钻孔灌注桩及水泥土深层搅拌...在泵站地基处理工程中的应用_樊琨.pdf

科 技 创 新科 技 创 新收稿日期：2022-12-22作者简介：樊琨，男，汉族，河北省水利规划设计研究院有限公司，工程师。钻孔灌注桩及水泥土深层搅拌桩在泵站地基处理工程中的应用钻孔灌注桩及水泥土深层搅拌桩在泵站地基处理工程中的应用摘要以位于滨海平原地貌地区的泵站为例，通过分析地质勘查资料及建筑物稳定、沉降计算结果，对各建筑物基础分别采取不同的处理方案，保证建筑物安全稳定。钻孔灌注桩及水泥土深层搅拌桩 2种地基处理方案，承载能力强、适应范围广、施工成本低，为同类工程设计提供参考借鉴依据。关键词泵站；地基处理；水泥土深层搅拌桩；钻孔灌注桩樊琨一些泵站施工区域范围大，地质条件情况复杂，部分结构地基条件较差无法满足设计需要，如处理不当则建筑物可能发生不均匀沉降等问题。现结合工程实例，针对不同软弱地质条件，对钻孔灌注桩和水泥土深层搅拌桩在泵站设计中的运用进行分析。阐述了 2种桩基方案的特点并提出最优地基处理方案，保证工程安全稳定运行，为同类工程设计提供参考借鉴依据。1.工程概况某泵站位于天津市塘沽孟港排河下游与永定新河交汇处，是一座集排沥、蓄水、引水于一体的多功能泵站，泵站设计排沥流量为 23m3/s，工程规模为中型排水泵站。1.1工程地质泵站所在地属于典型的滨海平原地貌，地面高程为 3.7m4.3m(大沽高程)。在勘探深度范围内揭露地层岩性主要为第四系全新统黏土、粉质黏土、粉土，地基承载力为 75kPa150kPa。场地土类型为中软场地土，建筑场地类别为类。勘察区地下水场地环境类型为类，勘察区地下水和河水对混凝土均具分解结晶复合类硫酸镁型弱腐蚀性；具结晶类硫酸盐型腐蚀性，其中对普通水泥具有强腐蚀性，对抗硫酸盐水泥无腐蚀性。参照 中国地震动参数区 划 图（GB18306 2001）的 震 区 分布，工 程 站 址 地 震 动 峰 值 加 速 度 为0.20g，相当于地震基本烈度度。1.2工程布置泵站工程布置为正向进水方式，主要建筑物包括泵房、站前节制闸、出水池、黄港二库引水闸、孟港排河引水闸、自（机）排控制闸、泵站管理用房等。站前节制闸出口与前池相接，泵房垂直水流方向呈“一”字型布置，泵房内布置 5台立式轴流泵机组，采用单机单室布置，在泵房底部设有三孔自流洞，经出水池及其底部自流洞与自（机）排控制闸相接，在出水池两侧布置有黄港二库引水闸及孟港排河引水闸，孟港排河引水闸出口设在站前节制闸上游，自（机）排控制闸分上下两层，上层为机排控制闸，下层为自排控制闸，通过该闸实现自排或机排，自引或机引，主体建筑物段总长 135.9m。泵站布置平面示意图详见图 1。2.施工方法2.1主要建筑物稳定及天然地基沉降分析通过对泵房及泵站进出水建筑物稳定及天然地基沉降计算进行分析研究，天然地基条件下，泵房的沉降量较大，不能满足设计要求，站前节制闸、黄港二库引水闸、孟港排河引水闸基础座落在第二层黏土层上，自（机）排控制闸基础座落于第三层粉土层上，第二层为黏土承载力较低，第三层为粉土，虽承载力较高，但持力层较薄，为保证工程稳定安全，均需要采取地基处理措施。挡土墙基底平均应力大于天然地基承载力，需进行地基处理。出水池、自（机）排控制闸、4#6#挡墙沉降量超出允许值范围，应采取地基处理措施，以满足设计要求。2.2地基处理根据泵站各建筑物的重要性、地基承载力、沉降分析结果等，地基处理可分别选用水泥土深层搅拌桩或钻孔灌注桩地基处理方案进行处理。2 种地基处理方案特点及适用性如下。