盤沽泵站泵房基礎(chǔ)處理方案分析

付茂朋，徐 濤，顧曉建

（1.中國水利水電建設(shè)工程咨詢渤海有限公司，天津 300222；2.北京市平谷區(qū)水務(wù)局，北京 101200）

1 工程概況

盤沽泵站位于天津市津南區(qū)葛沽鎮(zhèn)盤沽村附近，海河右堤外側(cè)，主要任務(wù)為將小黑河雨水系統(tǒng)收集的雨水提升后排入海河，完善津南區(qū)排水體系，助力鄉(xiāng)村振興。泵站設(shè)計(jì)排澇流量12.0m3/s，裝機(jī)功率740kW，為Ⅲ等中型工程，進(jìn)水閘、泵房、壓力水箱等主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。

泵站泵房采用整體式鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L10.0m，垂直水流方向?qū)?8.4m，底板厚1.0m；泵房內(nèi)垂直水流方向依次布置4臺(tái)立式潛水軸流泵，單泵單室，邊墩及中墩均厚0.8m，水泵中心間距4.4m。泵房布置及尺寸參如圖1。

圖1 盤沽泵站泵房結(jié)構(gòu)

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察成果［3］，工程場地地層屬海陸交互沉積土層，具有濱海地區(qū)軟弱土的特性：含水量大于或接近流限、天然孔隙比大于1、壓縮性很高而強(qiáng)度很低、滲透性很小等。

泵房底板最低高程為-5.50m，基礎(chǔ)埋置深度約8.0m，持力層為⑥2淤泥質(zhì)黏土層，分布的厚度約5.0～6.0m，局部分布的厚度達(dá)10.0m左右；承載力建議值65kPa，與混凝土基底摩擦系數(shù)建議值0.15，壓縮模量2.6MPa；該層物理力學(xué)性質(zhì)較差，具有低強(qiáng)度、壓縮性高、高靈敏度、不均勻變形等特征，為天然淺基礎(chǔ)軟弱下臥層。

經(jīng)泵房穩(wěn)定及地基應(yīng)力計(jì)算：泵房最大基底應(yīng)力116.58kPa，平均基底應(yīng)力97.14kPa，大于⑥2淤泥質(zhì)黏土層承載力建議值65kPa；泵房前池檢修工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.67，小于規(guī)范允許最小值1.10，因此需采取基礎(chǔ)處理措施以滿足泵房豎向承載力和水平承載力的要求。

3 基礎(chǔ)處理方案

3.1 基礎(chǔ)處理方案比選

目前常用的軟土地基處理方案包括：換填墊層法、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、深層攪拌樁、鉆孔灌注樁和混凝土管樁等。

（1）換填墊層法主要適用于淺層軟弱地基的處理，施工方便，不需要特殊設(shè)備，但開挖較深時(shí)需要處理工程量較大，換填料需分層壓實(shí)，無法壓實(shí)會(huì)引起沉降。

（2）水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）為水泥、粉煤灰、碎石等拌和形成的素混凝土樁與樁間土和褥墊層共同形成的復(fù)合地基，具有承載力提高大、變形小的特點(diǎn)，適用范圍較廣，但由于淤泥質(zhì)土承載力小、樁間土分載比例低，加固效果受其影響較大。

（3）深層攪拌樁固化劑一般為水泥漿，在地基深處通過深層攪拌機(jī)械就地將軟土與水泥強(qiáng)制攪拌，利用水泥與軟土間產(chǎn)生的系列物理~化學(xué)反應(yīng)，形成一定強(qiáng)度和整體性的復(fù)合地基，適用于處理淤泥類軟土，但受地基土分布影響較大，施工質(zhì)量不穩(wěn)定。

（4）鉆孔灌注樁在各類軟土地基處理中應(yīng)用較多，施工工藝十分成熟，積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)，工程質(zhì)量更有保證，但造價(jià)較高，施工相對(duì)復(fù)雜。

（5）預(yù)制混凝土管樁具有施工速度快、單位承載力造價(jià)低、經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)點(diǎn)，但施工機(jī)械對(duì)場地要求高，施工時(shí)噪音大、擠土量大，沉降量較灌注樁大。

本工程軟弱地基⑥2層淤泥質(zhì)黏土最小厚度達(dá)5m，且泵房前池抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不足，因此對(duì)抗滑穩(wěn)定提高有限的換填墊層法、水泥粉煤灰碎石樁和水泥攪拌樁方案不適用，可供選擇的基礎(chǔ)處理方案為鉆孔灌注樁或預(yù)制混凝土管樁。

