CFG樁復(fù)合地基褥墊層在泗陽站建設(shè)中的應(yīng)用研究

韓宏舉　韓業(yè)明　李繼生

(1.江蘇省南水北調(diào)泗陽站工程建設(shè)處， 江蘇 泗陽　223700；2.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處， 江蘇 宿遷　223800；3.上海勘測設(shè)計(jì)研究院， 上海　200434)

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CFG樁復(fù)合地基褥墊層在泗陽站建設(shè)中的應(yīng)用研究

韓宏舉1,2韓業(yè)明2李繼生3

(1.江蘇省南水北調(diào)泗陽站工程建設(shè)處， 江蘇 泗陽223700；2.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處， 江蘇 宿遷223800；3.上海勘測設(shè)計(jì)研究院， 上海200434)

本文詳細(xì)介紹了南水北調(diào)東線一期工程泗陽站設(shè)計(jì)采用CFG樁法加固軟弱地層形成復(fù)合地基方案的確定，并針對泵站地基基礎(chǔ)的防滲要求，專題試驗(yàn)研究褥墊層施工方案。施工中改用樁頂放置水泥土、樁間保留原狀土的復(fù)合褥墊層替代建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的砂石材料褥墊層，既滿足了泵房地基防滲要求，又符合有效傳遞上部荷載，控制樁、土的承載比例，充分發(fā)揮了復(fù)合地基承載作用的要求。CFG樁復(fù)合地基技術(shù)在泗陽站工程中的改良應(yīng)用，為類似水利工程建設(shè)提供了一個(gè)成功的范例。

泵站； CFG樁； 褥墊層； 承載力試驗(yàn)； 應(yīng)用研究

近年來，水泥、粉煤灰、碎石樁(簡稱CFG 樁)作為一種適合特殊地基的地基處理技術(shù),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域加固軟弱地基，這種新方法在南水北調(diào)東線一期工程泗陽站建設(shè)中也得到了應(yīng)用。CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高黏結(jié)強(qiáng)度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載，通過褥墊層與基礎(chǔ)連接,褥墊層是構(gòu)成CFG樁復(fù)合地基的重要組成部分。因泵站屬于擋水水工建筑物，對地基基礎(chǔ)有防滲要求，不宜采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的砂石材料褥墊層，為此對泗陽站地基有防滲要求的褥墊層進(jìn)行了專項(xiàng)試驗(yàn)和應(yīng)用研究。

1　工程概況

南水北調(diào)泗陽站，位于江蘇省泗陽縣縣城東南的中運(yùn)河輸水線上，設(shè)計(jì)揚(yáng)程6.30m，調(diào)水規(guī)模164m3/s，安裝葉輪直徑3.10m的立式全調(diào)節(jié)軸流泵6臺(tái)套(含1臺(tái)備機(jī))，單機(jī)流量33m3/s，總裝機(jī)流量198m3/s；配3000kW/10kV同步電機(jī)，總裝機(jī)容量18000 kW。工程等別為Ⅰ等，泵站規(guī)模為大(1)型，為集調(diào)水、防洪、排澇、發(fā)電為一體的控制性工程。泵站采用堤身式塊基型結(jié)構(gòu)、肘形進(jìn)水流道、虹吸式出水流道、真空破壞閥斷流，6臺(tái)機(jī)組分三機(jī)一聯(lián)兩塊底板布置，站身單塊底板36000mm(順?biāo)飨?×28200mm(垂直水流向)；底板順?biāo)飨蜉喞獮橹卸嗡健啥松下N的折線形，底面下游前趾端高程為1.65m，上游前趾端高程為1.72m，中部水平段高程為-0.25m。經(jīng)計(jì)算：站身平均地基反力為220kPa,地基允許承載力不小于230kPa；泵站最大沉降量為198mm。

