淺談泵站工程泵室地基加固處理設(shè)計

秦 杰，張培成

(1.滄州水利勘測規(guī)劃設(shè)計院有限公司，河北省滄州市交通北大道21-1號 061000；2.河北水利電力學院 交通工程學院，河北省滄州市黃河西路49號 061001)

1 工程概況

1.1 總體布置

中捷產(chǎn)業(yè)園區(qū)2號排澇泵站位于中捷產(chǎn)業(yè)園區(qū)石材園區(qū)南側(cè)、黃南排干北側(cè)，設(shè)計排澇流量為2.1m3/s。由上游連接段、前池、泵房、出水池、穿堤涵閘、下游連接段組成，泵站中心線總長81.6m。泵室為鋼筋混凝土濕室結(jié)構(gòu)，分為電機層、水泵層，上部為砌體混合結(jié)構(gòu)泵房。水泵型號為600ZLB-100(+2°)，裝機容量150kW。

1.2 泵室主要結(jié)構(gòu)尺寸

首先根據(jù)以往工程經(jīng)驗初擬結(jié)構(gòu)尺寸，然后根據(jù)穩(wěn)定計算、沉降計算及經(jīng)濟性對結(jié)構(gòu)尺寸進行比選調(diào)整，最終確定泵室最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

(1)泵室底板長10.5m，寬7.4m，厚0.8m，基底高程-2.8m。

(2)泵室邊墩厚0.7m，中墩厚0.6m，為減小上部結(jié)構(gòu)自重，中墩采用空心布置，墩底高程-2.0m，墩頂高程3.8m。

(3)泵室后墻厚0.5m，為減小上部結(jié)構(gòu)自重，泵室后段采用空箱形結(jié)構(gòu)。

1.3地質(zhì)條件

場區(qū)為Ⅱ類場地，基本地震動峰值加速度值為0.10g，相當于基本地震烈度Ⅶ度，地下水埋深1.20～2.30m，本工程區(qū)場地不液化。第一層素填土層底標高2.5m；第二層砂壤土屬中壓縮性土，層底標高1.20～1.40m，承載力特征值100kPa；第三層壤土屬中壓縮性土，層底標高-0.90～-0.70m，承載力特征值105kPa；第四層淤泥質(zhì)壤土屬高壓縮性土，層底標高-2.80～-2.60m，承載力特征值85kPa；第五層砂壤土屬中壓縮性土，層底標高-7.00～-6.80m，承載力特征值120kPa；第六層淤泥質(zhì)壤土屬高壓縮性土，層底標高-11.10～-10.90m，承載力特征值80kPa；第七層砂壤土屬中壓縮性土，層底標高-14.00～-13.80m，承載力特征值120kPa；第八層壤土屬中高壓縮性土，該層20.00m未揭露，最大揭露厚度為2.80m，承載力特征值110kPa。泵室底板底高程-2.80m，位于第五層，承載力特征值120kPa。

2 天然土基沉降計算

2.1 地基應(yīng)力計算及分析

基底應(yīng)力計算公式：

式中：Pmax為基底應(yīng)力最大值，kPa；Pmin為基底應(yīng)力最小值，kPa；ΣG為全部豎向荷載，kN；A為基底面積，m2；ΣM為全部荷載對基底垂直水流方向的力矩，kN·m；W為基底對垂直水流方向形心軸的截面矩，m3。

表1 基底應(yīng)力計算成果表

經(jīng)計算，泵室地基承載力滿足要求。

2.2 天然土基沉降計算及分析

分析工程地質(zhì)條件可知，由于第六層為淤泥質(zhì)壤土，壓縮性高，需對泵室進行沉降計算復(fù)核。根據(jù)基底應(yīng)力分布特點，沉降計算公式如下：

式中：S∞為土質(zhì)地基最終沉降量，m；n為壓縮層計算范圍內(nèi)的土層數(shù)，壓縮層計算深度按附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比<0.1控制，n=8；e1i為在平均自重應(yīng)力作用下，查e—p壓縮曲線的相應(yīng)孔隙比；e2i為在平均自重應(yīng)力加平均附加應(yīng)力作用下，查e—p壓縮曲線的相應(yīng)孔隙比；hi為基底以下第i層土的厚度，m；mi為地基沉降量修正系數(shù)，取1.6。

泵室基底附加應(yīng)力分為矩形均布荷載和三角形荷載2部分，查e—p曲線，利用“角點法”分別計算泵室底板前端、中心、后端3個點的沉降值，計算結(jié)果如表2、表3、表4所示。

