預(yù)應(yīng)力管樁在保定壩排澇泵站工程地基處理中運(yùn)用研究

侯冠華

（蕪湖市搏翔水利工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

當(dāng)前，排澇泵站建設(shè)工程項(xiàng)目越來越多，其地基處理施工也受到廣泛關(guān)注，地基的穩(wěn)定性決定了泵站安全運(yùn)行，在必要情況下，需采用合適的手段進(jìn)行地基加固，促進(jìn)整個(gè)工程的順利建設(shè)，確保排澇泵站功能的發(fā)揮。

1 研究意義

當(dāng)前排澇泵站建設(shè)工程中，大都存在軟土地基情況，這類地基的特點(diǎn)是力學(xué)性質(zhì)頗差，實(shí)際承載力較小，不僅制約泵站建設(shè)工程的推進(jìn)，同時(shí)，建成后泵站的運(yùn)行安全也難以保障。如建筑物沉降量過大現(xiàn)象等。因此，對軟土地基進(jìn)行加固處理是很有必要的，其加固處理的目的是提升地基土承載力，滿足實(shí)際工程建設(shè)的需求，保證建設(shè)的安全。當(dāng)前，對軟土地基的處理手段較多，包括換填法、水泥攪拌樁法、預(yù)應(yīng)力管樁法以及擠密碎石樁法等，具體采用哪種方法需結(jié)合工程地質(zhì)實(shí)際情況，本文主要研究了預(yù)應(yīng)力管樁法在處理排澇泵站軟土地基中的運(yùn)用，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于單樁的承載力頗高，設(shè)計(jì)應(yīng)用的范圍較廣泛，布樁時(shí)具有一定的靈活性，樁基直徑可進(jìn)行調(diào)整，能夠充分發(fā)揮單根樁的承載效果，在施工時(shí)還具有速度快、簡單易操作的特征，結(jié)合該方法特點(diǎn)分析其處理地基后承載力值，此次研究以保定壩排澇泵站工程建設(shè)項(xiàng)目為例，研究結(jié)果有助于幫助完善地基處理方案，推動(dòng)工程建設(shè)[1]。

2 工程概況

保定壩排澇泵站所處位置為繁昌區(qū)孫村鎮(zhèn)五聯(lián)圩境內(nèi)。該排澇站負(fù)責(zé)控制集雨的總面積約為15.68km2。站址坐落在黃滸河中游右岸，保定壩河口位置，西南方向?yàn)辄S滸河，東方方向?yàn)樯角饏^(qū)，當(dāng)?shù)匮雌跐乘饕鞘褂帽谜緛沓榕?，現(xiàn)今存在的排澇工程由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，且建成年代頗早，導(dǎo)致排澇效果較差，許多機(jī)泵設(shè)備還存在老舊、性能下降情況，排澇能力較差，因而排澇受到阻礙。保定壩排澇泵站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用10 年遇，其中水田采用最大3d 暴雨3d 排至作物耐淹水深，旱作物采用3d 暴雨3d 排干。設(shè)計(jì)排水流量每秒10.2m3，工程等別為Ⅲ等，中型工程，永久性主要建筑物級別為3 級，次要建筑物級別為4 級，臨時(shí)建筑物級別為5 級。保定壩排澇泵主體位置的地基軟土層比較厚，因而實(shí)際承載力較低，難以滿足上部建筑結(jié)構(gòu)的荷載要求，為了保證圩內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展，需采取一定措施對地基進(jìn)行加固處理，本項(xiàng)目工程研究中采用預(yù)應(yīng)力管樁方式[2]。