2　泵站地基處理方案的確定

2.1地質(zhì)勘測資料

擬建泵站區(qū)域的土層地質(zhì)勘測報(bào)告揭示：⑥層(高程4.30～9.50m至1.30～7.70m)，重粉質(zhì)沙壤土、輕粉質(zhì)壤土，局部夾淤泥質(zhì)黏土薄層。⑦層(高程1.30～7.70m至1.20～6.80m)，粉質(zhì)黏土、黏土夾沙壤土薄層，局部淤泥質(zhì)。⑦′層(高程1.20～6.80m至-0.50～1.70m)，黏土，粉質(zhì)黏土，局部為砂質(zhì)黏土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，偶含沙姜；地基土的允許承載力為190kPa；該層土具有微膨脹性，膨脹潛勢為弱中。⑧層(高程-0.50～1.70m至-3.30～-0.20m)，重、中粉質(zhì)壤土夾沙壤土薄層；地基允許承載力為180kPa。⑨層(高程-3.30～-0.20m至-3.90～0.00m)，粉、細(xì)沙，局部沙壤土、壤土；地基允許承載力為200kPa。⑨′層(高程-3.30～-0.20m至-3.50～-1.90m)，粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土夾細(xì)沙，輕粉質(zhì)壤土薄層；地基允許承載力為90kPa。⑩層(高程-3.50～-1.90m至-18.00～-16.40m)，粉質(zhì)黏土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核及少量礫、沙姜，局部沙姜較多；地基土的允許承載力為300kPa。

2.2地質(zhì)勘測資料分析

據(jù)勘測資料可知：泵房底板大部分坐落在具有微膨脹性的⑦層粉質(zhì)黏土底部，局部坐落在⑧層粉質(zhì)壤土夾沙壤土上部，⑦層地基允許承載力為190kPa，⑧層地基允許承載力為180kPa。因天然地基允許承載力不滿足泵站承載要求，且沉降量較大，必須采取一定的措施,其中之一就是對泵房地基進(jìn)行處理加固：傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁地基處理，要求提供100%的垂直承載力和水平承載力，而CFG樁法只要提供50%的垂直承載力；CFG樁主要由碎石、沙、粉煤灰，與適量水泥和水拌制而成，是介于剛性樁與柔性樁之間的一種樁型，在CFG樁樁體與樁間土體共同作用下，通過褥墊層形成CFG 樁復(fù)合地基，加固處理后，地基承載力可達(dá)到200kPa以上。經(jīng)過比選，新建泗陽站設(shè)計(jì)采用了工程造價(jià)低、施工速度快、工期短、質(zhì)量容易控制的 CFG樁復(fù)合地基加固處理的方案。

2.3地基加固處理設(shè)計(jì)

泵站地基設(shè)計(jì)每塊底板布置CFG樁432根，共864根，分為24排，每排36根，樁距1600mm×1600mm；樁長12000～13500mm，樁徑400mm，樁體混凝土標(biāo)號C15。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，CFG 樁法適用于處理黏性土、粉土、沙土和已自重固結(jié)的素填土等地基，樁距應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求的復(fù)合地基承載力、土性、施工工藝等確定，宜取3～5倍樁徑，樁頂和基礎(chǔ)之間應(yīng)設(shè)置褥墊層，褥墊層厚度宜取150～300mm；褥墊層材料宜用中沙、粗沙、級配沙石或碎石等，最大粒徑不宜大于30mm。由于泵站地基基礎(chǔ)有防滲要求，不宜采用砂石材料褥墊層，宜改用樁頂放置水泥土，樁與樁之間保留原狀土(⑦層黏土)的復(fù)合褥墊層替代規(guī)范中的砂石料褥墊層，褥墊層厚度取200mm。其中：CFG 工程樁施工前先打試驗(yàn)樁，褥墊層施工前先將改變規(guī)范要求的褥墊層材料進(jìn)行褥墊層承載力專項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)成果經(jīng)分析符合要求后施工。

3　CFG樁施工

3.1施工材料

施工材料P.C32.5水泥；細(xì)度不大于12%的粉煤灰；含泥量不大于3%的黃沙；粒徑5～20mm的石子。

混凝土配料為水泥、粉煤、黃沙、石子、水和高效緩凝減水劑(SN-2)；配料比例為：1∶0.43∶3.57∶4.77∶0.83∶0.004；每盤用量為：50kg、21.5kg、178kg、238kg、41.5kg和0.20kg。

3.2 CFG試驗(yàn)樁施工

施工采用步履式Y(jié)TZ-26長螺旋鉆機(jī)，配混凝土輸送泵。施工前，用全站儀和鋼尺放出每根CFG樁的中心位置，待長螺旋鉆機(jī)就位后，將鉆桿垂直對準(zhǔn)樁位中心(樁位偏差控制在1cm以內(nèi))，并記錄樁位偏差和垂直度。在泵站基坑南、北兩側(cè)，施打6根地質(zhì)條件相同，混凝土標(biāo)號相同，樁長、樁徑相等，樁距1.60m×1.60m的CFG試驗(yàn)樁，結(jié)構(gòu)如右圖所示。

