六盤水某污水廠地基處理設(shè)計(jì)與分析

王星星 賴慶文 廖光明 王文彬 艾道武

1.貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 貴陽550002

2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 成都610065

1 工程概況

六盤水市九洞橋污水處理廠位于人民東路、鐘山大道、金水南路之間的地塊，廠區(qū)總占地面積為85038.24m2；設(shè)計(jì)污水處理規(guī)模為10 萬t／d，設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［1］（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)，尾水排至水城河作為水城河補(bǔ)充水。

九洞橋污水處理廠主要污水處理構(gòu)（建）筑物包括：曝氣沉砂池、AAO-MMBR 生物池、二沉池、反硝化濾池、氣浮池、投藥消毒間、鼓風(fēng)機(jī)房、配電房等。

根據(jù)《六盤水市九洞橋污水處理廠巖土工程勘察報(bào)告》，擬建廠區(qū)原地形稍有起伏，后經(jīng)人工回填地形較平坦；污水廠周邊無邊坡滑移、泥石流等不良地質(zhì)構(gòu)造和抗震不利地段。場地內(nèi)巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育；除此外，尚有溶蝕裂隙、溶洞、溝槽、石芽等巖溶形態(tài)發(fā)育，屬于典型喀斯特地貌，對巖體完整性及其工程性能影響較大。該廠區(qū)內(nèi)巖土構(gòu)成及具體巖土特征參數(shù)自上而下如表1 所示，場地內(nèi)具有代表性的地質(zhì)剖面如圖1 所示。

圖1 代表性地質(zhì)剖面Fig.1 Representative geological profile

表1 巖土特征參數(shù)Tab.1 Geotechnical characteristic parameters

廠區(qū)設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高為1781.00m，抗浮設(shè)防水位為1780.85m。各污水處理池基礎(chǔ)底板低于設(shè)防水位約1m～2m；水池結(jié)構(gòu)自重遠(yuǎn)大于水池浮力的1.05 倍，主體結(jié)構(gòu)整體抗浮滿足；基礎(chǔ)底板較厚，經(jīng)計(jì)算通過構(gòu)造配筋能夠滿足局部抗浮設(shè)計(jì)；故結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)滿足要求。同時(shí)地下水位埋藏較淺，在進(jìn)行地基處理方案選型中需分析地下水對地基方案的影響。

2 地基處理方案選擇

2.1 樁基礎(chǔ)

擬建場地若選用中風(fēng)化白云巖作為地基持力層，中風(fēng)化白云巖承載力特征值fak＝3000kPa，需采用端承樁基礎(chǔ)；樁徑約為1.2m，樁間距按7.5m×8.0m布置，需布樁數(shù)約為360 根，平均樁長約20m；樁基礎(chǔ)施工造價(jià)約為1100 萬元?？紤]場地內(nèi)巖溶形態(tài)極為發(fā)育，對成樁可能性及樁基適宜性的影響主要有：

（1）地基巖層中淺埋巖溶洞的發(fā)育，巖體及其基本質(zhì)量特征、基礎(chǔ)上部荷載大小直接影響樁基穩(wěn)定性。

（2）溶溝、溶槽分布不均勻，巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，使得基巖面起伏不平。基礎(chǔ)置于巖層面隆起或斜面處時(shí)，有可能導(dǎo)致樁基礎(chǔ)滑移，基礎(chǔ)存在一定的安全隱患。

（3）采用樁基礎(chǔ)，以中風(fēng)化白云巖作持力層，應(yīng)對柱底應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)有淺埋巖溶洞隙進(jìn)行鑿穿處理，確保基礎(chǔ)具有足夠的嵌巖深度。處理好巖溶對樁基的影響后，采用樁基礎(chǔ)方案才有條件可行。

場內(nèi)巖溶洞隙不均勻性及連通性導(dǎo)致溶洞處理措施及費(fèi)用不可預(yù)見性；同時(shí)場地水位較高，巖溶強(qiáng)發(fā)育，樁身較長，且局部土層、強(qiáng)風(fēng)化及破碎巖體較厚，容易塌孔，不便于施工。根據(jù)一期施工單位樁基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場成樁難度極大，影響工期，且施工人員安全保障度低；經(jīng)設(shè)計(jì)單位結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選用大直徑端承樁的基礎(chǔ)方案不適于本工程。