2.2.1水泥土深层搅拌桩水泥土深层搅拌桩是使用特制的搅拌机械在薄弱地层深处将特定固化剂与原始土层进行混合搅拌，待硬化后形成具有整体性、水稳性和一定强度的优质复合地基，主要的固化剂为水泥或石灰等材料。该施工流程简便，造价较低，可提高地基承载力、减少沉降量，常适用于处理淤泥质土、饱和黄土、含水量较高且地基承载力不大于 12kPa 的黏性土和粉土等。图 1某泵站布置平面示意图44科 技 创 新科 技 创 新2.2.2钻孔灌注桩钻孔灌注桩是一种常用的基础结构形式，使用该桩基础可以大幅度提高地基承载力、建筑物抗滑稳定性。灌注桩适用范围广泛，可在陆地和水域中使用，并且受季节气候影响较小。较传统预制桩相比可节约钢材，且施工质量可控性好，是一种安全性较高的基础处理方案。由于施工成本较高，常适用于重要建筑物或承载力严重不足、沉降量较大的天然地基。综合分析研究上述 2 种地基处理方案，结合泵站地基地层承载力实际情况，地基处理方案见表 1。2.2.3水泥土深层搅拌桩方案设计泵站站前节制闸及 1#、3#挡土墙等建筑物地基拟采用水泥土深层搅拌桩进行处理。初步确定深层搅拌桩直径为 0.5m和 0.6m两种，搅拌桩间、排距布置及桩长根据站前节制闸或涵闸闸室段需满足承载力要求，其特征值估算公式为：（1）式中：fspk复合地基承载力特征值(kPa)；fsk桩间土承载力特征值(kPa)，可取天然地基承载力特征值；m桩土面积置换率；Ap桩的截面积(m2)；桩间土承载力折减系数；Ra单桩竖向承载力特征值(KN)。施工现场需进行单桩静荷载试验推算 Ra值，通过如下 2 式计算，应保证由桩身材料强度确定的单桩承载力不小于由桩周土、桩端土抗力提供的单桩承载力，计算公式为：（2）式中：Ra单桩竖向承载力特征值(KN)；Ap桩的截面积(m2)；qsi桩周第 i层土的侧阻力特征值(kPa)；up桩周长(m)；li桩长范围内第i层土的厚度(m)；n桩长范围内所划分的土层数；qp桩端地基未经修正的承载力特征值(kPa)；桩端天然地基土的承载力折减系数,可取 0.40.6；桩身强度折减系数，干法可取0.20.3；湿法可取 0.250.33；fcu与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下 90d 龄期的立方体抗压强度平均值(kPa)。各建筑物复合地基承载力标准值计算结果见表 2。地基处理前，站前节制闸闸室最大应力为 80.7kPa，1#、3#挡土墙最大应力101kPa，水泥土深层搅拌桩复合地基处理后，承载力有效提高，满足建筑物设计标准。2.2.4钻孔灌注桩方案设计泵房，出水池，自（机）排控制闸，4#、5#、6#挡土墙拟采用钻孔灌注桩进行基础处理，桩径为 0.7m，桩间、排距布置及桩长设计时，应同时满足竖向承载力及沉降变形要求。地基沉降计算选取完建期作为计算工况，沉降计算依据泵站设计规范（GBT502652001）中推荐的公式进行计算。承载力计算依据 建筑地基基础设计规范（GB500072002），需进行静载荷试验确定单桩竖向极限承载力，承载力特征值估算公式为：（3）式中：Ra单桩竖向承载力特征值；qpa、qsia桩端端阻力、桩侧阻力特征值；up桩身周边长度；Ap桩底端横截面面积；li第 i层土的厚度。单桩竖向承载力特征值计算结果见表 3。经计算，钻孔灌注桩地基的承载力明显提高、沉降量减小，满足建筑物设计标准。2.3钻孔灌注桩及水泥土深层搅拌桩施工2.3.1钻孔灌注桩钻孔灌注桩施工前对施工场地进行平整压实，根据现场试桩实验情况调整灌注桩施工方案。钻孔灌注桩施工采用回转钻机造孔泥浆固壁施工，在确定桩孔定位轴线后即可架设钻机进行钻孔灌注桩的施工，施工时应根据实测地质资料及时调整泥浆参数并控制进尺速度。