施工步驟：當(dāng)鉆機(jī)定位調(diào)平后螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)下沉，達(dá)到設(shè)計(jì)樁尖(底)高程時(shí)停鉆；利用混凝土輸送泵向鉆桿空腔內(nèi)灌入混凝土，邊提升鉆桿邊泵壓灌注混凝土；鉆桿提升時(shí)螺旋將土體帶出形成鉆孔，混凝土從鉆桿底部壓入孔內(nèi)形成樁體。

CFG樁結(jié)構(gòu)示意圖 (單位：m)

3.3CFG樁施工及施工質(zhì)量控制

在CFG試驗(yàn)樁施工滿足設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行CFG工程樁施工：測量放線、鉆機(jī)就位、鉆進(jìn)成孔、拔管成樁、移機(jī)等。CFG樁施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵是控制鉆桿提升速度和混凝土連續(xù)泵送的一致性，從而保證混凝土處于壓注狀態(tài)，避免產(chǎn)生縮頸或斷樁。

4　CFG樁褥墊層專項(xiàng)試驗(yàn)及施工

4.1褥墊層承載力試驗(yàn)

按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》和《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，在成樁28d后進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)。內(nèi)容包括天然地基承載力和不同褥墊層厚度及材料的復(fù)合地基承載力。單樁復(fù)合地基承載力試驗(yàn)的載荷板尺寸為1600mm×1600mm。采用堆載法，堆載前在載荷板范圍的CFG樁頂及樁(間)周邊土頂面埋設(shè)土壓力計(jì)，數(shù)據(jù)測讀與靜載荷試驗(yàn)同步，每級加載前后各測讀一次。2010年5月實(shí)施褥墊層承載力專項(xiàng)試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)成果下表。

靜載試驗(yàn)成果表

注表中試驗(yàn)項(xiàng)目：工況一為天然地基；工況二至工況六為單樁復(fù)合地基。

靜載荷試驗(yàn)分析：

a.初始情況檢測試驗(yàn)。取5號樁天然地基靜載荷試驗(yàn)，以1600mm×1600mm載荷板工況進(jìn)行，見上頁表工況一、⑦層土承載力標(biāo)準(zhǔn)值與地基勘查推薦值基本吻合。

b.單樁復(fù)合地基承載力試驗(yàn)。將1號樁樁頂和樁周邊原狀土體整平至同一高程，在其上攤鋪⑦層黏土夯實(shí)后(厚度200mm)作為褥墊層土料，采用液壓千斤頂分次加載，見上頁表工況二，復(fù)合地基承載力與天然地基相近。將2號樁按1號樁試驗(yàn)步驟進(jìn)行，當(dāng)接近工況二承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，減小加載級差，加大加載量，以期取得可能最大承載力標(biāo)準(zhǔn)值。見上頁表工況三，復(fù)合地基承載力比工況二稍大，但沉降量上升。

c.將6號樁樁頂和樁周邊原狀土體整平至同一高程，不攤鋪任何褥墊層材料做試驗(yàn)。見上頁表工況四，復(fù)合地基承載力316kPa。將3號樁樁頂高程鑿至低于樁周邊原狀土100mm，人工夯實(shí)100mm厚⑦層黏土作為褥墊層；樁周邊保留原狀土。見上頁表工況五，復(fù)合地基承載力315kPa。取4號樁，樁頂部位回填夯實(shí)100mm厚水泥摻入量為8%的水泥土(土料為沙壤土)、樁周邊保留原狀土的復(fù)合褥墊層，經(jīng)靜載荷試驗(yàn)，復(fù)合地基承載力為430kPa，沉降量為17.14mm(見上頁表工況六)。

褥墊層在CFG樁復(fù)合地基中起著至關(guān)重要的作用，它保證樁、土共同承擔(dān)荷載,調(diào)整樁、土荷載分擔(dān)比,減小基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中；褥墊層厚度對樁、土承載力的發(fā)揮非常敏感,不同材料構(gòu)成的褥墊層及同種材料不同厚度和剛度的褥墊層使得樁、土分擔(dān)的荷載是不同的,對復(fù)合地基的效應(yīng)亦有較大影響；試驗(yàn)成果表明泗陽站工程采用水泥摻入量為8%，厚10cm水泥土作為CFG樁樁頂褥墊層，其復(fù)合地基承載力為430kPa，相應(yīng)載荷條件的沉降量為17.14mm，滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4.2CFG樁褥墊層施工

