水利工程中小型泵站地基處理

李春保 吳明白 楊保恩 賀淑全

一、基本資料

某小型泵站選型采用4 臺(tái)20 吋軸流泵，單臺(tái)電機(jī)功率為55kW，總裝機(jī)功率為220kW，灌排結(jié)合泵站，根據(jù)地質(zhì)勘探，地基分層情況如下，高程系采用廢黃河高程。土層特性參數(shù)表見表1。

現(xiàn)狀自然地面為3.60m，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置，泵站底板底高程為-1.60m，位于第三層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土上，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，需要地基承載力為82kPa，開挖深度5.20m，地基承載力不滿足要求；同時(shí)又屬于深基坑開挖，故地基處理和基坑開挖需同時(shí)進(jìn)行。

二、地基的主要問題

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265-2010）和大量水利工程建設(shè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，泵站地基處理概括起來主要有四個(gè)問題：（1）強(qiáng)度和穩(wěn)定性問題；（2）壓縮及不均勻沉降問題；（3）地基的滲漏量超過容許值時(shí)，會(huì)發(fā)生水量損失導(dǎo)致發(fā)生事故；（4）施工中動(dòng)力荷載可能引起地基土邊坡的失穩(wěn)等危害。

根據(jù)上述四個(gè)方面的問題，結(jié)合本案例的實(shí)際情況，需要重點(diǎn)解決地基強(qiáng)度和穩(wěn)定性問題來滿足泵站的穩(wěn)定，同時(shí)還要保證施工安全。

三、水利工程建設(shè)中常見的地基處理技術(shù)及選擇

地基處理的方法有很多，工程中常采取措施使土中孔隙減少，土顆粒之間靠近，密度加大，土的承載力提高；另一類方法是在地基中摻加各種物料，通過物理化學(xué)作用把土顆粒膠結(jié)在一起，使地基承載力提高，剛度加大，變形減小。具體的處理方法有10 種：換填地基法，夯實(shí)地基法，預(yù)壓地基，振沖地基，砂樁、碎石樁和水泥粉煤灰碎石樁，土樁和灰土樁，深層攪拌樁，柱錘沖擴(kuò)樁，高壓噴射注漿樁，樁基礎(chǔ)。

根據(jù)布置，泵站底板底高程為-1.60m，位于第三層土上，底板距第四層尚有7.10m，故換填法、夯實(shí)地基法、柱錘沖擴(kuò)樁不適合，由于小型泵站工程通常是上一年汛后施工，第二年汛前完工，工期較短，故預(yù)壓地基法不適合；由于該工程地基土層大部分為黏土，滲透系數(shù)小，故振動(dòng)地基處理和砂樁、碎石樁和水泥粉煤灰碎石樁不適合。由于泵站地基處及以上土層含水量均達(dá)到30%以上，故土樁和灰土樁地基處理方法不適合。同時(shí)該工程投資額較小，造價(jià)較低，故高壓噴射注漿樁和樁基礎(chǔ)不適合。據(jù)此，最終選擇水泥土深層攪拌樁地基處理方法。

四、水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）術(shù)語解釋，水泥土攪拌樁地基處理方法：以水泥作為固化劑的主要材料，通過深層攪拌機(jī)械，將固化劑和地基土強(qiáng)制攪拌形成豎向增強(qiáng)體的復(fù)合地基。

根據(jù)泵站的布置，水泥土攪拌樁的位置初步擬定位于第三層和第四層土層中。

單樁承載力特征值應(yīng)滿足《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）中7.3.3 規(guī)定。

式中：

表1 某小型泵站地基土層參數(shù)表

fcu—與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊，邊長為70.7mm 的立方體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d 齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值（kPa），根據(jù)本規(guī)范條文說明，取為1.5MPa；

η—樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，該工程取0.25；

Ap—樁的截面積。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）中7.1.5 條，增強(qiáng)體單樁豎向承載力特征值可按下式估算：

式中：

μp—樁的周長（m）;

qsi—樁周第i 層土的側(cè)阻力特征值（kPa），根據(jù)地質(zhì)資料顯示，第三層的側(cè)阻力為20kPa，第四層的側(cè)阻力為40kPa;

lpi—樁長范圍內(nèi)第i 層土的厚度（m）；

αp—樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)規(guī)范7.3.3 條取為0.5；

qp—樁端端阻力特征值（kPa），根據(jù)地質(zhì)資料顯示，第三層的端阻力為50kPa，第四層的端阻力為40kPa。

根據(jù)公式（1）（2），初步擬定樁底高程為-10.0m，樁長為8.4m，樁徑為600mm，兩個(gè)公式中計(jì)算出的承載力取最小值，計(jì)算出單樁承載力為106kPa。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）中7.1.5條，有粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)體復(fù)合地基應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：