2.2 換填墊層

換填墊層法是指把基礎(chǔ)下部一定深度范圍內(nèi)的軟弱土層全部或部分挖去，然后換填性能較好的材料作為地基的持力層的一種地基處理方法。通過換填墊層處理提高地基承載力、減少沉降變形；適用于淺層軟弱土層及不均勻土層的地基處理；常用換填材料為級配碎石、礦渣、粉煤灰等。

考慮到場地內(nèi)地下水位埋藏較淺，水位頻繁變動導(dǎo)致?lián)Q填材料中級配顆粒被沖走而影響換填效果。同時(shí)，換填墊層的施工質(zhì)量控制要求高，需分層碾壓分層檢測合格后方可進(jìn)行上一層鋪填，施工周期長、施工質(zhì)量無法保證；對沉降敏感、上部荷載大的生物池、濾池、二沉池等尺寸較大的構(gòu)筑物使用換填墊層的處理方案存在較大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)中對一體化處理設(shè)備基礎(chǔ)、污泥池、污水回流井、檢測用房及門衛(wèi)室等基底反力荷載輕、單體尺寸小的污水處理輔助構(gòu)筑物采用換填墊層進(jìn)行地基處理，既經(jīng)濟(jì)又能保證工程質(zhì)量。

2.3 沉管灌注樁復(fù)合地基

沉管灌注樁是剛性樁復(fù)合地基處理的一種，適用于黏性土、粉土、素填土等土層；剛性樁的樁體可采用鋼筋混凝土樁、素混凝土樁、預(yù)應(yīng)力管樁等剛性樁［2］。沉管灌注樁是目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的一種樁型，具有成樁速度快、施工周期短、設(shè)備簡單、無泥漿污染、場地整潔美觀的優(yōu)點(diǎn)［3］。

根據(jù)本工程現(xiàn)場鉆探揭露的地質(zhì)條件，考慮到該項(xiàng)目工期較緊，經(jīng)多方案地基處理比選并根據(jù)地勘報(bào)告對生物池、二沉池、反硝化濾池、氣浮池采用沉管灌注樁復(fù)合地基進(jìn)行地基加固處理的方案成樁可行性較高。

3 地基處理設(shè)計(jì)

3.1 沉管灌注樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

荷載作用下，剛性樁與天然地基土體通過變形協(xié)調(diào)共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載作用。初步設(shè)計(jì)時(shí)，由樁周土和樁端土及樁身材料強(qiáng)度提供的單樁豎向抗壓承載力特征值按式（1）、式（2）計(jì)算，取計(jì)算結(jié)果的較小值［2］。

式中：Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值；Ap為單樁面積；up為樁的周長；n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi為第i層土的樁側(cè)摩阻力特征值；li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度；qp為樁端土地基承載力特征值，強(qiáng)風(fēng)化白云巖取500kPa；α為樁端土地基承載力折減系數(shù)，取1.0；fcu為樁體抗壓強(qiáng)度平均值，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C25，fcu＝11300kPa；η為樁體強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.33。

復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)或采用增強(qiáng)體靜載荷試驗(yàn)結(jié)果和其周邊土的承載力特征值結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定。初步設(shè)計(jì)時(shí)，可按下列公式估算［4］：

式中：λ 為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，本工程取1.0；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.65；fspk為復(fù)合地基承載力特征值；fsk為處理后樁間土承載力特征值，取108kPa；m為面積置換率，m＝d2＝0.060428。

樁徑d＝0.5m，樁間距S＝1.80m，呈正方形布置；僅考慮粉質(zhì)黏土取平均土層厚度為6m（計(jì)算側(cè)阻力有效樁長），樁側(cè)摩阻力特征值qsi＝20kPa；忽略淤泥層及素填土層側(cè)摩阻力實(shí)際平均樁長約為10m；由式（1）、式（2）計(jì)算的單樁抗壓強(qiáng)度特征值Ra分別為286kPa、731kPa，取特征值較小者Ra＝286kPa；由式（3）得處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk＝154kPa。