灌注桩施工工序如下：测量放样并复合桩位；钢护筒埋设；钻机就位，钻进并在孔中加入泥浆；终孔测量检查；下放钢筋笼；放导管；浇灌混凝土；测量桩身混凝土的顶面标高，达到要求后停止浇注；拔出导管，钻机移位至下一个桩位；桩基检测。2.3.2水泥土深层搅拌桩水泥搅拌桩施工方法，按喷射材料的状态可分为湿法和干法表 1泵站工程地基处理方案选用表表 2复合地基计算结果表表 3钻孔灌注桩单桩竖向承载力计算结果表建筑物名称泵房4#、5#、6#挡土墙出水池自（机）排控制涵闸3#挡土墙站前节制闸闸室1#挡土墙地基处理方案钻孔灌注桩钻孔灌注桩钻孔灌注桩钻孔灌注桩水泥土深层搅拌桩水泥土深层搅拌桩部位站前节制闸闸室1#、3#挡土墙桩长(m)711桩径(m)0.60.6桩距(m)1.141.5面积置换率 m(%)2514复合地基承载力特征值 fspk(kPa)100120部位泵房4#墙5#墙6#墙出水池自（机）排控制闸桩长(m)16171816.51216桩径(m)0.70.70.70.70.70.7桩距(m)2.322.12.12.12.12.1单桩竖向荷载 N（KN）平均值398.59459518.5437.5370.79374.87最大值451.31518585456388.44433.95单桩竖向承载力特征值 Ra(KN)705.92794835738474.18703.17（转第 48页）45科 技 创 新科 技 创 新出，随着烘干时间的增加，快速法与标准法的结果渐趋一致。土的颗粒越粗，透水性好，水分较易逸出，所需烘干时间越短；反之，土的颗粒越细，所需烘干时间越长。试验中还发现，透水性较差的黏性土，若块体较大，会造成内部的蒸汽压力过大，易出现土块炸裂等安全问题，且烘干时间相对较长，将其碾碎或切成薄片、小块可避免此问题发生。烘干土样时，因同批次 3类土均可能存在，为求统一，节省鉴别时间，提高准确率，可把烘干时间定为 2h，此时，土的含水率趋于稳定达到恒量，且与标准法测得的含水率接近，误差在标准范围内。经实时监测，快速法的烘干温度（106）符合标准要求，整个试验过程满足土工试验的基本原理。6.试验要点为使试验结果准确可靠，同时考虑到烘干时间的长短，需对取土量进行控制，经比较，细粒土取土质量在 20g30g之间，砂类土因持水性较差，颗粒大小相差悬殊，水含量易于变化，应适当多 取 一 些，取 土 质 量 在 50g100g 之间。透水性较差的黏性土要将大的土块切成薄片或者小块后再烘干。为安全考虑，取放土样时宜佩戴防烫手套，以防烫伤。7.快速法与烘干法测定含水率的相关性分析过程为研究两种方法测定的含水率之间相关的程度，经筛选，决定采用相关系数(Correlation coefficient)进行评估。相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标，一般用 r 表示，其计算公式为：式中：x快速测定含水率；y烘干法测定含水率；n样本量；x/xi两个变量的观测值/均值。r描述的是两个变量间线性相关强弱的程度，在-1 和+1 之间取值，若 r0，表明两个变量是正相关，即一个变量的值越大，另一个变量的值也会越大。可细分为 5 个等级，r0.95，存在显著性相关；r0.8，高度相关；0.5r0.8 中度相关；0.3r0.5 低度相关；r0.3 关系极弱，不相关；若 r0，表明两个变量是负相关，即一个变量的值越大另一个变量的值反而会越小。r的绝对值越大表明相关性越强，但并不存在因果关系。