通過褥墊層承載力專項(xiàng)試驗(yàn)后，2010年7月中旬對864根CFG工程樁進(jìn)行了低應(yīng)變檢測，結(jié)果合格。基坑土方按泵站底板設(shè)計(jì)輪廓線開挖到位，CFG樁樁頭人工鑿除至低于設(shè)計(jì)底板輪廓線(即土方開挖面)100mm，樁頭鑿除過程中超深(即低于土面大于100mm以上)的CFG樁，一律以C15細(xì)石混凝土將樁接高至低于土面100mm，在樁頭回填拌制均勻的水泥摻入量為8%的水泥土，人工夯實(shí)后與天然地基土面齊平，至此CFG樁防滲褥墊層全面施工并完成。為了驗(yàn)證CFG樁與樁周圍天然地基承載情況，在泵站底板與地基基礎(chǔ)間的樁頂和樁周土中埋設(shè)了兩組土壓力計(jì)。從2011年12月的沉降觀測數(shù)據(jù)看，泵站的站身累計(jì)沉降量為7mm，其承載力滿足設(shè)計(jì)地基承載力的要求，應(yīng)用效果良好。

5　結(jié)　語

南水北調(diào)泗陽站工程采用CFG樁法加固泵站地基，并對泵站地基防滲褥墊層材料的應(yīng)用進(jìn)行了專項(xiàng)試驗(yàn)研究。施工中改用樁頂放置水泥土、樁與樁之間保留原狀土的復(fù)合褥墊層替代規(guī)范規(guī)定的砂石料褥墊層。經(jīng)有關(guān)專家和領(lǐng)導(dǎo)對CFG樁復(fù)合地基加固工藝試驗(yàn)成果進(jìn)行評審，認(rèn)為在施工過程中加強(qiáng)試驗(yàn)研究，提供的測試數(shù)據(jù)翔實(shí)可靠，方案的實(shí)施滿足泵站地基的防滲要求，能夠發(fā)揮復(fù)合地基的承載作用，實(shí)現(xiàn)了CFG樁復(fù)合地基技術(shù)在江蘇省大型泵站建設(shè)中的首次應(yīng)用并且成功。

[1]《建筑施工手冊》(第五版)編委會(huì).建筑施工手冊(2)[M].第5版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012：485-489.

[2]GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011,54-60.

[3]JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社2012,63-66.

[4]JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2014：13-18.

[5]劉濤,等.淺談軟弱地基處理方式的選擇[J].水利建設(shè)與管理,2013(1).

[6]左建委.CFG樁復(fù)合地基承載力質(zhì)量問題探析[J].水利建設(shè)與管理,2015(6).

Research on applying CFG pile composite foundation cushion in Siyang Station construction

HAN Hongju1, 2, HAN Yeming2, LI Jisheng3

(1.JiangsuSouth-to-NorthWaterDiversionProjectSiyangStationEngineeringConstructionOffice,Siyang223700,China;2.JiangsuLuoyunWaterConservancyProjectManagementOffice,Suqian223800,China;3.ShanghaiInvestigation,Design&ResearchInstitute,Shanghai200434,China)

CFG pile method is adopted for reinforcing weak formation and forming foundation in the design of Siyang Station of South-to-North Water Diversion Project east line stage I engineering, the plan of which is introduced in detail in the paper. Cushion construction plan is specially tested and studied aiming at anti-seepage requirement of pumping station foundation. In the construction, cement is placed on the top of pile, original soil is retained among piles, and such composite cushion is used for replacing sand and stone material cushion layer regulated in building foundation processing technology specification. It not only meets foundation anti-seepage requirement of pumping station, but also is in line with effective transfer of upper load. Pile and soil bearing proportion is controlled. Requirements of composite foundation bearing function are fully exerted. CFG pile composite foundation technology is modified and applied in Siyang Station Project, thereby providing a successful example for similar water conservancy project construction.

pumping station; CFG pile; cushion; bearing force test; application research

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.004

TV223

A

1005-4774(2016)01-0008-04