根據(jù)地質(zhì)資料剖面圖，擬建場地內(nèi)生物池、二沉池、氣浮池、反硝化濾池、接觸消毒池、中間提升泵房等荷載大、平面尺寸長的主要污水處理構(gòu)筑物基礎(chǔ)下的地基采用沉管灌注樁復(fù)合地基處理方案。沉管灌注樁的平面布置及樁基礎(chǔ)的立面配筋如圖2、圖3 所示。

圖2 沉管灌注樁平面布置Fig.2 Plane layout of immersed cast-in-place piles

圖3 沉管樁立面配筋Fig.3 Reinforcement of immersed pile facade

沉管灌注樁布置間距，除反硝化濾池間距為1.70m×1.70m外；其余單體構(gòu)筑物均為1.80m ×1.80m；沉管樁的長度按實(shí)際，并應(yīng)按貫入度的入土深度控制樁長，樁端支承于強(qiáng)風(fēng)化巖；因場地內(nèi)巖石面起伏較大，當(dāng)樁頂離巖石面距離大于15m時(shí)，沉管樁的長度按15m樁長進(jìn)行施工，當(dāng)樁端支承于強(qiáng)風(fēng)化面樁長小于6m 時(shí)，樁應(yīng)嵌入強(qiáng)風(fēng)化巖0.5m。按上述復(fù)合地基處理計(jì)算公式，計(jì)算可知處理后的地基承載力特征值滿足上部結(jié)構(gòu)荷載要求。

地基變形驗(yàn)算按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］5.3.5 條進(jìn)行基礎(chǔ)沉降計(jì)算，在PKPM 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊中輸入沉降計(jì)算相關(guān)地質(zhì)資料。經(jīng)計(jì)算二沉池標(biāo)準(zhǔn)組合下最大基底反力為110kPa ＜fspk＝154kPa，平均基底反力為80kPa。二沉池基礎(chǔ)底板沉降變形如圖4 所示，沉管灌注樁中心沉降變形最大為155.26mm，筏板最大沉降為123mm，位于二沉池底板基礎(chǔ)的右上角局部位置處；基礎(chǔ)底板平均沉降變形約為77mm，小于工藝設(shè)備安裝運(yùn)行允許平均沉降變形125mm。不均勻沉降差引起的二沉池整體傾斜為（123-77）／42000 ＝0.0011 ＜0.004；二沉池地基經(jīng)處理后其復(fù)合地基承載力及沉降變形均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

圖4 二沉池底板沉降云圖（單位：mm）Fig.4 Cloud chart of bottom plate settlement of secondary sedimentation tank（unit：mm）

各單體構(gòu)筑物地基處理計(jì)算結(jié)果如表2 所示，基礎(chǔ)底板平均沉降變形均小于工藝設(shè)備安裝運(yùn)行允許平均沉降變形125mm，基礎(chǔ)平均地基反力均小于處理后的地基承載力fspk＝154kPa。處理后的復(fù)合地基各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表2 其他構(gòu)筑物沉管樁地基處理結(jié)果Tab.2 Results of foundation treatment for immersed pipe piles of other structures

3.2 換填墊層設(shè)計(jì)

考慮到地基處理的經(jīng)濟(jì)性及施工的便捷性，對一體化處理設(shè)備基礎(chǔ)、污泥池、污水回流井、檢測用房及門衛(wèi)室等平面尺寸小、結(jié)構(gòu)荷載輕的構(gòu)筑物采用換填墊層進(jìn)行地基處理。換填材料采用級配良好的碎石，并進(jìn)行分層碾壓合格后方可進(jìn)入下道工序；換填厚度為1.2m，換填后的地基承載力為160kPa?；A(chǔ)換填墊層做法見圖5 所示，按規(guī)范［4］第4.2.2 條計(jì)算得最大荷載單體的軟弱下臥層的地基承載力pz＋pcz＝83kPa ＜faz＝95kPa；墊層地基的變形由墊層自身變形和下臥層變形組成，根據(jù)規(guī)范［5］5.3.5 條對換填墊層地基的變形進(jìn)行計(jì)算得s＝35mm ＜77mm，平均沉降變形滿足規(guī)范要求。換填墊層設(shè)計(jì)時(shí)，需按地基規(guī)范6.2.2 條3 款考慮巖土界面上存在軟弱層（如泥化帶）對地基整體穩(wěn)定性的影響。根據(jù)地基規(guī)范第5.4.1 條對巖土界面采用圓弧滑動面法進(jìn)行驗(yàn)算，最危險(xiǎn)的滑動面上產(chǎn)生的抗滑力矩MR＝148.6kN·m，滑動力矩MS＝94.5kN·m；MR／MS＝1.57 ＞1.2，即巖土界面處軟弱土層整體穩(wěn)定。