表2 泵室前端沉降量計算成果表

表3 泵室中心沉降量計算成果表

表4 泵室后端沉降量計算成果表

根據(jù)上述計算結(jié)果，考慮修正系數(shù)1.6，前端最終沉降2.56cm，中心最終沉降4.48cm，后端最終沉降3.20cm。根據(jù)泵站設(shè)計規(guī)范，確定泵房地基允許最大沉降量為15cm，相鄰結(jié)構(gòu)允許沉降差不大于5cm?？紤]到前池及出水池基底反力較小，可認為前池、出水池無沉降。本工程主要以沉降差作為控制條件，由計算結(jié)果可知，泵室與相鄰結(jié)構(gòu)的最大沉降差為4.48cm，已接近規(guī)范上限，為了保證工程安全運行，結(jié)合本工程地質(zhì)條件及以往工程經(jīng)驗，決定對泵室地基進行人工加固處理。

3 常見的地基基礎(chǔ)處理方法及適用條件

軟土地基處理方法很多，其中有些方法目前設(shè)計和施工方面仍未成熟，特別是用于大面積的地基處理還有些困難，有些方法用于實際工程造價過高，與其他方法比較不經(jīng)濟。目前常用的地基處理方法包括換土墊層法、強夯法、碎石樁法、樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、水泥土深層攪拌樁法。

3.1 換土墊層法

換土墊層法是將基底附近一定深度范圍內(nèi)的軟土清除，然后采用壤土、級配中粗砂、級配碎石土及灰土等進行分層回填壓實。換土墊層法在改善地基應(yīng)力分布、提高地基穩(wěn)定性及減少地基沉降方面具有一定的作用。

換土墊層法一般適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理，從施工難度和經(jīng)濟性兩方面考慮，墊層厚度一般不宜超過3m。換土墊層法技術(shù)經(jīng)驗成熟，墊層底面寬度應(yīng)滿足基底應(yīng)力擴散的要求，壤土、粘土擴散角可取20°～25°，中粗砂擴散角可取30°～35°。大型工程的粘土墊層壓實系數(shù)不小于0.96，中小型工程粘土墊層壓實系數(shù)不小于0.93，砂墊層相對密度不應(yīng)小于0.75，在強震地區(qū)的砂墊層相對密度不應(yīng)小于0.8，墊層的壓實效果應(yīng)進行現(xiàn)場試驗驗證。

3.2 強夯法

強夯法是一種快速加固軟土地基的方法，夯錘重量一般在100～600kN，落距一般10～40m，較理想的夯錘形狀為圓柱加圓臺組合型夯錘。夯點可采用方格形或梅花形布置，第一遍夯點間距一般為1.5～3.5倍夯錘底面直徑或邊長，地基處理面積一般比基礎(chǔ)底面積外擴1～2排夯擊點。影響強夯有效加固深度的因素很多，目前尚無成熟的理論計算方法，因此，強夯有效加固深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試夯結(jié)果或已建工程經(jīng)驗確定。強夯法適用于透水性較好的松軟地基，特別是碎石土或稍密砂土、雜填土、非飽和粘土和濕陷性黃土地基，如用于淤泥或淤泥質(zhì)土地基，應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定其適用性和處理效果。

3.3 碎石樁法

松砂、軟弱的粉砂、砂壤土或砂卵石地基可采用振沖法加固處理。對采用振沖法成孔的碎石樁，直徑宜采用800～1200mm，樁間距可采用1.5～3m；當采用振動沉管法成樁時，直徑宜采用300～600mm，樁間距不宜大于樁直徑的4.5倍。振沖法處理設(shè)計目前處于半理論半經(jīng)驗狀態(tài)，加固效果應(yīng)經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證。

3.4 樁基礎(chǔ)

常見的樁基礎(chǔ)包括鋼筋混凝土預(yù)制打入樁和鉆孔灌注樁。預(yù)制樁一般適用于砂土、粘性土、有承壓水的粉、細砂及碎石、卵石類地基，鉆孔灌注樁幾乎可用于各類土的軟土地基。在有承壓水的地基上進行樁基礎(chǔ)施工時，在基坑開挖時應(yīng)設(shè)足夠數(shù)量的降壓井以降低承壓水頭。對于摩擦樁設(shè)計時，可按樁間土承擔10%～15%的荷載、樁基礎(chǔ)承擔85%～90%的荷載考慮，在實際工程中，為安全計，往往不考慮樁間土的承載作用。

3.5 沉井基礎(chǔ)

沉井基礎(chǔ)一般適用于上部為軟土層或粉砂、細砂層，下部為硬粘土層或巖層的地基，不宜用于上部夾有蠻石、樹根等雜物的松軟地基或下部為頂面傾斜度較大的巖石地基。當?shù)鼗嬖诔袎核畷r，考慮地基抗?jié)B穩(wěn)定性和施工難度，不宜采用沉井基礎(chǔ)。沉井基礎(chǔ)一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面形狀多呈矩形，長度一般不超過30m，長寬比不宜大于3，沉井結(jié)構(gòu)混凝土強度等級一般不低于C20。沉井深度取決于地質(zhì)條件、施工條件和沉井的承載能力。

