考慮PHC樁擠土消除液化效應(yīng)的地下式污水廠樁基礎(chǔ)設(shè)計

王澤明 劉雪林 王長祥 史卿 尹利軍

(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 天津300381；2.天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團股份有限公司 300381)

引言

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁[1]是污水處理廠工程中常用的樁型，其常見類型有兩種，分別是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PC 樁)、預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁(PHC)樁。PHC 樁由于具有經(jīng)濟參數(shù)好、樁身承載力高、防腐蝕性能好、沉樁質(zhì)量可靠、施工速度快等優(yōu)點，在污水處理廠領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

鉆孔灌注樁[1]也是污水處理廠工程中常用的樁型。鉆孔灌注樁灌注樁適用范圍很廣，屬于非擠土樁型，幾乎可以適用于除強腐蝕場地外所有的工程。

處于液化場地的樁基礎(chǔ)在承載力計算時，其側(cè)摩阻力一般需要按照規(guī)定進(jìn)行折減。當(dāng)采用打入式預(yù)制樁，平均樁距為2.5～4 倍樁徑且樁數(shù)不少于(5 行×5 列) 時，可計入打樁對土的加密作用及樁身對液化土變形限制的有利影響[2]。PHC 樁屬于打入式預(yù)制樁，在符合上述限定條件時，可以考慮該有利影響。何鐵偉，付勇[3]等研究了在天津濱海吹填場地上，分別以 HKFZ-AB450(250)、PHC-AB 500(100)作為基樁，對液化等級為輕微～中等的場地液化土的改善效果；周漢斌[4]研究了在豫東某大型電廠中，以PHC-AB 500(100)作為基樁，對液化等級為中等～嚴(yán)重的場地液化土的改善效果。經(jīng)聯(lián)網(wǎng)檢索，尚未見在地下式污水處理廠樁基礎(chǔ)中計入該作用的先例。因此，探討在液化場地上建設(shè)地下式污水處理廠時，樁基礎(chǔ)設(shè)計中計入打樁對土的加密作用及樁身對液化土變形限制的有利影響是十分必要的。下面以天津市某大型污水處理廠工程的樁基礎(chǔ)設(shè)計為例，介紹考慮PHC 樁擠土消除液化的效應(yīng)在規(guī)范及應(yīng)用層面的可行性、經(jīng)濟性。

1 工程概況

天津市某大型污水處理廠工程，日處理污水規(guī)模 6×105m3/d，生產(chǎn)再生水規(guī)模 1×105m3/d。該工程主箱體尺寸約為473.4m×391.5m，占地面積約17×104m2，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，樁筏基礎(chǔ)。筏板頂標(biāo)高-6.50m(典型位置，大沽高程，下文同)，箱體頂標(biāo)高 8.90m，結(jié)構(gòu)高度為15.4m。設(shè)計頂部覆土厚度為1.5m，覆土頂標(biāo)高為8.20m～10.90m，其平面簡圖如圖1所示。

圖1 污水處理廠平面簡圖Fig.1 Brief plan of sewage treatment plant

廠區(qū)設(shè)計地坪標(biāo)高為4.00m，廠區(qū)抗浮設(shè)計水位為3.50m。構(gòu)筑物承受的地下水浮托力很大，雖然頂部有覆土，構(gòu)筑物的抗浮承載力仍舊存在一定的缺口。在進(jìn)行基礎(chǔ)形式選擇時，樁基礎(chǔ)成為首選的基礎(chǔ)形式，因為其能同時解決承載力、控制沉降、抗液化和抗浮等若干問題。

1.1 地質(zhì)條件

圖2是箱體下最具代表性的地質(zhì)剖面，圖3是典型箱體剖面及土層關(guān)系。生物池等代表性單元底板厚度為加強區(qū)1500mm，普通區(qū)800mm，頂標(biāo)高為-6.50m，底板坐落于⑥4層粉質(zhì)黏土層，地基承載力特征值為100kPa，該層屬飽和黏性土層，其他各層土的力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖2 代表性地質(zhì)剖面Fig.2 Typical geological section

