南水北調(diào)泗陽站泵房地基處理設計

李繼生

（上海勘測設計研究院 上海 200434)

1 工程概況

泗陽泵站樞紐位于江蘇省泗陽縣縣城東南約3km處的中運河輸水線上，是南水北調(diào)東線多級提水系統(tǒng)的第四梯級。新建泗陽泵站位于拆除的泗陽一站下游引河 340m處，總裝機流量198m3/s，安裝葉輪直徑 3.10m 的立式全調(diào)節(jié)軸流泵6臺套（含 1臺備機)，單機流量 33m3/s，泵站揚程6.30m；配3000kW/10kV同步電機，總裝機容量 18000kW。泵站為堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，肘形進水流道，虹吸式出水流道，真空破壞閥斷流。該工程于2009年12月30日正式開工建設，2012年5月開始試運行，目前已正式投入使用。

2 工程地質(zhì)條件

勘察揭示，新建泗陽站工程區(qū)主要土層地質(zhì)情況為：

⑥層（高程4.3～9.5m至1.3～7.7m)，重粉質(zhì)砂壤土、輕粉質(zhì)壤土，局部夾淤泥質(zhì)粘土薄層、含云母片，松散～中密，中壓縮性。⑦層（高程1.2～6.8m至-0.5～1.7m)，粘土，粉質(zhì)粘土，局部為砂質(zhì)粘土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，偶含砂礓，可塑狀態(tài)，中壓縮性。⑧層（高程-0.5～1.7m至-3.3～-0.2m)，重、中粉質(zhì)壤土夾砂壤土薄層，局部互層，可塑狀態(tài)，中壓縮性。⑨層（高程-3.3～-0.2m至-3.9～0.0m)，粉、細砂，局部砂壤土、壤土，含礫石及云母片。⑨'層（高程-3.3～-0.2m 至-3.5～-1.9m)，粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土夾細砂，輕粉質(zhì)壤土薄層，中密狀態(tài)，中～低壓縮性。⑩層（高程-3.5～-1.9m至-18.0～-16.4m)，粉質(zhì)粘土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核及少量礫、砂礓，局部砂礓較多，硬塑狀態(tài)，中壓縮性。主要土層物理力學性質(zhì)參數(shù)見表1。

3 地基處理設計

3.1 站身穩(wěn)定計算和地基沉降分析

新建泗陽泵站采用一列式布置。主泵房位于河道中，主泵房北側(cè)布置北副廠房，南側(cè)布置安裝間和南副廠房。主泵房站身平均分為兩塊，單塊底板尺寸：36000mm（順水流向)×28200mm（垂直水流向)；底板順水流向輪廓為中段水平、兩端上翹的折線形，下游前趾端底面高程為1.65m，上游前趾端底面高程為1.72m，中部水平段底面高程為-0.25m。泵房底板坐落在⑦層粉質(zhì)粘土上。

站身抗滑穩(wěn)定按《泵站設計規(guī)范》（GB/T50265-2010)第 6.3.4條公式（6.3.4-2)計算。地基允許承載力按漢森公式計算。站身穩(wěn)定計算成果見表2。對完建期工況和設計（2)工況分別計算了泵房地基最終沉降量，沉降計算結(jié)果見表3。

表1 主要土層物理力學性質(zhì)參數(shù)表

表2 站身穩(wěn)定計算成果表

由表2可以看出，完建期工況地基的平均應力220.0kPa大于地基的允許承載力199.1kPa；地基最大應力276.5kPa也大于1.2倍的地基允許承載力238.9kPa。天然地基承載力不滿足設計要求，需對地基進行處理。

表3 站身地基沉降成果表

由表3可以看出，無論是完建期工況還是設計（2)工況，站身最大沉降量均大于15cm，也需對地基進行處理。

3.2 地基處理方案比選

地基加固的方法有剛性樁基礎、沉井基礎和復合地基等。

復合地基是軟弱地基處理時常用的一種技術，是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強或被置換，或在天然地基中設置加筋材料，加固區(qū)是由基體（天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基，復合地基由增強體和基體共同承擔荷載。復合地基能夠充分利用天然地基的承載力，所以多數(shù)是經(jīng)濟的。常用的復合地基有碎石樁、深層水泥攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁等。碎石樁適用于松散砂土、粉土、粉質(zhì)粘土、人工填土等地基處理及處理液化地基，一般用于處理地基承載力要求較低的軟弱地基，其不適用于要求地基承載力大于 200kPa的泗陽站工程。深層水泥攪拌樁是軟土地基處理的常用方法，在水利工程中廣泛應用，但其不適用于硬塑及堅硬的粘性土。

本工程站身基礎持力層地基土⑦層土為含鐵錳質(zhì)的粉質(zhì)粘土，塑性指數(shù)Ip=21.2，地基允許承載力為190kPa，相對較高，下臥層⑨層粉砂，標貫擊數(shù)28擊，允許承載力為200kPa，承載力較高，下臥層⑩粉質(zhì)粘土，塑性指數(shù) Ip=21.7，允許承載力為300kPa，承載力較高。因此，上述土層具有粘粒含量較高和土質(zhì)較硬的特點，不宜采用深層水泥攪拌樁處理地基。所以本工程不宜考慮深層水泥攪拌樁地基處理方案。