3 保定壩排澇泵站地基施工處理中預(yù)應(yīng)力管樁的運(yùn)用

3.1 樁基的處理方案

結(jié)合實(shí)際地基情況以及上部荷載的特征，澇泵站基礎(chǔ)主要是位于軟土層當(dāng)中，因而不能夠直接使用天然土層做地基，需采取預(yù)應(yīng)力管樁處理手段，樁端要切實(shí)進(jìn)入砂礫石層內(nèi)。在排澇泵站的主廠房地基位置處，主要是采用規(guī)格為φ400 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，管壁厚約為95mm，使用時(shí)為PHC 型B 組。為了確保樁基應(yīng)用的合理性，需對單樁的承載力進(jìn)行計(jì)算，首先是計(jì)算其豎向承載力，根據(jù)樁身周長、樁側(cè)土層極限側(cè)阻力的標(biāo)準(zhǔn)值以及樁端面積值來計(jì)算；其次是計(jì)算其加固后的復(fù)合地基承載力，根據(jù)單樁豎向承載力、樁的面積置換率及樁間土承載力特征值來進(jìn)行計(jì)算。最后的計(jì)算結(jié)果中，預(yù)應(yīng)力管樁單樁豎向承載力值為160kN，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為115kPa，沿著順?biāo)鞯姆较颍谂艥潮谜緩S房地基布置10 排預(yù)應(yīng)力管樁，排間距控制在2.1m，單排布置樁數(shù)為11 根，樁與樁之間間距約為1.7～2.1m，總共樁數(shù)為110 根，樁長的平均值為20m，通過對其廠房上部分結(jié)構(gòu)樁位情況的地基應(yīng)力計(jì)算，考慮到豎向荷載在施工期、完建期的不同工況，計(jì)算結(jié)果的豎向單樁最大荷載為132kN，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為106kPa，均小于上述計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)值，因而可確認(rèn)預(yù)應(yīng)力管樁設(shè)計(jì)滿足實(shí)際要求[3]。

3.2 預(yù)應(yīng)力管樁的施工工藝

3.2.1 樁位測放

預(yù)應(yīng)力管樁在實(shí)際施工布置之前，需要做好充分的準(zhǔn)備工作，首先是實(shí)施測量放線，精準(zhǔn)把控建筑物控制點(diǎn)，做好校準(zhǔn)，其樁點(diǎn)誤差值不能夠超過2cm，在進(jìn)行施放之后還要進(jìn)行復(fù)核，并做好相應(yīng)定位測量的記錄與報(bào)審，讓甲方單位對樁位的精準(zhǔn)度進(jìn)行確認(rèn)，與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行對比，查看是否發(fā)生樁位偏移或是放置錯(cuò)漏情況。樁位的測放會(huì)直接影響到預(yù)應(yīng)力管樁的承載特性，對最終地基處理的效果也有著深刻影響。

3.2.2 調(diào)整樁機(jī)及吊樁處理

實(shí)施壓樁之前，需要對打樁機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，主要采用經(jīng)緯儀來優(yōu)化調(diào)正，讓導(dǎo)軌保持垂直狀態(tài)，在進(jìn)行壓樁的過程中，也要保持定期檢查樁機(jī)，始終控制其導(dǎo)軌的垂直度。在進(jìn)行吊樁處理過程中，需保證操作嚴(yán)格遵循安全技術(shù)規(guī)程，吊臀位置的下方不可站人，壓裝機(jī)也要防止出現(xiàn)傾斜狀況，避免預(yù)應(yīng)力管樁從鋼絲繩當(dāng)中脫離而出。在樁機(jī)就位之前，需根據(jù)測得的樁位布置好地樁，樁位中心的定位使用圓鋼筋進(jìn)行，樁位置上需要畫出圓形標(biāo)記，以管樁的外直徑參數(shù)為準(zhǔn)畫出圓形，待到樁機(jī)就位之后，將對準(zhǔn)圓形標(biāo)記實(shí)施吊起，將地樁作為中心，逐漸將管樁插入指定位置。在插樁完成以后，對樁機(jī)、樁身以及壓樁油缸進(jìn)行調(diào)整，保證三者處于同一直線。