圖3 箱體典型剖面Fig.3 Typical section of sewage treatment plant

本場地地下水、地基土對混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性；在長期浸水情況下，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有微腐蝕性；在干濕交替的情況下，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有中等腐蝕性。

1.2 地震液化情況

本場地位于天津市東麗區(qū)，場地抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計基本加速度為0.20g，建筑場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第二組。

本場地④2層粉土、⑥3層粉土和⑥5層粉土存在地震液化現(xiàn)象，液化等級為輕微，液化指數(shù)0.01～5.89。

表1 各層力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Mechanics parameters of soils

2 樁基礎(chǔ)方案比較

2.1 基樁比選

在天津市常見的基樁類型里，預(yù)應(yīng)力管樁(PHC 樁)、預(yù)應(yīng)力空心方樁(PHS 樁)、沉管灌注樁、泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁(鉆孔灌注樁)均在污水處理廠工程中使用較普遍。本工程用樁量十分巨大，PHS 樁與PHC 樁性能比較接近，都屬于預(yù)應(yīng)力空心樁，但其生產(chǎn)廠家少，不能滿足工程進(jìn)度要求，因此暫不在考慮范圍之內(nèi)；廠區(qū)很大范圍之內(nèi)存在厚度超過3m 的密實粉土層⑧2，沉管灌注樁難以穿透，因此也不考慮該樁型。PHC樁與鉆孔灌注樁的比較見表2。

表2 樁型比較Tab.2 Comparison of piles

2.2 樁間距確定

在確定PHC 樁樁間距時，需要考慮如下兩個方面的內(nèi)容。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，部分?jǐn)D土樁在飽和黏土中的最小樁間距為4 倍樁徑[1]。此外，若想計入打入式預(yù)制樁對土的加密作用及樁身對液化土變形限制的有利影響，樁間距應(yīng)選擇為2.5～4 倍樁徑之間[2]。據(jù)此，本設(shè)計樁間距采用4倍樁徑，樁中心間距為2m×2m，正方形布樁。

鉆孔灌注樁由于樁長度較長，單樁承載力比PHC 樁要高。結(jié)合單樁承載力、底板造價和持力層埋置深度等綜合選擇樁間距為2.5m×2.5m。

2.3 樁長選擇

地勘資料顯示，⑧2層粉土、⑨1層粉質(zhì)黏土、?1層粉質(zhì)黏土均可作為樁端持力層。

對于 PHC 樁，因⑨1層厚度一般超過5m，強度相對較高，PHC 樁穿越存在較大困難，首選⑧2層和⑨1層為持力層。⑧2層的力學(xué)指標(biāo)優(yōu)于⑨1層，但因其在廠區(qū)厚度變化較大，部分區(qū)域甚至缺失，因此最終確定⑨1層粉質(zhì)黏土作為PHC 樁方案的樁基持力層。結(jié)合布樁間距，設(shè)計需要單樁承載力特征值約800kN 左右，樁長取14m～15m。

對于鉆孔灌注樁，需要考慮液化影響，對樁周土的側(cè)摩阻力進(jìn)行折減；孔底沉渣清理對于該樁型也是一個難點，故其端阻力數(shù)值也遠(yuǎn)低于PHC 樁。因此，該樁型方案選擇?1層粉質(zhì)黏土作為樁端持力層。結(jié)合布樁間距，設(shè)計需要單樁承載力特征值約1300kN 左右，樁長取25m～26m左右。

2.4 經(jīng)濟比較

按照實際工程方案進(jìn)行布樁，考慮底板標(biāo)高起伏的影響，PHC 樁方案樁長算數(shù)平均值約為14.6m，總根數(shù)為42500 根，總樁長為620500m，總造價約為1.86 億元，每千牛承載力需要耗費造價 5.47 元，每萬元造價可提供承載力1828.0kN；鉆孔灌注樁方案樁長算數(shù)平均值平均約為 25.6m，總根數(shù)為 27200 根，總樁長為696320m，總造價約為3.83 億元，每千牛承載力需要耗費造價11.26 元，每萬元造價可提供承載力887.7kN。見圖4、圖5。