水泥粉煤灰碎石樁，簡稱 CFG樁，是近年來發(fā)展起來的處理軟弱地基的一種新方法。CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和，用各種成樁機械在地基中制成的強度等級為C5～C25的低強度混凝土樁，可充分利用樁間土的承載力，共同作用，并可傳遞荷載到深層地基中去，具有較好的技術性能和經(jīng)濟效果。CFG樁適用于處理粘性土、粉土、砂土和已自重固結(jié)的素填土等地基。樁距應根據(jù)設計要求的復合地基承載力、土性、施工工藝等確定，宜取 3～5倍樁徑。樁頂和基礎之間應設置褥墊層，褥墊層厚度宜取150～300mm；褥墊層材料宜用中砂、粗砂、級配砂石或碎石等，最大粒徑不宜大于30mm。

泗陽站工程擬定兩個地基處理方案進行了經(jīng)濟比較，分別是 CFG樁和灌注樁方案，根據(jù)本工程地質(zhì)條件，經(jīng)過計算，CFG樁斷面直徑擬采用0.4m，樁長12.0m～13.5m，樁底高程-12.25m，樁中心間距1.6m×1.6m。復合地基的承載力標準值 fspk=363.2kPa，沉降量約為 14.0cm，處理后的地基滿足規(guī)范要求。該方案投資約為64.38萬元。灌注樁方案，采用斷面直徑為 0.6m，樁長18m～20.25m，樁底高程-16.00m，經(jīng)計算，單樁承載力標準值Ra=1655kN，泵房底板需布設灌注樁 219根，樁中心間距為 3m×3m。沉降量約為3.6cm。該方案投資約為351.06萬元。

3.3 褥墊層設計

為了使樁體和樁間土共同承擔站身傳給底板的荷載，應在樁頂與泵房底板之間設置褥墊層。褥墊層的受力機理是在泵房底板范圍內(nèi)的墊層受到不均勻壓應力的作用，樁頂部分應力較大，樁間土部分應力較小，隨著荷載增加，首先是在樁頂范圍內(nèi)的墊層可能出現(xiàn)塑性區(qū)，繼而樁與樁間土間產(chǎn)生較大位移，樁體刺入到墊層中，樁頂?shù)膲|層向樁間土轉(zhuǎn)移，樁間土被擠密而提高承載力，將樁上部分荷載向樁間土轉(zhuǎn)移。如果褥墊層太“軟”，雖有樁刺入，但荷載轉(zhuǎn)移的效果不明顯，樁間土發(fā)揮作用不好，如果墊層太“硬”，使樁體無法刺入，則也不能轉(zhuǎn)移荷載，當褥墊層厚度較小時，樁頂向褥墊層刺入量小，這樣造成樁體分擔了絕大部分荷載，樁土應力比大，樁間土承載力不能充分發(fā)揮，同時滑動區(qū)域范圍小，合理樁間距較小，為滿足地基承載力及減少沉降的要求，勢必導致樁數(shù)或樁長增加，復合地基的優(yōu)越性不能體現(xiàn)出來。當褥墊層厚度大，超過破壞面深度時，樁體上刺入量大，樁間土沉降量大，承擔了較多的荷載，樁土應力比偏小，會導致樁承擔的荷載很小，復合地基中樁的承載力沒有充分發(fā)揮出來，復合地基承載力不會有較大的提高，反而還會增加建筑物的沉降變形，這樣設計的復合地基既不經(jīng)濟，還滿足不了地基承載力及沉降要求。

根據(jù)樁頂刺入褥墊層的條件，若要提高褥墊層的承載力和減小沉降變形方面來看，褥墊層材料宜選用粒徑較大的碎石，但從有利于樁頂刺入褥墊層材料調(diào)整流動這方面來看，褥墊層宜選用中細砂。綜合以上兩方面的因素，結(jié)合大量的工程實踐，褥墊層的材料宜采用中砂、粗砂、級配碎石。但是散粒材料具有強透水性，對泵站的防滲不利，設計大膽創(chuàng)新，在泗陽站首次采用抗?jié)B性較好粘性土作為 CFG樁褥墊層，初擬樁間部分利用原狀土（⑦層土)，樁頂回填部分采用⑥層土（或⑥、⑦層混合料)或在樁頂回填拌制均勻的水泥摻入量為 8%的水泥土，人工夯實后與天然地基土面齊平。褥墊層厚度初擬10cm～20cm。

經(jīng)實驗研究用不同褥墊層材料及厚度做試驗對比，取得了較好的成果，結(jié)論是采用水泥土作為樁頂褥墊層是合理可行的，并且明顯提高復合地基極限承載力，樁土分配比例更趨于合理。最后，褥墊層采用樁間部分利用原狀土（⑦層土)和在樁頂回填拌制均勻的水泥摻入量為 8%的水泥土，褥墊層厚度采用100mm。

3.4 地基處理設計

根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79－2012)的規(guī)定，經(jīng)計算，采用斷面直徑0.4m，樁長 12m～13.5m，樁中心間距 1.6m×1.6m，布設樁864根，樁身強度為C15，CFG樁樁身材料配合比見表 4，復合地基的承載力標準值fspk=363.2kPa。處理后的地基承載力大于最不利工況地基最大應力276.5kPa，沉降量約為14.0cm，因此，處理后的地基滿足規(guī)范要求。

表4 CFG樁樁身材料配合比表

4 結(jié)論

（1)泗陽站工程設計中根據(jù)地質(zhì)條件，合理采用 CFG樁復合地基方案加固地基，其充分利用了較好的天然地基承載力，為工程建設節(jié)省投資。

（2)泗陽站工程成功采用抗?jié)B性較好的粘性土作為 CFG樁褥墊層，即樁頂采用水泥土、樁與樁之間保留原狀土（⑦層粘性土)的復合褥墊層。在擋水水工建筑物地基加固處理時，利用這種抗?jié)B性較好的復合褥墊層替代傳統(tǒng)的砂石料褥墊層，既可以滿足地基防滲要求，又可以發(fā)揮復合地基承載作用。