泵站復(fù)合地基處理缺陷的綜合補(bǔ)救措施的探討

史學(xué)哲

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)總院有限公司 合肥 230022）

1 引言

水工建筑物復(fù)合地基處理不能滿足設(shè)計(jì)要求，甚至完全失敗的案例并不少見，往往需要更多的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行加固補(bǔ)救，甚至重新處理。比如地基防滲處理設(shè)計(jì)方案不合理，滲透穩(wěn)定效果不達(dá)標(biāo)，則需要另行選擇其他防滲措施；或者軟土地基處理施工工藝控制不嚴(yán)，導(dǎo)致承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要采取補(bǔ)樁或者推翻原處理方案。由于大部分缺陷在地基處理工程接近尾聲時(shí)顯現(xiàn)或后期檢測過程中發(fā)現(xiàn)，此時(shí)基坑開挖基本成型，有些相鄰建筑物已經(jīng)完工，工期較緊迫，若選擇重新施工或改變復(fù)合地基類型，可能影響范圍廣，實(shí)施難度大，據(jù)此可以考慮采用對現(xiàn)有條件影響較小的綜合補(bǔ)強(qiáng)措施予以解決。本文擬結(jié)合某中型泵站復(fù)合地基處理失效后的補(bǔ)救方法，來說明地基處理的加固補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)效果。

2 工程概況

案例泵站位于安徽省滁州市，泵站排澇承泄區(qū)為清流河，設(shè)計(jì)抽排流量為26.0m3/s，總裝機(jī)2800kW，樞紐工程等別為Ⅲ等，屬中型泵站。泵站沿中心線順?biāo)飨蛞来尾贾糜羞M(jìn)水閘、前池、泵房、匯水箱、穿堤涵洞以及出口防洪閘等建筑物。

泵站采用堤后式干室型泵室，設(shè)5 臺1400ZLB 軸流泵機(jī)組，平面上呈一列式布置。站身平面根據(jù)機(jī)組數(shù)量及流道長寬決定，總寬度31.5m，順?biāo)飨蚩傞L20.0m；泵房立面根據(jù)部位和功能分層，泵室流道層底板底高程-0.10m，檢修層頂高程10.5m，主廠房頂高程20.0m，則下部泵室高10.6m，上部廠房高9.5m。

2.1 地質(zhì)條件

站址區(qū)廣泛分布為第四系全新統(tǒng)及晚更新統(tǒng)淤積-沖積-洪積層，厚度達(dá)20m 以上，其巖性：上部主要為第四系全新統(tǒng)（Q4al-l）重粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和晚更新統(tǒng)（Q3pl）含礫中粗砂地層，下伏基巖為白堊系（K）泥質(zhì)砂巖。泵站主要建筑物基本坐落于③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土上（出水涵和匯水箱坐落于②層重粉質(zhì)壤土上，厚約2.0m），③層土呈流塑～軟塑狀，高壓縮性，含水量大，建基面以下厚度在12.0～18.0m。地基土層分布及各土層物理力學(xué)特性如圖1。

2.2 地基處理

站身在非運(yùn)行期上下游低水位時(shí)基底應(yīng)力最大，σmax=112.6kPa，σmin=92.6kPa。建基面以下淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土承載力僅70kPa，標(biāo)貫擊數(shù)2.9 擊。為避免站身基礎(chǔ)直接座落于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層上可能會產(chǎn)生地基剪切破壞導(dǎo)致站身傾覆、下沉，或者產(chǎn)生較大的沉降（差），導(dǎo)致泵站無法正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)采用混凝土管樁進(jìn)行復(fù)合地基處理。

圖1 站身地質(zhì)橫剖面圖及土層物理力學(xué)特性圖

管樁為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC 樁），直徑為0.4m，樁距2.5m×2.55m，樁底以進(jìn)入④含礫中粗砂層1.0m，平均樁長12.5m，樁頂設(shè)置0.5m 厚水泥土墊層。計(jì)算得單樁承載力Ra=403.2kN，復(fù)合地基承載力fspk=121.1kPa。

3 基坑邊坡失穩(wěn)對地基影響及應(yīng)急處理措施

3.1 基坑邊坡滑動情況及對管樁復(fù)合地基的影響

2018年12月，工程在全部管樁施工完成、基坑開挖至設(shè)計(jì)高程進(jìn)行樁頭處理過程中，基坑?xùn)|側(cè)邊坡出露的淤泥質(zhì)土層出現(xiàn)向坑內(nèi)滑突現(xiàn)象，施工單位進(jìn)行了清除，但后期滑突現(xiàn)象加劇，停止對基坑的土體的清除，并及時(shí)對邊坡上部填土進(jìn)行了卸載處理，保證了邊坡的穩(wěn)定，控制了進(jìn)一步滑動的趨勢。