圖5 基礎(chǔ)換填墊層示意Fig.5 Schematic diagram of foundation replacement cushion layer

3.3 原有樁基礎(chǔ)利用

原一期建設(shè)的粗細(xì)格柵沉砂池結(jié)構(gòu)為樁基礎(chǔ)，已經(jīng)于2014 年施工完成（原設(shè)計(jì)各單體構(gòu)筑物基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，施工單位在施工細(xì)格柵池樁基礎(chǔ)時(shí)出現(xiàn)塌孔、溶洞處超灌混凝土、持力層深、樁長普遍大于30m、成樁困難、經(jīng)濟(jì)性差等問題，投資超預(yù)算），后因業(yè)主原因該粗細(xì)格柵池上部結(jié)構(gòu)未修建。二期擴(kuò)建時(shí)，考慮到原設(shè)計(jì)的粗細(xì)格柵樁基礎(chǔ)已實(shí)施，為節(jié)約投資，業(yè)主想利用原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)作為新建格柵池的基礎(chǔ)，為此在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，在不影響結(jié)構(gòu)安全的情況下盡量使工藝平面與原設(shè)計(jì)工藝圖相一致，但仍有部分新建柱與樁基礎(chǔ)不重合，新建筏板基礎(chǔ)外輪廓尺寸與原始設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)平面相吻合，如圖6 所示。

圖6 沉砂池原有樁基布置Fig.6 The original pile foundation layout of the sand settling tank

本次粗細(xì)格柵設(shè)計(jì)充分考慮業(yè)主訴求，利用原有樁基礎(chǔ)作為粗細(xì)格柵池的基礎(chǔ)，面臨的問題有：1）需請第三方檢測機(jī)構(gòu)對原有樁基礎(chǔ)進(jìn)行承載力和樁身完整性檢驗(yàn)，影響工期；2）部分新建柱并未與原有樁基礎(chǔ)重合，需重新進(jìn)行挖樁，現(xiàn)場施工困難。鑒于以上問題按照沉管灌注樁設(shè)計(jì)思路，在原樁基礎(chǔ)范圍內(nèi)鋪設(shè)500mm 厚級配良好的碎石，并按換填墊層的施工要求，以保證上部結(jié)構(gòu)能夠有較好的變形協(xié)調(diào)能力。級配碎石換墊層施工完成并檢測合格滿足承載力要求后，再進(jìn)行新建格柵池筏板基礎(chǔ)施工。

4 單樁靜載荷試驗(yàn)

通過沉管灌注樁靜載試驗(yàn)，可確定樁的入土深度及合理的拔管速度和充盈系數(shù)。在相同的地質(zhì)條件下，試驗(yàn)樁的數(shù)量不少于2 根；本工程結(jié)合地勘報(bào)告及構(gòu)筑物的重要性分別選擇生物池、反硝化濾池、二沉池、氣浮池基礎(chǔ)范圍內(nèi)有代表性場地及地質(zhì)情況復(fù)雜的位置布置試驗(yàn)樁。反硝化濾池試驗(yàn)樁布置如圖7 所示，沉管至設(shè)計(jì)標(biāo)高或至持力層后，根據(jù)沉管時(shí)地質(zhì)變化情況確定拔管速度并推算各種土層混凝土充盈系數(shù)不小于1；對于充盈系數(shù)小于1.0 的樁，應(yīng)全長復(fù)打，對可能斷樁和縮頸樁，應(yīng)進(jìn)行局部復(fù)打。試驗(yàn)樁施工完成后，根據(jù)試樁確定的施工工藝和參數(shù)進(jìn)行沉管灌注樁的施工。

圖7 濾池試驗(yàn)樁布置Fig.7 Layout of filter test piles

根據(jù)檢測單位對試驗(yàn)樁的靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理可得反硝化濾池、生物池復(fù)合地基試驗(yàn)樁的荷載-沉降曲線，如圖8、圖9 所示。所有試驗(yàn)樁荷載加至設(shè)計(jì)承載力特征值的2 倍時(shí)，均未達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。因此，處理后的復(fù)合地基承載力及單樁承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 濾池復(fù)合地基荷載-沉降曲線Fig.8 Load displacement curve of filter composite foundation