經(jīng)比選，兩個(gè)方案投資基本相近，鉆孔灌注樁方案可靠性相對(duì)更高，施工質(zhì)量更穩(wěn)定，根據(jù)本工程基礎(chǔ)特點(diǎn)，盤沽泵站泵房基礎(chǔ)處理推薦采用鉆孔灌注樁方案，設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁直徑為600mm，樁間距2.4m，樁長16.0m，樁端置于物理力學(xué)性質(zhì)較好的⑨1粉質(zhì)黏土層。

表1 鉆孔灌注樁與預(yù)制混凝土管樁方案比選

3.2 豎向承載力計(jì)算

JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［1］中規(guī)定，單樁豎向承載力特征值Ra計(jì)算公式如下：

單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值估算公式如下：

式（1）~式（2）各計(jì)算參數(shù)含義及取值及計(jì)算結(jié)果如表2：

表2 樁基豎向承載力計(jì)算參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk為1209.38kN，相應(yīng)單樁豎向極限承載力特征值Ra為604.69kN；計(jì)算泵房單樁軸心豎向力558.53kN小于單樁豎向極限承載力特征值，最大軸心豎向力651.70kN小于1.2倍單樁豎向極限承載力特征值，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

3.3 水平承載力計(jì)算

本工程泵房鉆孔灌注樁由水平位移確定其水平承載力，設(shè)計(jì)時(shí)未進(jìn)行單樁水平靜載試驗(yàn)，設(shè)計(jì)樁身配筋率1.33%，因此根據(jù)規(guī)范［1］規(guī)定，泵房單樁水平承載力特征值Rha估算公式如下：

式（3）~式（4）中各計(jì)算參數(shù)含義及取值及計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 樁基水平承載力計(jì)算參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，單樁水平承載力特征值為113.68kN，大于泵房前池檢修工況下樁頂處單樁承受的水平力109kN，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

3.4 樁基沉降計(jì)算

根據(jù)規(guī)范［1］要求，本工程泵房樁中心距設(shè)計(jì)為4倍樁徑，小于6倍樁徑，因此泵房最終沉降量采用等效作用分層總和法計(jì)算，由于泵房正常運(yùn)用工況下基底應(yīng)力較為均勻，因此僅計(jì)算中心點(diǎn)沉降量，矩形樁基中點(diǎn)沉降量計(jì)算公式如下：

式（5）~式（6）中各計(jì)算參數(shù)含義及取值及計(jì)算結(jié)果如表4：

表4 樁基沉降計(jì)算參數(shù)及計(jì)算成果

樁基沉降計(jì)算深度取附加應(yīng)力與土的自重應(yīng)力比小于0.2處的⑨2粉砂層底處，計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表4。由計(jì)算結(jié)果可知，泵房經(jīng)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)處理后計(jì)算沉降值為19.40mm，滿足規(guī)范不宜超過15cm的要求，較處理前沉降值53.40mm減小34.00mm，處理效果良好。

4 樁基試驗(yàn)

盤沽泵站泵房鉆孔灌注樁主要承受豎向荷載和水平荷載，因此要求施工完成后進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和水平靜載試驗(yàn)復(fù)核基礎(chǔ)處理效果，靜載試驗(yàn)方法均采用慢速維持荷載法。

4.1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

泵房鉆孔灌注樁采用3根工程樁進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，符合JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》［2］不少于同一條件下總樁數(shù)1%，且不應(yīng)少于3根的要求；加載極限承載力（1220kN）大于2倍單樁豎向極限承載力特征值（604.69kN），滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

試驗(yàn)采用錨樁法［4］，由相鄰的工程樁提供反力，由油泵通過液壓千斤頂將荷載施加到樁頂上；基準(zhǔn)梁采用長8m槽鋼，固定位置為6m，沉降測定平面距樁頂距離0.2m，荷載采用油壓傳感器測量，沉降由對(duì)稱安裝的4塊位移傳感器測量。將各級(jí)荷載作用下對(duì)應(yīng)的沉降量繪制成荷載~沉降Q~s關(guān)系曲線，及沉降~時(shí)間對(duì)數(shù)s~lg t關(guān)系曲線，根據(jù)規(guī)范規(guī)定確定單樁豎向抗壓極限承載力。

