鉆孔灌注樁在排上圩泵站地基加固中的應(yīng)用

嚴(yán)家家，呂 梅，趙 東，吳 洋

(1.江蘇茂源勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 儀征 211400；2.淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223000)

地基土承載力不足是影響工程建設(shè)的因素之一，針對這一類型地基土，若不采取相應(yīng)的處理措施，直接在其上修建建筑物，則極易出現(xiàn)較大規(guī)模的沉降變形、開裂等問題[1-2]。因此，為了保證工程的安全及使用年限，針對承載力不足的地基土采取相應(yīng)的治理措施是十分必要的。以此提高地基土的承載力，從而控制地基土的沉降變形，保證上部建筑物的安全使用。目前，針對承載力較低的地基土采用的處理方法主要包括：復(fù)合地基、樁基礎(chǔ)、強(qiáng)夯法等[3-5]。各種方法在工程實(shí)踐中均取得了較為成功的經(jīng)驗(yàn)，但是，為了節(jié)約工程投資、保證工程質(zhì)量，針對不同的地質(zhì)情況需要采取不同的地基處理方法。數(shù)值模擬是巖土工程中較為常用的方法，在地基加固效果分析中也取得了較為成功的使用經(jīng)驗(yàn)，具備建模速度快、計(jì)算結(jié)果較為可靠等優(yōu)勢[6-7]。研究主要結(jié)合排上圩泵站工程，對地基加固處理方案進(jìn)行分析。

1 工程概況

原泵站設(shè)計(jì)方案無法滿足現(xiàn)狀排水需求，通過現(xiàn)場調(diào)查，采用異地?cái)U(kuò)建泵站的方案加以處理。新建泵站位于中山科技園生活配套區(qū)東側(cè)，官塘河右岸，距離官塘河入馬汊河河口450m。距離原泵站250m，緊鄰南京市江北防汛物資儲備基地。主要承擔(dān)園區(qū)的排澇任務(wù)，排水區(qū)面積約1.05km2，排水標(biāo)準(zhǔn)按10a一遇設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算。場地內(nèi)土層為：0A層雜填土，結(jié)構(gòu)松散，密實(shí)性和均勻性差，工程性質(zhì)差；1A層粉質(zhì)黏土，可塑，中壓縮性，工程性質(zhì)一般；1B層粉質(zhì)黏土，局部為深灰色泥炭質(zhì)土，軟塑，局部流塑，高壓縮性，工程性質(zhì)差；1B1層粉土，稍密，中壓縮性，工程性質(zhì)較差；1C層粉質(zhì)黏土，可塑，局部硬塑，中壓縮性，工程性質(zhì)較好；1D層粉質(zhì)黏土，可塑，中壓縮性，工程性質(zhì)一般。

2 地基處理方案

2.1 地基處理方案比選

擬建泵站根據(jù)其荷載及變形要求，天然地基難以滿足設(shè)計(jì)要求，擬考慮采用鉆孔灌注樁或深層攪拌樁處理。

2.1.1復(fù)合地基

根據(jù)野外鉆探揭露：3#孔6.8～7.4m，4#孔7.8～8.0m，5#孔8.7～9.1m，6#孔7.4～8.1m為深灰色泥炭質(zhì)土，夾大量腐植質(zhì)，因此本場地不宜采用深層攪拌樁，建議采用振動(dòng)擠密碎石樁。

振動(dòng)擠密碎石樁具有提高地基土的承載力和消除可液化土液化性的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是施工時(shí)噪音大。

碎石樁樁長應(yīng)滿足處理后的地基變形量不超過建筑物的地基允許值并應(yīng)滿足軟弱下臥層承載力的要求。碎石樁加固深度可控制在10～15m，樁徑為φ500mm，樁距可按1.1～1.2m等邊三角形布置，置換率0.16～0.19，處理后的復(fù)合地基承載力一般可達(dá)130kPa以上。

當(dāng)復(fù)合地基不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)可采用樁基礎(chǔ)。

2.1.2樁基

樁型、樁徑和樁端持力層。根據(jù)擬建場地工程地質(zhì)條件，結(jié)合建筑物荷重特點(diǎn)及周邊建筑經(jīng)驗(yàn)，樁型可采用預(yù)制樁或鉆孔灌注樁。預(yù)制樁具有施工工期短、施工質(zhì)量較穩(wěn)定的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是樁長不容易控制，會(huì)造成截樁。1C、1D層可作為樁端持力層。樁徑可選擇φ400、φ500mm等。進(jìn)入持力層深度不宜小于2.0d。鉆孔灌注樁具有施工工藝成熟、可以克服地下硬巖土層和地下障礙物、樁徑大、單樁承載力高、樁長可根據(jù)持力層的埋深現(xiàn)場調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是施工周期長，孔內(nèi)殘?jiān)灰卓刂?，施工時(shí)泥漿易污染周圍環(huán)境。1C、1D層可作為樁端持力層。樁徑可選擇φ600、φ800mm等。進(jìn)入持力層深度不宜小于2.0m。

