預(yù)應(yīng)力管樁在二明竇排澇泵站地基處理中的應(yīng)用

鄭 銳

（臨汾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西 臨汾 041000）

1 引言

軟土地基力學(xué)性質(zhì)差，承載力低，是制約工程建設(shè)的一個(gè)重要因素。建筑物修建于軟土地基上，極易出現(xiàn)沉降量過大等問題。針對(duì)軟土地基進(jìn)行地基處理是十分必要的，可提高地基土的承載力，滿足承載力要求，從而保證上部主體結(jié)構(gòu)的安全。目前，針對(duì)軟土地基主要采用以下方式進(jìn)行處理：真空預(yù)壓法、擠密碎石樁法、換填法、預(yù)應(yīng)力管樁等。不同的處理方式適用于不同的地質(zhì)情況，需要結(jié)合實(shí)際情況采取合理的方法。數(shù)值模擬是巖土工程領(lǐng)域極為常用的研究方法，具有模型建立簡(jiǎn)便、計(jì)算速度快、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)。結(jié)合二明竇泵站工程，研究預(yù)應(yīng)力管樁在泵站軟土地基處理工程的應(yīng)用。

2 工程概況

二明竇排澇泵站位于中山市古鎮(zhèn)西部順成河出口海洲水道東岸。二明竇排澇泵站控制集雨面積15.1 km2?，F(xiàn)有排澇工程標(biāo)準(zhǔn)低，裝機(jī)容量不足，主要的排澇河道二明竇段內(nèi)河涌?jī)H寬4 m，二明竇水閘凈寬3.5 m，加之違章建筑擠占河道，嚴(yán)重阻塞了排澇暢通。二明竇排澇泵站按10年一遇24 h 暴雨一日排干的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)排水流量為27.6 m3/s，泵站裝機(jī)3 臺(tái)，總裝機(jī)容量2130 kW，屬中型工程，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3 級(jí)。防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)的外江水位4.65 m。

3 樁基處理方案

根據(jù)地基和上部荷載特性，泵站主廠房基礎(chǔ)處理采用Φ500 預(yù)應(yīng)力砼管樁，管樁采用PHC型AB 組，壁厚為125 mm。

①單樁豎向承載力計(jì)算

端承摩擦型樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)下式計(jì)算單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值：

式中：Ra單樁豎向承載力特征值，kN；u 樁身周長(zhǎng)，m；qsia樁側(cè)第i 層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Li樁穿越第i 層土的厚度，m；qpa極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa：Ap樁端面積，m2。

②單樁水平承載力計(jì)算

單樁水平承載力設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算：

式中：Rh單樁水平承載力特征值，kN；α 樁的水平變形系數(shù)；EI 樁身抗彎剛度；χoa樁頂容許水平位移；γx樁頂水平位移系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，Φ500 預(yù)應(yīng)力管樁單樁豎向承載力特征值為1044.84 kN，考慮水平力群樁效應(yīng)的單樁水平承載力特征值為139.34 kN。

泵房主廠房基礎(chǔ)下部順?biāo)鞣较蚬膊紭? 排，排距2.0 m～2.7 m，每排布7 根樁，樁距2.8 m～3.0 m，總樁數(shù)42 根，平均樁長(zhǎng)17m。根據(jù)泵房主廠房上部結(jié)構(gòu)的地基應(yīng)力和樁位布置，最大豎直荷載按完建無水期考慮，最大水平荷載按校核洪水位時(shí)考慮。經(jīng)計(jì)算，單樁豎向荷載為761 kN，小于單樁豎向承載力特征值1044.84 kN，單樁水平荷載為136.4 kN，小于單樁水平承載力特征值（考慮水平力群樁效應(yīng)）139.34 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。為增強(qiáng)泵站主廠房的抗?jié)B穩(wěn)定性，主廠房基礎(chǔ)四周采用φ500水泥攪拌樁圍封，樁距0.4 m，平均樁長(zhǎng)9 m。

4 預(yù)應(yīng)力管樁加固效果分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為研究預(yù)應(yīng)力管樁以及水泥攪拌樁圍封加固后的效果，獲取處理后的復(fù)核地基土的承載力特征值，現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)分析?，F(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 載荷試驗(yàn)結(jié)果