λ—單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)規(guī)范說明，取1.0；

Ra—單樁豎向承載力特征值（kN）；

Ap—樁的截面積（m2）；

β—樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取0.3；

fsk—處理后樁間土承載力特征值（kPa），根據(jù)地質(zhì)資料為50kPa；

m—面積置換率。

初步擬定為樁間距為1m，根據(jù)計(jì)算復(fù)合地基承載力為115kPa，大于需要的地基承載力82kPa，符合要求。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）中7.3.1 條規(guī)定，擬定水泥摻入量不低于15%。

綜上所述，該工程地基處理為15%的水泥土深層攪拌樁，樁徑為800mm，樁間距為1.0m，樁長為8.4m。

五、基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

開挖基坑時(shí)，如地質(zhì)條件及周圍環(huán)境許可，采用放坡開挖時(shí)較經(jīng)濟(jì)的，考慮到開挖的土均為淤泥質(zhì)黏土，含水量高，承載力低，同時(shí)工程基坑開挖深度達(dá)到5.2m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，屬于深基坑開挖，故必須進(jìn)行基坑支護(hù)，以保證施工的順利和安全。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）中強(qiáng)制性條文3.1.2 規(guī)定，基坑支護(hù)應(yīng)滿足下列功能要求：（1）保證基坑周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線、道路的安全和正常使用；（2）保證主體地下結(jié)構(gòu)的施工空間。同時(shí)根據(jù)規(guī)程的3.1.3 條規(guī)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為三級(jí)。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要作用是支撐土壁。目前水利工程的基坑支護(hù)根據(jù)受力狀態(tài)主要分為三大類，第一類是橫撐式支撐，第二類是重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)，第三類是板式支護(hù)結(jié)構(gòu)。該工程屬于深基坑，泵站工程基坑工作面很大，故該工程采用第三類板式支護(hù)結(jié)構(gòu)。

板式支護(hù)結(jié)構(gòu)有槽鋼、鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、鉆孔灌注樁及地下連續(xù)墻等結(jié)構(gòu)，根據(jù)土層情況，該工程采用鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)。

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）中“支擋式結(jié)構(gòu)”的規(guī)定，鉆孔灌注樁采用樁徑800mm、間距1.6m、長度10m 的C30 鋼筋混凝土，同時(shí)為使所有鉆孔灌注樁連在一起，在樁頂部設(shè)置混凝土冠梁，冠梁尺寸為1000mm×1000mm。

基坑支護(hù)的同時(shí)，必須處理好地下水的控制，否則基坑支護(hù)必然會(huì)出現(xiàn)不安全的因素。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）中7.1.1 條，“地下水控制應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、基坑周邊環(huán)境要求及支護(hù)結(jié)構(gòu)形式選用截水、降水、集水明排方法或其他組合”。

地下水控制包括截水和排水，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）中7.2.1 條的規(guī)定，同時(shí)結(jié)合該工程地基處理采用水泥土深層攪拌樁，為施工方便，截水采用直徑為500mm 的水泥土攪拌樁，長度與鉆孔灌注樁相同。

基坑里的積水采用明排法，由于地基土層為黏土，滲透系數(shù)較小，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）中7.3.1 條的規(guī)定，在基坑周邊采用真空井點(diǎn)進(jìn)行降水。

綜上所述，該工程基坑支護(hù)采用的方法為：第一排為樁徑800m 的鉆孔灌注樁，間距為1.6m，樁后采用500mm 的12%水泥土攪拌樁作為截滲樁，樁長均為8.4m。同時(shí)嚴(yán)格控制排水，采用明排水先排除基坑內(nèi)積水，同時(shí)采用輕型井點(diǎn)降低基坑周邊的地下水位，保證為基坑創(chuàng)造一個(gè)干燥的施工環(huán)境，保證施工安全。

六、結(jié)語

水利工程中遇到軟土地基是常見情況，水利工程下的地基是否堅(jiān)固，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否足夠高，都影響著工程整體的質(zhì)量和運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性；在處理地基的同時(shí)，必須處理好基坑開挖的問題，否則無法進(jìn)行正常的施工。故在設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)地基處理和基坑支護(hù)統(tǒng)籌考慮，才能保證施工進(jìn)度和安全■