3.2.3 壓下節(jié)樁及接樁

管樁在壓進(jìn)初期時(shí)，需要將下節(jié)樁壓入，保持低速壓進(jìn)，避免過快導(dǎo)致樁位偏移或遇到障礙物，給壓樁方向造成影響，對于壓入時(shí)遇到硬土層情況，則是要適當(dāng)增加壓柱力，有效穿過硬土層，避免樁身的拉應(yīng)力過大，因此需實(shí)時(shí)把控壓力值的變化。在接樁處理時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證下節(jié)樁留出地表1cm 左右停止，然后將油缸提起檢查下節(jié)樁是否存在損傷情況，對樁頂部的雜物進(jìn)行清理，吊起上節(jié)樁與下節(jié)樁頂部進(jìn)行對接，對接時(shí)需保證中心對其、周邊對正，還要校正整體的垂直度，對于接樁的接觸面要保證嚴(yán)絲合縫，確保平穩(wěn)后就可進(jìn)行樁焊接，采用的焊接形式為上下樁法蘭外接邊焊接，至少需要兩名焊接技術(shù)人員，同時(shí)進(jìn)行兩邊焊接，選擇合適的焊條，保證焊接質(zhì)量的達(dá)標(biāo)性。焊接時(shí)先將四份點(diǎn)焊牢，再以對稱為原則焊實(shí)，焊后接頭需保證其自然冷卻，約一分鐘后再施加壓力。除此之外，需盡可能控制接樁時(shí)間，不可時(shí)間過長，否則樁周圍的土層可能會(huì)重新固結(jié)，導(dǎo)致沉樁的效果不佳，最后按照質(zhì)量規(guī)定驗(yàn)收即可。

3.2.4 壓樁至設(shè)計(jì)要求

將預(yù)應(yīng)力管樁樁體焊接完成并做好垂直度校準(zhǔn)之后，需對樁身表面涂抹防腐材料，隨后繼續(xù)進(jìn)行壓樁。在整個(gè)過程中都應(yīng)當(dāng)將每米壓力值實(shí)時(shí)記錄，保證施工參數(shù)的合理性，還有對高程值進(jìn)行測量，從樁頂標(biāo)高實(shí)時(shí)測量，控制樁的壓入深度，送樁機(jī)設(shè)備要保證底面整潔及垂直度達(dá)標(biāo)，最后將管樁壓到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)即可。在停壓時(shí)，需以壓力值為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施停壓，若是其壓力值已經(jīng)超長但壓入深度仍未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則需做好記錄。

3.2.5 樁措施

若出現(xiàn)樁頂標(biāo)高與設(shè)計(jì)不相符情況，尤其是超出設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，則需采用截樁手段，要想控制截樁后的管樁質(zhì)量達(dá)標(biāo)，一般不適用風(fēng)鎬工具或大錘工具強(qiáng)行截樁操作，而是采用專用工具來截割。截樁后還需等待一段時(shí)間才能就地基位置進(jìn)行基坑開挖施工，保證樁身的完整度，還需在開挖過程中采取保護(hù)措施，確保分層、勻速開挖，避免側(cè)壓力過大而出現(xiàn)管樁變形情況。

3.3 預(yù)應(yīng)力管樁的加固效果

3.3.1 開展現(xiàn)場試驗(yàn)

預(yù)應(yīng)力管樁在施工完成后需對其圍封加固的效果進(jìn)行研究，主要是將復(fù)合地基土的承載力特征值充分獲取，在現(xiàn)場開展對應(yīng)的荷載試驗(yàn)，判斷其加固后的荷載效果，其試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1、表2 結(jié)果分析可發(fā)現(xiàn)，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程對樁基進(jìn)行逐級增壓，并持續(xù)加載到設(shè)計(jì)值的2.0 倍時(shí)，末級荷載對應(yīng)的地基沉降量以及完全卸載后的地基殘余沉降量均較小，回填率均在20%以上。以上情況表明，試驗(yàn)點(diǎn)地基受壓尚未進(jìn)入極限狀態(tài)，單樁承載力及復(fù)合地基承載力特征值均有少許余量。由此可見，保定壩排澇泵站的地基運(yùn)用預(yù)應(yīng)力管樁可得到良好加固效果[4]。