圖4 樁基礎(chǔ)總造價對比Fig.4 Total cost comparison of piles

圖5 樁基礎(chǔ)單位造價可提供承載力對比Fig.5 Baring capacity per 10 thousand RMB of piles

本場地對鉆孔灌注樁方案不利。水對混凝土的弱腐蝕、輕微液化側(cè)摩阻需折減、不宜考慮承臺效應(yīng)等因素均使鉆孔灌注樁方案的造價提升，而上述因素對消除液化之后的PHC 樁方案均不構(gòu)成影響。PHC 樁基礎(chǔ)方案在本工程體現(xiàn)出非常明顯的經(jīng)濟性，從樁基總造價上看出，PHC 樁方案僅為鉆孔灌注樁方案的48.6%。

2.5 基樁類型確定

經(jīng)過上述各方面比較，相對于鉆孔灌注樁，PHC 樁在本場地應(yīng)用有極大的優(yōu)勢，本工程基樁最終確定采用PHC 樁。

3 PHC樁基礎(chǔ)方案設(shè)計

3.1 消除液化原理及樁間距估算

一般情況下，松散到稍密狀態(tài)的飽和砂土、粉土在地震時會產(chǎn)生液化現(xiàn)象，而黏性土、中密到密實狀態(tài)的飽和砂土和粉土則一般不會發(fā)生地震液化現(xiàn)象。地震液化產(chǎn)生的主要原因是超限孔隙水無法及時排出，導(dǎo)致土顆粒處于懸浮狀態(tài)，形成液體，抗剪強度變?yōu)榱悖箻秱?cè)摩阻力顯著降低，天然地基承載力喪失。當(dāng)場地打入預(yù)制樁時，預(yù)制樁的沉入導(dǎo)致樁間土被擠密，樁周土明顯趨于密實，降低或消除液化發(fā)生的可能性，這種作用稱為擠密作用。靜壓法、錘擊法沉樁均具備對樁間土的擠密作用。錘擊沉樁的沖擊波會在一定程度上影響樁間土，使其顆粒重新排列，使液化土改性，在一定程度上消除液化現(xiàn)象，這種作用稱為振密作用。靜壓法沉樁不具備對樁間土的振密作用。

考慮到④2層粉土、⑥3層粉土已經(jīng)被挖除，設(shè)計中僅考慮消除⑥5層粉土的液化現(xiàn)象。設(shè)計中采用正方形布樁，根據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行面積置換率的計算[5]。以液化指數(shù)較高的20 號鉆孔為例進(jìn)行計算，在⑥5層粉土范圍內(nèi)，標(biāo)貫點深度11.3m 處，臨界標(biāo)貫擊數(shù)Ncr為 23.53，實際標(biāo)貫擊數(shù)為19，打樁后的標(biāo)貫擊數(shù)暫按照規(guī)范要求進(jìn)行估算[2]，后續(xù)進(jìn)行消除液化試驗驗證：

式中：s為樁間距/m；d為樁徑/m；de為一根樁分擔(dān)的處面積等效圓直徑/m；ρ為打入式預(yù)制樁的面積置換率；N1為打樁后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)/擊；Np為打樁前的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)/擊；Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值/擊。

3.2 沉樁要求

在天津市的建設(shè)工程中，當(dāng)大規(guī)模密集沉入PHC 樁時，施工單位常采用預(yù)鉆孔的措施。預(yù)鉆孔可有效降低擠土效應(yīng)對基樁的影響，保證基樁的施工精度。當(dāng)考慮PHC 樁消除地基液化的作用時，需要計入基樁對土的擠密作用，預(yù)鉆孔會將這種作用很大程度上降低。故本方案的實施中，禁止施工單位采用預(yù)鉆孔措施。

PHC 樁沉樁經(jīng)常采用錘擊和靜壓兩種方法。因靜壓法具有環(huán)境影響小、精度高的優(yōu)點，靜壓法往往是施工時的首選。靜壓法的缺點是穿透能力相對較弱，尤其穿透較厚的中密、密實砂土、粉土層時表現(xiàn)較差。本方案中，基樁需穿透⑧2層粉土層，該層屬于密實粉土層，標(biāo)貫擊數(shù)最大值為49，標(biāo)貫擊數(shù)算數(shù)平均值也達(dá)到24.4。在部分區(qū)域，⑧2層粉土的較厚處接近4m?？辈靾蟾嬷幸裁鞔_給出預(yù)制樁穿透該層存在較大困難的結(jié)論。預(yù)計靜壓法沉樁將會遇到較大困難。