采用逐級(jí)等量加載試驗(yàn)荷載，每級(jí)加載為122kN（設(shè)計(jì)極限荷載的1/10），第一級(jí)加載值為244kN（2倍分級(jí)荷載加荷）；每級(jí)荷載加載后按第5，15，30，45，60min測讀1次樁頂沉降量，以后每隔30min測讀1次，當(dāng)樁頂沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行下一級(jí)加載；當(dāng)每60min內(nèi)樁頂沉降量不超過0.1mm，并已連續(xù)出現(xiàn)2次（從分級(jí)荷載施加后第30min開始，按90min連續(xù)3次每30min沉降觀測值計(jì)算），表明沉降已相對(duì)穩(wěn)定；卸載逐級(jí)等量進(jìn)行，每級(jí)卸載量為244kN（加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍），每級(jí)荷載維荷60min，按第15，30，60min測讀樁頂沉降量后，即可進(jìn)行下一級(jí)卸荷載，卸載完成至零后，應(yīng)測讀樁頂?shù)臍堄喑两盗?，維荷3h，第15，30min各測讀1次，之后間隔30min測讀1次。

本工程泵房鉆孔灌注樁典型試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)Q~s曲線如圖2，試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。

表5 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

圖2 豎向抗壓靜載試驗(yàn)Q～s曲線

泵房鉆孔灌注樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)檢測結(jié)果表明：荷載~沉降Q~s曲線為緩變型，最大沉降量16.68mm小于規(guī)范限值40mm，小于計(jì)算沉降量19.40mm且偏差不大，因此判定樁基單樁豎向抗壓極限承載力不小于1220kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 單樁水平靜載試驗(yàn)

泵房鉆孔灌注樁采用3根工程樁進(jìn)行單樁水平靜載試驗(yàn)，符合規(guī)范要求；加載極限承載力230kN，大于2倍單樁水平承載力特征值114kN。試驗(yàn)采用臥式千斤頂加載，試驗(yàn)荷載施加方法與單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)一致；通過千斤頂將壓力分級(jí)施加至基樁，觀測各級(jí)荷載作用下對(duì)應(yīng)的力作用點(diǎn)位移，繪制水平力~力作用點(diǎn)位移H~Y0關(guān)系曲線，水平力~位移梯度H~ΔY0/ΔH關(guān)系曲線、力作用點(diǎn)位移~時(shí)間對(duì)數(shù)Y0~lgt關(guān)系曲線和水平力~力作用點(diǎn)位移雙對(duì)數(shù)lg H~lg Y0關(guān)系曲線，根據(jù)規(guī)范規(guī)定確定單樁水平極限承載力。

本次單樁水平靜載試驗(yàn)典型試驗(yàn)樁H~Y0曲線如圖3，H~ΔY0/ΔH曲線如圖4，lg H~lg Y0曲線如圖5，試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。

表6 單樁水平靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

圖4 水平靜載試驗(yàn)H～Y0曲線

圖5 水平靜載試驗(yàn)H~ΔY0/ΔH曲線

圖6 水平靜載試驗(yàn)lg H~lg Y0曲線

續(xù)表6

泵房鉆孔灌注樁單樁水平靜載試驗(yàn)檢測結(jié)果表明：單樁水平極限承載力114kN對(duì)應(yīng)最大水平位移為3.81mm，小于計(jì)算時(shí)取用的6mm且偏差相對(duì)較大，經(jīng)分析為設(shè)計(jì)時(shí)考慮安全，樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m取值偏小所致；工程樁單樁水平極限承載力實(shí)測為H~ΔY0/ΔH曲線上第二拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的161.0kN，大于設(shè)計(jì)單樁水平極限承載力114kN，滿足要求。

5 結(jié)語

（1）鉆孔灌注樁方案施工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性較高，適用于濱海地區(qū)軟弱土的基礎(chǔ)處理。

（2）單樁豎向抗壓極限承載力、單樁水平極限承載力試驗(yàn)檢測值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)測最終沉降量、水平位移均小于計(jì)算值，且總體偏差較小，說明計(jì)算公式和參數(shù)的選取基本符合工程實(shí)際情況，可為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供一定參考。

（3）工程完工運(yùn)行至今監(jiān)測數(shù)據(jù)表明泵房沉降、位移均處于計(jì)算限制內(nèi)，說明本工程所選擇的基礎(chǔ)處理方案合理，達(dá)到了預(yù)期效果。