2.1.3方案比選

適合本工程的方案較多，且根據(jù)巖土勘察報(bào)告，本場地不宜采用深層攪拌樁；預(yù)制樁施工機(jī)械較大，進(jìn)場困難；鉆孔灌注樁方案具有施工過程噪音低、對周圍影響小、施工安全性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，且處理效果好、地基沉降控制好、施工占地少，因此鉆孔灌注樁方案較適合本工程。

根據(jù)建筑物位置處土層分布及構(gòu)筑物地基承載要求，采用直徑0.6m的鉆孔灌注樁對泵(閘)室、扶壁擋墻2及閘門井進(jìn)行處理，樁長12m。

2.2 地基計(jì)算

2.2.1單樁垂直極限承載力計(jì)算

Quk=U∑qstkli+qpkAp

(1)

(2)

Nk≤R

(3)

Nk≤1.2R

(4)

式中，Quk—單樁垂直極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；U—樁身截面周長，m；Qsik—單樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Li—樁身穿過第i層土的長度，m；Ap—樁身截面面積，m2；Qpk—單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；K—安全系數(shù)，取為2；R、Ra—樁基豎向承載力特征值，kPa；Nk—荷載標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向作用力下，kPa，樁基的平均豎向力，kN。

2.2.2樁長確定

根據(jù)垂直極限承載力確定，按γ0Q≤Quk(γ0取1.0)計(jì)算。

2.2.3計(jì)算成果

計(jì)算成果見表1。

表1 主要建筑物樁基豎向承載力計(jì)算成果

從表1計(jì)算結(jié)果可知，樁基處理后均滿足規(guī)范要求。

3 加固效果分析

3.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)排上圩新建泵站地質(zhì)勘察成果資料可以得知，擬建泵站處的土層為：0A層雜填土、1A層粉質(zhì)黏土、1B層粉質(zhì)黏土、1B1層粉土、1C層粉質(zhì)黏土、1D層粉質(zhì)黏土。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料成果，以及計(jì)算樁長、樁間距、泵站規(guī)模及荷載等基本參數(shù)，建議數(shù)值模擬計(jì)算模型。分析采用鉆孔灌注樁加固后在上部泵站施工建設(shè)期間以及施工完成后的運(yùn)行期間，地基的沉降變形情況以及應(yīng)力分布情況。計(jì)算模型如圖1所示，計(jì)算參數(shù)見表2。

圖1 FLAC數(shù)值模擬模型

表2 各土層力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1沉降變形分析

鉆孔灌注樁和樁間土隨著施工過程和施工完成后的變形量如圖2所示。

圖2 沉降變形監(jiān)測結(jié)果

從圖2中可知，鉆孔灌注樁和樁間土沉降量均隨著上部泵站的施工而不斷增大，在泵站施工完成時(shí)達(dá)到最大值，在施工早期，沉降變形速率較大，當(dāng)上部泵站施工完成后，沉降變形量逐漸趨于穩(wěn)定。樁土之間的沉降差值在施工初期處于一個(gè)較小的水平，隨著不斷施工，樁土沉降差值不斷增大，在泵站施工完成時(shí)達(dá)到最大值，之后樁土沉降差值不斷縮小，主要原因是：施工初期荷載較小，樁土共同承擔(dān)上部荷載，之后荷載增大超過樁間土承載力時(shí)，樁間土的沉降變形量不斷增大，當(dāng)施工完成后，上部荷載趨于穩(wěn)定，樁間土固結(jié)沉降，承載力有所提升，樁土沉降差值不斷縮小。

3.2.2樁土應(yīng)力比分析

樁土應(yīng)力比是樁土承擔(dān)荷載差值的反應(yīng)。樁土應(yīng)力比隨施工過程的變化如圖3所示。

圖3 樁土應(yīng)力比

從圖3中可知，施工初期樁土應(yīng)力比較小，在整個(gè)施工期間，隨著上部荷載增大，樁土應(yīng)力比也不斷增大，在施工完成時(shí)達(dá)到最大值，之后樁土應(yīng)力比出現(xiàn)減小現(xiàn)象。施工過程中，上部泵站的荷載不斷增大，當(dāng)超過樁間土的承載力時(shí)，鉆孔灌注樁將承擔(dān)主要荷載，隨著上部荷載不斷施工，在施工完成時(shí)，樁土應(yīng)力比達(dá)到最大值。之后，隨著上部荷載的穩(wěn)定，樁間土的固結(jié)沉降和承載力提升，樁土應(yīng)力比出現(xiàn)減小趨勢。

4 結(jié)論

(1)排上圩泵站土層厚度大，承載力較低，無法承擔(dān)上部荷載。通過對比復(fù)合地基、預(yù)應(yīng)力管樁、鉆孔灌注樁等方案，采取鉆孔灌注樁具有施工簡便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢。

(2)通過數(shù)值模擬分析，加固后的地基沉降量不大于40mm，上部荷載整體沉降量較小，滿足相關(guān)要求。

(3)樁土應(yīng)力比、樁土沉降差隨著上部泵站施工呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，隨著施工進(jìn)度，樁土應(yīng)力比、沉降差不斷增大，施工完成時(shí)達(dá)到最大值，之后出現(xiàn)減小趨勢。