錘擊法具有較大的沖擊力，對粉土、砂土具有振密、擠密的雙重效果。靜壓法對粉土、砂土只有擠密效果。因此本工程的沉樁方法首選錘擊法。

3.3 沉樁試驗及消除液化檢測

能否消除地基液化是本方案的一個關(guān)鍵問題，為確保達(dá)到目的，在消除液化估算通過后，還需通過試驗來進(jìn)一步驗證消除液化的效果。PHC 樁能否順利穿越⑧2層是本方案是否可行的另一個關(guān)鍵問題。

為了驗證PHC 樁基礎(chǔ)方案的可行性，在試驗樁檢測階段設(shè)計了沉樁試驗，并結(jié)合沉樁試驗進(jìn)行擠土消除液化檢測。試驗樁群位置選擇⑧2層粉土厚度較大、液化指數(shù)較高之處進(jìn)行。經(jīng)比對，最終選擇了145 號鉆孔處進(jìn)行該項試驗，該孔處⑧2層頂標(biāo)高為- 14.84m，底標(biāo)高為-18.04m，厚度達(dá)到3.2m，液化指數(shù)為4.91。

沉樁試驗樁群采用3×3 布置，共9 根樁，樁長、標(biāo)高按照工程樁數(shù)據(jù)執(zhí)行。施工順序選擇最不利沉樁順序，先施工四角的基樁，再施工四面中點的樁，最后施工中心位置樁。9 根基樁沉樁過程連續(xù)，中間不停歇，防止擠土應(yīng)力消散而導(dǎo)致沉樁難度模擬效果失真。

待沉樁試驗基樁就位，樁間土應(yīng)力消散之后進(jìn)行標(biāo)貫檢測。本工程按照非飽和黏性土的休止時間15 天執(zhí)行[6]。標(biāo)貫試驗點做兩處，分別選擇兩個對角的樁間土中心點。

試驗結(jié)果表明，中心樁順利沉至設(shè)計標(biāo)高，錘擊數(shù)未超過10 擊，預(yù)估大面積沉樁應(yīng)不存在困難。在廠區(qū)液化較為嚴(yán)重之處，樁數(shù)大幅度少于規(guī)范規(guī)定的情況下，已經(jīng)消除了液化現(xiàn)象，樁基礎(chǔ)方案應(yīng)能達(dá)到預(yù)期的消除液化效果。

3.4 試驗樁檢測

試驗樁檢測[6]包括樁身完整性檢測和承載力檢測。先做樁身完整性檢測，采用低應(yīng)變法。完整性檢測確定樁身無缺陷之后進(jìn)行承載力檢測。

承載力檢測采用輔助樁法，即用長樁減去輔助短樁的承載力來確定最終的基樁承載力。此外，承載力檢測采用極限承載力試驗，即加載至樁頂分級位移量或總位移量超過規(guī)定數(shù)值。經(jīng)靜載試驗檢測，試驗樁承載力全部達(dá)到設(shè)計要求，樁極限承載力較計算值略高。

3.5 復(fù)合基樁基礎(chǔ)的應(yīng)用

PHC 樁基礎(chǔ)方案在消除地基土的液化之后，可以部分考慮地基土對承載力的貢獻(xiàn)，即采用復(fù)合基樁基礎(chǔ)的計算方法。按照規(guī)范規(guī)定，承臺效應(yīng)系數(shù)ηc取0.2[1]?？紤]承臺效應(yīng)的復(fù)合基樁基礎(chǔ)，根據(jù)本工程的實際情況，每根基樁的豎向抗壓承載力特征值可提高76.1kN。