后經(jīng)參建各方現(xiàn)場勘察，基坑自東向西約2/3被滑出土體覆蓋，高度約2.0m，頂高程約為1.4m，泵房基坑左側(cè)坡面及坡頂已經(jīng)進(jìn)行了大范圍卸載，滑坡上口位于坡頂，坡頂高程約為13.0m。檢查發(fā)現(xiàn)，站身中心線以東及前池近站段翼墻基底已實(shí)施管樁（約48 根）全部大角度傾倒，不具承載能力，以西（約46 根）則基本完好。同時(shí)受擾動的淤泥質(zhì)土呈流塑狀仍緩慢向基坑側(cè)蠕變。

3.2 復(fù)合地基失效后的綜合加固措施

從基坑邊坡的滑動情況及對復(fù)合地基造成的影響可知：（1）不管是地基補(bǔ)強(qiáng)還后續(xù)工程施工，都需要盡快解決邊坡持續(xù)滑動問題；（2）需要結(jié)合地基現(xiàn)狀和上部結(jié)構(gòu)型式采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC地基滿足上部建筑安全運(yùn)行?？紤]到基坑內(nèi)已倒伏的管樁方向和位置不確定，基坑淤泥質(zhì)土膨出，若重新回填平臺補(bǔ)樁，重型機(jī)械無法進(jìn)出及施工，補(bǔ)樁（包括其他樁型）工作實(shí)施困難。為保證泵站按既定工期完成、汛前具備排澇抽水能力，應(yīng)盡快控制邊坡滑動，采取工期短、見效快的方案進(jìn)行地基補(bǔ)強(qiáng)處理及上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整。

站身尚有西側(cè)一半管樁完好，考慮現(xiàn)狀條件，結(jié)合泵站結(jié)構(gòu)型式、施工單位根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出的建議，補(bǔ)強(qiáng)加固主要從以下三個(gè)方面入手：（1）維持臨時(shí)邊坡穩(wěn)定，保證后續(xù)施工安全；（2）補(bǔ)強(qiáng)加固復(fù)合地基，提高擾動地基承載力，（3）優(yōu)化站身底板結(jié)構(gòu)，減小基底應(yīng)力。

3.2.1 邊坡抗滑處理

隨著邊坡卸載持續(xù)進(jìn)行，邊坡暫無大幅滑動的風(fēng)險(xiǎn)，但是由于地基為深厚淤泥土，理論計(jì)算滑弧面較深（管樁完全推倒），受擾動土呈流塑狀，坡面緩慢向基坑蠕變，影響后續(xù)施工。因此需繼續(xù)放緩邊坡并對坡腳進(jìn)行加固，增加邊坡抗滑穩(wěn)定性。根據(jù)穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，綜合坡比應(yīng)不陡于1∶4，同時(shí)結(jié)合地基補(bǔ)強(qiáng)，對站身復(fù)合地基已破壞部分利用拆除的塊石進(jìn)行擠淤換填，換填厚度不小于2.0m，并采用混凝土灌砌，上部設(shè)置1.0m 厚鋼筋混凝土墊層，在坡腳形成剛性阻滑體，并提高被擾動后的淺層地基承載力。塊石換填位置和范圍見圖2。

3.2.2 底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮受滑坡影響，站身管樁復(fù)合地基一多半已失效，雖經(jīng)塊石換填，但由于加固深度有限，難以達(dá)到設(shè)計(jì)承載要求，因此仍然需要對站身底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以期減小基地應(yīng)力。

原設(shè)計(jì)站身底板與前池底板設(shè)置平縫，考慮本次對前池地基全數(shù)進(jìn)行注漿加固，地基具備一定承載力，將站身進(jìn)口中間墩墻底部1.5m 高度向前池懸出1.0m，壓在前池底板之上、翼墻前趾與前池底板齒狀搭接，用前池底板分擔(dān)站身及左側(cè)翼墻上部荷載，減小基地應(yīng)力和建筑物沉降。站身及前池翼墻與底板搭接方式見圖2。為提高前池底板相對整體性，保證受力均勻，避免板間錯(cuò)位，共同分擔(dān)站身傳遞荷載，在前池底板分縫間設(shè)置拉結(jié)鋼筋。

3.2.3 復(fù)合地基補(bǔ)強(qiáng)

由于滑坡后的施工場地不適合補(bǔ)樁所需的重型機(jī)械進(jìn)入，施工單位根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)提出了注漿加固的方案，對破壞的原管樁復(fù)合地基進(jìn)行加固處理。

注漿加固就是將某些能固化的漿液注入地基土層中，通過滲透、充填、擠壓、置換等方式以改善其物理力學(xué)性質(zhì)達(dá)到防滲、堵漏、加固和糾偏等目的。一般注漿加固是采用水泥漿通過預(yù)埋的注漿管灌入并擠向土體，在管端附近形成漿泡，漿體取代土體，并壓縮鄰近土體產(chǎn)生彈塑性變形，增加土的密度；同時(shí)水泥漿在較大的壓力下滲入土體孔隙至出現(xiàn)剪切裂縫，產(chǎn)生劈裂，漿液隨之充填形成漿脈，隨著管口抬升，由串柱狀漿泡和網(wǎng)狀漿脈構(gòu)成了新的復(fù)合地基，提高了軟土地基的承載力。注漿加固原理見圖3。