如果 r=0，则表明两个变量不是线性相关，有可能是其他方式的相关（比如曲线方式）。使用 EXCEL 软件用 CORREL 公式来计算快速法（取烘干时间为 2h 测定的含水率）和标准法测定的含水率之间的相关关系，得出 r 值，并绘制散点图1-图 3。由图 1-图 3可见，砂性土、壤土、黏性土用快速法烘干 2h 后测定的含水率，与标准法测定的含水率之间的相关系数 r=0.999，r0.95，因此，两种方法得出的结果很接近且存在显著性相关关系，可以在一定程度上相互印证替代。8.结语通过对快速法和烘干法的试验结果比对，可以得出土样用快速法在烘干2h 后，含水率趋于稳定达到恒量，符合土工试验原理，且与标准法测得的含水率接近，误差在标准范围内，符合要求。通过对快速法和烘干法的试验结果进行相关关系分析，两种方法测定的结果很接近且存在显著性相关关系，可以在一定程度上相互印证替代。因此，快速法可以有选择地应用于岩土工程及相关专业的教学、生产和科研工作中。快速法测定含水率时间较短，仪器价格便宜，体积小，重量轻，好搬运，还可以在施工现场进行快速测定，其干燥质量好，由于涂层表面和内部的物质分子同时吸收红外辐射，因此加热较均匀。快速法测定含水率在土样量少的项目上较烘干法更具优势，标准法在烘箱未装满的情况下，加热 8h 耗电量为 40，而快速法 2h 耗电量为 1.1，其能耗更低，大大降低了试验成本。快速法也可应用在击实、液塑限等试验中，因其能在2h 内测出含水率，可缩短中间等待时间，提高整体试验效率。但是对于大批量土样的含水率测定，快速法由于仪器体积小，一次性测定土样量少，不能满足需要，此时，标准法更具优势。因此，在实验室中，快速法可作为标准法的有益补充，试验者可以根据实际情况有选择的参考应用。另外还需注意，此次方法比较仅对常规土进行检测，一些特殊土如软土、湿陷性黄土、红黏土、膨胀土、多年冻土未考虑，若应用于特殊土，需再进行检测验证。快速法测试含水率的推广运用还需进行深入研究，包括专用土工试验红外线快速干燥箱的开发与研究，例如增大仪器的体积，增加数显装置等。此方法为非标方法，因试验样本有限，其通用性还需专家及广大土工试验工作者加以验证。2 种，此工程采用以水泥浆为主要喷射材料的湿法施工方案，易进行重复搅从而提高搅拌均匀度。搅拌桩施工前应进行场地埋设管线核实并做试桩试验，根据现场试桩情况调整搅拌桩施工方案，最终确定试桩参数：搅拌桩水泥掺入量为 15，采用 SJB1 型深层搅拌桩机械施工，停浆面应高出桩顶设计标高 50cm，在进行上部结构层时将超出桩顶标高部分凿除以保证桩头的强度。施工工序如下：测量人员依据图纸放线并标记桩位；搅拌机械安装调试；搅拌机预搅拌下沉至设计加固深度；严格按照试桩参数进行搅拌提升；重复进行搅拌、喷浆过程；成桩后移至下个桩位；依据规范进行试桩检验、静载荷实验。3.结论与建议该工程为枢纽工程，与之相连的建筑物较多，由于站址地质条件较差，基础承载能力及建筑天然地基沉降均不满足设计要求，需对地基进行处理。为保证建筑物安全稳定，技术经济合理，对地基处理方案进行了多方案设计比选，根据天然地基情况及稳定、沉降计算结果进行分析，对各建筑物采用不同的处理方案，最后确定主厂房、出水池及自排控制闸采用钻孔灌注桩基础，站前节制闸采用水泥土搅拌桩基础，保证工程安全稳定，为工程节约大量资金。目前，钻孔灌注桩及水泥土深层搅拌桩已在道路桥梁、房屋建筑、水利工程等众多领域中得到推广应用，该泵站已于 2014年建成，至今运行良好，充分发挥其工程效益，进一步验证了 2种地基处理方案的可靠性和安全性，为今后类似工程提供借鉴。（接第 45页）48