圖9 生物池復(fù)合地基荷載-沉降曲線Fig.9 Load displacement curve of biological pool composite foundation

5 地基處理施工

沉管灌注樁施工工藝步驟如下：場地平整及地上障礙物清理→樁基設(shè)備進(jìn)場安裝調(diào)試→測量放線定位→樁基設(shè)備就位→樁管和樁尖就位→靜壓沉管→終止壓管→放置鋼筋籠→澆灌混凝土→拔管→移機(jī)→單樁施工完畢。場地內(nèi)施工完成的沉管灌注樁如圖10 所示。

圖10 沉管灌注樁施工現(xiàn)場Fig.10 Construction site of immersed cast-in-place pile

沉管灌注樁成樁過程中應(yīng)符合：1）施工前應(yīng)按設(shè)計(jì)要求在室內(nèi)進(jìn)行配合比試驗(yàn)，施工時(shí)應(yīng)按配合比配置混合料；2）沉管灌注樁成樁施工拔管速度應(yīng)勻速，宜控制在1.5m／min～2m／min，遇淤泥或淤泥質(zhì)土?xí)r，拔管速度應(yīng)取低值；3）樁頂超灌高度不應(yīng)小于0.5m，成樁過程中，應(yīng)抽樣做混合料試塊，每臺機(jī)械一天應(yīng)做一組3 塊試塊，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)并應(yīng)測定其立方體抗壓強(qiáng)度；4）挖土和截樁時(shí)應(yīng)注意對樁體及樁間土保護(hù)，褥墊層鋪設(shè)宜采用靜力壓實(shí)法。當(dāng)樁間土含水量較小時(shí)，也可采用動力夯實(shí)法。褥墊層夯填度不大于0.9。

基礎(chǔ)換填墊層施工需注意：1）墊層應(yīng)分層進(jìn)行密實(shí)度檢驗(yàn)，在施工結(jié)束后進(jìn)行承載力檢驗(yàn)；2）高填方地基應(yīng)分層填筑，分層壓（夯）實(shí)、分層檢驗(yàn)，且處理后的高填方地基應(yīng)滿足密實(shí)和穩(wěn)定性要求：3）壓實(shí)、夯實(shí)地基應(yīng)進(jìn)行承載力、密實(shí)度及處理深度范圍內(nèi)均勻性檢驗(yàn)，壓實(shí)地基的施工質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)分層進(jìn)行。

為了掌握各建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)沉降變形情況，基礎(chǔ)施工完成后可在基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)上設(shè)置沉降觀測點(diǎn)；在施工及使用期間須對基礎(chǔ)進(jìn)行沉降觀測，使其平均沉降量小于規(guī)范允許值。

6 結(jié)語

廠區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理施工于2023 年3月底完成，基礎(chǔ)及上部主體結(jié)構(gòu)于5 月底完成；6 月完成閉水試驗(yàn)，合格后進(jìn)行設(shè)備安裝調(diào)試，8月污水廠正式投產(chǎn)運(yùn)行。目前，基礎(chǔ)承載力滿足要求，沉降變形觀測遠(yuǎn)低于規(guī)范允許值，運(yùn)行效果較好。通過對六盤水九洞橋二期污水處理廠地基處理與設(shè)計(jì)分析有以下幾點(diǎn)總結(jié)：

1.巖溶發(fā)育的場地內(nèi)其巖體完整性對地基基礎(chǔ)工程影響較大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合地勘報(bào)告進(jìn)行多方案比選。

2.本工程沉管灌注樁間距為1.8m，呈正方形布置，平均樁長10m，處理后的復(fù)合地基承載力為154kPa，單樁承載力為280kN，均能滿足上部結(jié)構(gòu)荷載要求。

3.換填墊層用于污泥池、污水回流井等小型構(gòu)筑物地基處理既能保證結(jié)構(gòu)安全又經(jīng)濟(jì)可靠；粗細(xì)格柵池充分利用原有樁基礎(chǔ)，可有效減少基礎(chǔ)處理費(fèi)用。