3.6 抗拔樁設(shè)計

本工程的樁基礎(chǔ)方案是由抗壓承載力控制的，抗拔承載力需要進(jìn)行驗算并進(jìn)行灌芯設(shè)計。天津市地方標(biāo)準(zhǔn)以強條的形式規(guī)定，在使用PHC樁作為抗拔樁時，樁身與結(jié)構(gòu)底板的連接僅允許采用灌芯連接，且灌芯長度不小于4.5m，灌芯深度還需通過現(xiàn)場灌芯抗拔試驗確定?，F(xiàn)場灌芯抗拔試驗在試驗樁檢測階段進(jìn)行，最小灌芯長度4.5m 已經(jīng)完全滿足本工程的需要。單樁抗拔承載力特征值按照局部抗浮滿足要求的情況下也不是很大，為350kN，單節(jié)樁能滿足要求并有較大余量，僅需按照圖集構(gòu)造性設(shè)置灌芯鋼筋即可。

4 沉樁監(jiān)測、基樁檢測及樁間土檢測

4.1 沉樁監(jiān)測

在沉樁施工過程中，為了監(jiān)測打樁的擠土效應(yīng)對基樁及周邊環(huán)境的影響，在廠區(qū)均勻設(shè)置監(jiān)測樁。監(jiān)測樁樁底標(biāo)高同工程樁，樁頂標(biāo)高做至施工地坪標(biāo)高以上1m，以便于現(xiàn)場監(jiān)測。為了減少打樁對基樁及周邊環(huán)境的影響，現(xiàn)場對沉樁速率進(jìn)行了較為嚴(yán)格的控制，并采取了一定的排水措施。監(jiān)測結(jié)果顯示，監(jiān)測樁樁頂標(biāo)高上涌量在 20mm～ 30mm 范圍內(nèi)，水平位移在 100mm 左右，未發(fā)生特殊情況。由于打樁對兩層液化土產(chǎn)生的加密作用，部分液化土層較厚的區(qū)域地面出現(xiàn)一定量的下沉，下沉量在100mm 左右。根據(jù)打樁監(jiān)測結(jié)果，樁基施工對周邊環(huán)境的影響不大。

4.2 基樁檢測

樁基施工完畢之后，需進(jìn)行樁身完整性檢測、承載力檢測。樁身完整性檢測采用低應(yīng)變法，抽檢數(shù)量不少于基樁數(shù)量的20%，本工程所有基樁均為I 類樁；承載力檢測采用靜載試驗法，抽檢數(shù)量不少于基樁數(shù)量的1%，單樁豎向抗壓、抗拔承載力特征值均達(dá)到設(shè)計要求，且樁頂下沉、上拔量多在5mm～8mm，預(yù)計有一定的承載力余量。

4.3 樁間土檢測

除了基樁檢測，還應(yīng)進(jìn)行樁間土消除液化檢測。樁間土消除液化檢測采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，抽檢數(shù)量不少于基樁數(shù)量的2%，除極其個別點位尚存輕微液化之外，廠區(qū)絕大多數(shù)檢測點已經(jīng)消除了液化，檢測單位依據(jù)檢測結(jié)果給出了無需考慮液化對基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)設(shè)計影響的結(jié)論。典型區(qū)域的部分標(biāo)貫檢測結(jié)果見表3。

表3 樁間土檢測結(jié)果Tab.3 Standard penetration of inter-pile soil

5 結(jié)論

1.在PHC 樁基礎(chǔ)通過擠土效應(yīng)消除液化之后，基樁可采用價格低廉的普通產(chǎn)品而不采用箍筋加密的特殊樁型，從造價和供貨方面都比較有利。因液化已經(jīng)消除，樁身側(cè)摩阻力也不需進(jìn)行折減。因此，在計入打入式預(yù)制樁對土的加密作用及樁身對液化土變形限制的有利影響后，PHC樁基礎(chǔ)方案在經(jīng)濟性上具有極大的優(yōu)勢。

2.在考慮PHC 樁擠土消除液化作用的樁基礎(chǔ)方案中，設(shè)計文件應(yīng)明確不得采用預(yù)鉆孔措施。

3.在考慮PHC 樁擠土消除液化作用的樁基礎(chǔ)方案中，錘擊法沉樁具有更好的效果，其可錘擊沉樁可穿透厚度接近4m 的密實粉土層。當(dāng)PHC 樁需要穿透較厚中密、密實狀態(tài)的粉土、砂土層時，宜優(yōu)先考慮錘擊法沉樁。