表2 單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 加固效果的數(shù)值模擬

對預(yù)應(yīng)力管樁對地基加固效果實(shí)施數(shù)值模擬分析，整體泵站地基土層結(jié)構(gòu)中包含著人工填土、粉砂、淤泥質(zhì)土、粘性土、砂礫石以及粉土等，為了對數(shù)值模擬模型進(jìn)行簡化，根據(jù)土層的性質(zhì)，主要將研究項(xiàng)目地基的土層劃分為四種，包括人工填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)壤土以及砂礫石，再結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)的樁間距值與樁長度值進(jìn)行模型構(gòu)建，主要分析預(yù)應(yīng)力管樁運(yùn)用后，其上部分施工與后續(xù)運(yùn)行中各項(xiàng)參數(shù)的變化，包括樁間土變形、管樁變形以及樁土應(yīng)力比的變化。各個(gè)地層的力學(xué)參數(shù)如表3 所示。

表3 各地層力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.3.3 數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)對排澇泵站主體的施工期間及施工完成之后預(yù)應(yīng)力管樁、樁間土沉降情況的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其進(jìn)行泵站施工與運(yùn)行使用階段，預(yù)應(yīng)力管樁及樁間土的沉降量都一直處于逐漸增大狀態(tài)，進(jìn)行施工過程中的沉降量變化速率較穩(wěn)定，因此施工節(jié)奏是均勻的，會(huì)隨著上部荷載的增大而增加沉降量。但待到施工完成之后，其沉降量的速率會(huì)下滑，沉降一段時(shí)間后會(huì)逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在實(shí)際施工的初期階段，管樁沉降與樁間土沉降的差值不大，這是由于上部分主體結(jié)構(gòu)荷載值頗小，而施工的不斷推進(jìn)之后，泵站的荷載也會(huì)變大，逐漸超過樁間土的承載力，因而樁間土的變形也會(huì)更明顯，速率增加，兩者的沉降差值也會(huì)加大，在最終泵站施工完成時(shí)刻，預(yù)應(yīng)力管樁與樁間土沉降的差值會(huì)最大，在運(yùn)行泵站后，樁間土?xí)饾u固結(jié)，因此沉降差值也會(huì)逐漸縮小。

對預(yù)應(yīng)力管樁與樁間土之間的承受荷載比值進(jìn)行分析，即研究樁土應(yīng)力比值，該項(xiàng)參數(shù)值越大則表明兩者承受荷載的差值越大，在排澇泵站的施工階段與完工階段時(shí)，樁土應(yīng)力比值的變化情況如下：開始進(jìn)行泵站施工后，由于其上部荷載處于一個(gè)逐步增加的狀態(tài)，而初期階段荷載是比較小的，一般要小于樁間土的承載力，因而預(yù)應(yīng)力管樁和樁間土承受荷載值基本相等，應(yīng)力比也較小，但在上部荷載增加情況下，當(dāng)其超過了樁間土的承載力，預(yù)應(yīng)力管樁荷載值與樁間土荷載值拉大差距。在完工階段，上部荷載會(huì)趨向于穩(wěn)定，而樁間土也開始固結(jié)，承載力會(huì)比較強(qiáng)，因而其應(yīng)力比也會(huì)開始下降。

4 結(jié)語

綜上所述，保定壩排澇泵站工程地基具有軟土層較厚的特點(diǎn)，因此其承載力無法切實(shí)保障上部建筑結(jié)構(gòu)的安全，可采用預(yù)應(yīng)力管樁方法進(jìn)行地基加固處理，形成樁土復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高實(shí)際承載力值。由本文分析可知，在管樁施工完成后，對其現(xiàn)場開展荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其承載力可達(dá)到泵站建設(shè)的設(shè)計(jì)要求，上部泵站實(shí)際施工過程中，樁土沉降差會(huì)逐漸增大，但施工完成后沉降差值又會(huì)減小，其應(yīng)力比值也是先上升后下降，整體來看，預(yù)應(yīng)力管樁法在其地基加固處理中的應(yīng)用具有可行性。