3.6 水泥土深層攪拌樁法

水泥土深層攪拌樁固化劑應(yīng)選擇強度等級不低于42.5級的普通硅酸鹽水泥，水泥摻量可為12%～20%。按照施工工藝可分為干法和濕法兩類。干法宜用于加固土質(zhì)堤壩和岸坡，不宜用于水工建筑物的地基加固。干法加固深度不宜大于15m。濕法加固深度不宜大于20m，該法主要用于正常固結(jié)淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土和粘性土地基加固。該法具有施工進度快、振動小、無噪音和無污染、工程造價低等優(yōu)點，復(fù)合地基承載力和單樁承載力應(yīng)進行現(xiàn)場試驗驗證。

4 地基處理方法的選擇

地基處理的目的是降低泵室基底沉降量，根據(jù)地基土的特性、地基處理工程造價及以往工程設(shè)計經(jīng)驗，決定泵室地基采用深層水泥土攪拌樁(濕法)進行地基處理。

5 地基處理設(shè)計

根據(jù)泵室地基地層分布特點和厚度，對于地基變形來說，增加樁長對減少沉降是有利的。實踐證明，若水泥土攪拌樁能穿透軟弱土層到達強度相對較高的土層，則沉降量是很小的，據(jù)此確定本工程攪拌樁穿透第六層淤泥質(zhì)土層，樁端深入第七層砂壤土層。設(shè)計樁底高程-11.5m，樁長8.3m，樁徑500mm，正方形布置，樁距1.0m，固化劑選擇42.5級普通硅酸鹽水泥，泵室基底與樁頂之間鋪設(shè)30cm厚水泥土褥墊層。

5.1 復(fù)合地基承載力計算

水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力標準值應(yīng)通過現(xiàn)場地基荷載試驗確定。本工程按下式估算：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fsk為處理后樁間土承載力設(shè)計值，kPa，可取天然地基承載力特征值；m為面積置換率；Ap為樁的截面積，m2；β為樁間土承載力折減系數(shù)；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN。按下面兩式計算，應(yīng)使由樁身材料強度確定的單樁承載力大于(或等于)由樁周土和樁端土的抗力提供的單樁承載力；

Ra=ηfcuAp

式中：qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；up為樁周長，m；li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qp為樁端地基未經(jīng)修正的承載力特征值，kPa；α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)；η為樁身強度折減系數(shù)；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊在標準養(yǎng)護條件下90d齡期的立方體抗壓強度平均值，kPa。

表5 復(fù)合地基承載力特征值計算結(jié)果表Tab.5 Calculation results of bearing capacity eigenvalue of composite foundation

5.2 下臥層地基承載力驗算

水泥土攪拌樁已穿透淤泥質(zhì)軟土層，下臥層承載力大于復(fù)合地基承載力，故不再對下臥層承載力進行驗算。

5.3 復(fù)合地基沉降計算

復(fù)合地基的沉降量包括攪拌樁復(fù)合土層的變形量S1和下部未加固處理層的變形量S2。水泥土深層攪拌樁沉降S1為

S1=(Pz+Pz1)l/2Esp

Esp=mEp+(1-m)Es

Pz=[RspF-Rs(F-F1)]/F1

Pz1=[RspF+G-Fsf-Rs(F-F1)]/F1-γpl

式中：Pz為攪拌樁復(fù)合土層頂面附加壓力，kPa；Pz1為攪拌樁復(fù)合土層底面附加壓力，kPa；Esp為攪拌樁復(fù)合土層壓縮模量，kPa；Ep為攪拌樁壓縮模量，kPa；Es為樁間土壓縮模量，kPa。Rsp為復(fù)合地基承載力設(shè)計值；Rs為樁間天然地基承載力特征值；F為泵房基礎(chǔ)占地面積；F1為假想實體基礎(chǔ)底面積；G為復(fù)合地基自重；Fs為復(fù)合地基側(cè)面積；f為樁側(cè)平均摩阻力；γp為基底以上各土層的加權(quán)平均重度；l為攪拌樁樁長。

經(jīng)計算，S1=2.9cm。按照應(yīng)力控制法確定S2計算深度，并按照附加應(yīng)力小于自重應(yīng)力的10%控制，S2=0。地基處理后泵室總沉降量為2.9cm，較天然地基的泵室沉降量4.48cm顯著降低。

6 結(jié)論

水利工程中的地基沉降計算公式屬于半理論半經(jīng)驗公式，在實際工程設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮計算公式的特點和施工技術(shù)水平對地基沉降的影響，從工程安全和經(jīng)濟性角度分析。對地基沉降量或沉降差接近規(guī)范上限的工程，應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)情況選擇合適的地基處理方法對天然地基進行人工加固處理。本工程泵室地基經(jīng)水泥土攪拌樁加固處理后沉降值顯著降低，確保了工程的運行安全。