表1 中的現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)結(jié)果表明：使用預(yù)應(yīng)力管樁處理后的樁土復(fù)合地基承載力明顯提升。其中預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)承載力較大，載荷試驗(yàn)結(jié)果約為380 kPa。樁間土承載力在管樁施工的擠密作用影響下也有了較為顯著的提升，檢測(cè)結(jié)果表明樁間土承載力約為140 kPa。綜合計(jì)算，采用預(yù)應(yīng)力管樁處理結(jié)合水泥土攪拌樁圍封后的復(fù)核地基承載力約為220 kPa，滿足要求的承載力特征值。由現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)結(jié)果可知，二明竇泵站地基采用預(yù)應(yīng)力管樁處理效果較好。

4.2 加固效果數(shù)值模擬分析

4.2.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)二明竇泵站地質(zhì)勘察成果可知，泵站的地基土層主要是：素填土、淤泥質(zhì)土(淤泥質(zhì)粉砂、淤泥質(zhì)粘土)、粉砂、粘性土、粉土、花崗巖。為簡(jiǎn)化數(shù)值模擬模型，按照土層性質(zhì)，將地基土層主要分為：素填土、淤泥質(zhì)土、粘性土、花崗巖4 種類型。依據(jù)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)及樁間距建立數(shù)值模擬模型。分析采用預(yù)應(yīng)力管樁處理后，上部建筑施工以及后期運(yùn)行過程中，預(yù)應(yīng)力管樁、樁間土的變形情況以及樁土應(yīng)力比的變化特征。數(shù)值模擬計(jì)算模型見圖1，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)

4.2.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

（1）沉降變形分析

主體泵站施工期間以及施工完成后，預(yù)應(yīng)力管樁和樁間土的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖2。從圖2 中可以看出，在泵站施工和運(yùn)行期間，預(yù)應(yīng)力管樁和樁間土的沉降量隨著時(shí)間變化逐漸增大，在施工期間，沉降變形速率基本保持穩(wěn)定，這主要是因?yàn)槭┕て陂g，施工速度較為均勻，上部結(jié)構(gòu)荷載均勻增大。泵站施工完成后，沉降變形速率有所下降，直至運(yùn)行一段時(shí)間后沉降變形逐漸穩(wěn)定。在施工初期，樁間土與管樁的沉降差值較小，主要原因是上部主體結(jié)構(gòu)荷載較??；隨著施工進(jìn)行，泵站荷載逐漸增大，直至超過樁間土的承載力，此時(shí)，樁間土的變形速率較管樁變形速率大，管樁與樁間土的沉降差值不斷增大。當(dāng)泵站施工完成時(shí)，樁間土與管樁的沉降變形差值達(dá)到最大值。之后，隨著上部荷載趨于穩(wěn)定，樁間土不斷固結(jié)，由管樁和樁間土共同承擔(dān)上部泵站荷載，樁和樁間土的沉降差值不斷縮小。

圖2 沉降變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

（2）樁土應(yīng)力比研究

樁土應(yīng)力比是樁與樁間土承受荷載的比值，該值越大表明樁與樁間土承受荷載的差值越大。泵站施工期、完工期樁土應(yīng)力比變化曲線見圖3。從圖3 中可以得知：泵站開始施工后，上部荷載是一個(gè)逐漸增大的過程，在初期，荷載較小，低于樁間土承載力。此時(shí)，樁間土與管樁所承受的荷載大小基本一致，樁土應(yīng)力比較小。隨著上部荷載的不斷增大，超過樁間土承載力后，預(yù)應(yīng)力管樁承擔(dān)的荷載將遠(yuǎn)大于樁間土承載的荷載，在泵站施工完成時(shí)，樁土應(yīng)力比達(dá)到最大值。之后，由于上部荷載已經(jīng)穩(wěn)定，樁間土的固結(jié)，其承載力也有所增大，樁土應(yīng)力比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖3 樁土應(yīng)力比

5 結(jié)論

（1）二明竇泵站地基土軟土厚度大，承載力較低，不能滿足上部荷載要求，因此，需采取地基處理，根據(jù)計(jì)算，確定采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)處理可滿足要求。

（2）管樁施工完成后，通過現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)分析樁土地基的承載力特性。使用預(yù)應(yīng)力管樁處理結(jié)合水泥土攪拌樁圍封后的地基土承載力可達(dá)220 kPa，可滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）樁土沉降差隨上部泵站施工荷載增大而增大，主體工程施工完成后，樁土沉降差值又逐漸減小。

（4）樁土應(yīng)力比隨著施工進(jìn)程逐漸增大，泵站施工完成時(shí)最大，之后逐漸減小。