圖2 地基換填布置及上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

注漿加固作為新建水工建筑物軟土地基處理措施，在水利工程中尚未得到廣泛使用，其主要原因是缺乏理論依據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，注漿的指標(biāo)、設(shè)備、工藝參數(shù)的選用、注漿成果的檢測，都帶有一定的盲目性和隨意性，注漿效果及經(jīng)濟(jì)性不明確。因此在地基處理工程中主要作為一種輔助措施和既有建筑物加固措施。

根據(jù)施工方案，水泥漿液采用PO42.5 普通硅酸鹽水泥拌制，按現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，水灰比0.6 左右，摻入適量早強(qiáng)劑。灌漿范圍：塊石換填區(qū)站身底板下方、底板東、北、西向自板邊緣向外6.0m 寬范圍內(nèi)以及匯水箱底部，灌漿深度8.0m；站身東側(cè)及前池底板范圍內(nèi)，自建基面向下灌漿深度10.0m。外圍灌漿目的是形成一定的圍封，阻止地基上部軟土在長期受荷狀態(tài)下向外蠕動，從而減少地基后期沉降量。由于灌漿深度不大，灌漿蓋重板采用壓實(shí)水泥土，厚度0.5m，范圍至邊緣灌漿孔以外2.0m，水泥摻入比12%。底板塊石換填部位施工完畢后預(yù)埋入鍍鋅鋼管，出露于底板頂面，作為后期泵房東西沉降差較大時(shí)用于糾偏。注漿孔孔距為2.5m，采取梅花型布置，當(dāng)鉆孔遇到傾倒的管樁時(shí)，適當(dāng)移動孔位。

圖3 注漿加固原理圖

3.3 各補(bǔ)強(qiáng)加固方案原理及效果分析

（1）放緩邊坡、增加底部土體抗剪強(qiáng)度，符合一般邊坡抗滑治理的基本原則。事實(shí)證明，隨著邊坡逐漸放緩，底部塊石換填及鋼筋混凝土墊層完成并具備一定的強(qiáng)度后，邊坡滑移的趨勢基本被遏制，為后續(xù)搶工贏得了時(shí)間。

（2）站身基礎(chǔ)以下、四周注漿和東側(cè)基坑滑坡影響范圍注漿，既形成了地基圍封側(cè)限，提高軟土承載力，又減小了回填土邊荷載對站基沉降影響。本次邊坡滑動實(shí)際造成了泵站中心線移動站身底部管樁全部傾倒，而西側(cè)管樁幾乎不受影響，東側(cè)剛性換填厚度近3.0m，西側(cè)樁頂原設(shè)計(jì)0.4m 厚水泥土墊層換成0.5m 的混凝土墊層，使地基整體性增強(qiáng)，根據(jù)建成前后對周圍地面觀察無明顯的隆起或其他破壞現(xiàn)象。

（3）站身及周邊地基注漿利用土質(zhì)固結(jié)增強(qiáng)和圍封效果提高地基承載力，靜載試驗(yàn)所得的地基承載力特征值達(dá)到130kPa，均大于站身基底應(yīng)力。圍封在一定程度上減小了淤泥質(zhì)軟土整體壓縮性，加上西側(cè)現(xiàn)存管樁復(fù)合壓縮模量大、樁底含礫中粗砂強(qiáng)度高的特點(diǎn)，站身整體沉降可控。考慮站身東側(cè)地基換填和注漿厚度未達(dá)軟土底部，兩側(cè)地基應(yīng)會存在一定的沉降差。泵站于2019年5月建成，沉降基本穩(wěn)定，至今觀測的累計(jì)沉降值：站身西側(cè)不足10mm，東側(cè)約60mm，平均沉降值不大，大部分沉降差發(fā)生在水泵機(jī)組安裝完成前，經(jīng)過安裝過程中的泵軸調(diào)校抵消，目前泵站運(yùn)行正常。

4 結(jié)語

水工建筑物復(fù)合地基處理效果不達(dá)標(biāo)的原因有多種，包括地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性、設(shè)計(jì)方案的合理性以及施工工藝的適用性等，應(yīng)根據(jù)不同原因采取合適的加固補(bǔ)強(qiáng)方式。對于補(bǔ)強(qiáng)方式的選擇既要從已加固地基現(xiàn)狀、施工條件選擇合理的地基補(bǔ)強(qiáng)，也應(yīng)考慮對建筑物結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行優(yōu)化以及卸載等方式降低基底應(yīng)力，做到時(shí)間性和經(jīng)濟(jì)性兼顧。

對于注漿加固，由于缺乏充分的理論分析和可靠的施工經(jīng)驗(yàn)，水利工程使用注漿加固進(jìn)行地基處理的案例并不多，因此，應(yīng)多吸取不同建筑行業(yè)的使用經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)，逐步拓展使用范圍，對于軟土地基淺、荷載要求不高的新建建筑物以及地基處理補(bǔ)強(qiáng)加固均可嘗試使用并總結(jié)推廣，爭取對設(shè)計(jì)計(jì)算、施工工藝以及檢測方法進(jìn)行界定■