4 阶梯式地基加固方案研究
高压旋喷桩加固地基的方法提高了被加固土体的压缩模量，因此在相同附加应力条件下减小了地基压缩层的变形量，进而达到减小沉降的目的。因此，加固深度最好穿透全部软弱土层，并进入坚硬土层的上部，但若在全部加固范围内采用这一方式，将大大增加工程投资，而连接堤与泵闸建筑物的沉降变形协调问题无疑在连接点处最为敏感，过大的沉降差会引起路面断裂、防渗破坏，因此应将加固的重点放在连接堤与泵站建筑物的相接处，该处的土体加固深度应达到相对坚硬土层，而离开相接处越远，则加固深度可逐步变小，使得连接堤的沉降变形能够平缓过渡，进而达到加固效果与工程投资的平衡效果。
根据以上分析，并结合工程区的地质情况，提出了阶梯式的地基加固方案，具体见图5-38。
图5-38 连接堤地基阶梯式加固示意图
为了研究阶梯式加固方案的处理效果，结合前面的数值分析，对地基的沉降变形进行计算，图5-39显示了阶梯式加固后的地基沉降变形情况。
图5-39 连接堤及泵闸建筑物地基沉降位移云图（连接堤地基阶梯式加固）
从图5-39可以看出，通过阶梯式地基加固后，连接堤的沉降情况大为改善，其中水闸侧连接堤堤顶最大沉降量约0.5m，比加固前（约1.2m）大大减小，尤其是连接堤与水闸相接处的沉降量从加固前的约0.4m减小到约0.2m。图5-40显示了加固前后连接堤的沉降变形情况，可以看出通过对连接堤地基进行阶梯式加固，明显改善了连接堤与泵闸建筑物之间的不均匀沉降，达到了预期的效果。
图5-40 连接堤地基加固前后的地基沉降曲线
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