抱書河閘站樞紐地基處理設(shè)計(jì)

王楓林 胡家武

一、工程概況

抱書河是裕溪河左岸的一條支流，位于安徽省巢湖市主城區(qū)東南部，河道全長約2.0km，集水面積16.28km2，20年一遇洪峰流量為110m3/s，50年一遇洪峰流量為130m3/s。

抱書河閘站樞紐位于抱書河出口，裕溪河左堤上，由防洪閘和排澇泵站組成。閘室采用潛孔式閘門，共3孔，單孔凈寬10.0m，總凈寬30.0m；泵站設(shè)計(jì)抽排流量為25.0m3/s，選用4臺1400GQ-125型灌流泵，配4臺YQGN990-16型電動(dòng)機(jī)，單機(jī)功率450kW，總裝機(jī)1800kW，排澇出水涵洞穿裕溪河堤防，出口設(shè)防洪閘。工程等別為Ⅲ等，中型工程，主要建筑物按3級設(shè)計(jì)，次要建筑物等級為4級。

二、樞紐地基處理設(shè)計(jì)

1.區(qū)域地質(zhì)概況

根據(jù)現(xiàn)場勘探，地層自上而下依次為：①層重粉質(zhì)壤土，中等偏高壓縮性，分布不連續(xù)；②層淤泥質(zhì)中重粉質(zhì)壤土，高壓縮性，普遍分布；③層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土與砂壤土互層（層砂層壤），中等偏高壓縮性，分布不連續(xù)；④層重粉質(zhì)壤土，局部夾薄層粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土；⑤層重粉質(zhì)壤土，可塑～硬可塑；⑥層輕粉質(zhì)壤土，硬可塑～硬塑；⑦層砂礫石，中密～密實(shí)。建基面均在②層淤泥質(zhì)中重粉質(zhì)壤土層，土層軟弱，壓縮性高，天然地基承載力僅60kPa。

2.建筑物穩(wěn)定計(jì)算

穩(wěn)定計(jì)算考慮完建期、防洪期、校核泄流及惡劣放水期等工況，計(jì)算成果見表1和表2。

計(jì)算結(jié)果表明，建筑物抗滑、抗浮安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求；基底應(yīng)力大于天然地基允許承載力，不滿足設(shè)計(jì)要求，地基應(yīng)進(jìn)行加固處理。

3.地基處理方案擬定

（1）方案比選

根據(jù)地形地質(zhì)條件，此次選取釘形水泥土雙向攪拌樁、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁及水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）進(jìn)行比選。

①釘形水泥土雙向攪拌樁

釘形水泥土雙向攪拌樁是將水泥土攪拌樁成樁機(jī)械的鉆桿改進(jìn)為同心雙軸鉆桿，通過正反向旋轉(zhuǎn)葉片同時(shí)雙向攪拌水泥土，阻斷水泥漿上冒途徑，保證水泥漿在樁體中均勻分布和攪拌均勻，確保成樁質(zhì)量。

布置方案：樁徑0.5m，樁距1.8m，擴(kuò)大頭樁徑1.0m，樁底進(jìn)入至⑤層重粉質(zhì)壤土中內(nèi)1.0m，平均樁長17.5m，其中擴(kuò)大頭部分樁長6.0m，樁身水泥摻量16%，共布置397根樁，總長度6950m，總造價(jià)110萬元。

表1 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

表2 站身穩(wěn)定計(jì)算成果表

表3 樁基承載力計(jì)算成果表

②水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）

CFG樁是由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，用各種成樁機(jī)械制成的具有一定強(qiáng)度的可變強(qiáng)度樁，可以充分利用樁間土的承載力，并傳遞荷載到深層地基中。

布置方案：樁徑0.5m，樁間距1.5m，置換率0.136，矩形布置。樁底伸入下部⑤層重粉質(zhì)壤土中內(nèi)1m，平均樁長17.5m。共布置441根樁，總長度7720m，總造價(jià)187萬元。

③預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是采用預(yù)應(yīng)力工藝和離心成型法制成的一種細(xì)長空心體混凝土預(yù)制構(gòu)件，是一種采用擠土或半擠土的樁基型式。

布置方案：樁徑0.3m，樁底進(jìn)入至⑤層重粉質(zhì)壤土中內(nèi)1.0m，樁頂設(shè)0.4m細(xì)石混凝土墊層。樁距2m，矩形排列，樁長17～19m，共布置282根樁，總長度5360m，總造價(jià)176萬元。

（2）方案確定

釘形樁擴(kuò)大頭部分與樁一次施工完成，操作方便；在上覆荷載的作用下，充分利用土拱作用，擴(kuò)大頭部分確保樁體和樁周土變形協(xié)調(diào)，從而加強(qiáng)土體上部復(fù)合地基強(qiáng)度。缺點(diǎn)是深厚淤泥質(zhì)土對樁身質(zhì)量對施工工藝要求高、施工及檢測周期較長，地基變形量較大。

水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）施工簡單，工期短，噪音低；缺點(diǎn)是樁長大于13m時(shí)，需要接樁，沉樁時(shí)樁身易碎裂，增加了施工程序，工程投資較大。

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)成熟，樁身混凝土強(qiáng)度高，打樁后經(jīng)過強(qiáng)烈的擠壓，樁端承載力可比原狀提高80%～100%；樁體由工廠化離心生產(chǎn)，容易保證質(zhì)量；可根據(jù)需要制成各種不同長度的樁段運(yùn)到工地后相互連接，施工快捷簡便；施工前期準(zhǔn)備時(shí)間短、施工速度快、檢測時(shí)間短。缺點(diǎn)是沉樁時(shí)一般用錘擊或振動(dòng)法下沉，施工噪音大，用靜壓法施工可消除噪音污染，但所要求的設(shè)備和環(huán)境條件較高。

三種處理方案中釘形樁造價(jià)較省，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁、CFG樁造價(jià)略高。考慮該工程建設(shè)要求周期短，地基擬采用鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行加固處理，方便施工，縮短工期。

4.復(fù)地基承載力及地基變形計(jì)算

根據(jù)同類工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁徑采用0.3m，樁距2m，矩形排列，樁位根據(jù)建筑物底板輪廓線進(jìn)行布置，樁底至⑤層重粉質(zhì)壤土中內(nèi)1m。

（1）復(fù)合地基承載力計(jì)算

①基樁豎向承載力計(jì)算

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值；Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；K為安全系數(shù)，取為2；R為復(fù)合基樁豎向承載力特征值；ηc為承臺效應(yīng)系數(shù)；fak為承臺下1/2承臺寬度且不超過5m深度范圍內(nèi)，各層土的地基承載力特征值按厚度加權(quán)的平均值；Ac為計(jì)算基樁所對應(yīng)的承臺底凈面積；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為樁周第i層土的厚度；u為樁身周長；Ap為樁端面積。

②樁基承載力計(jì)算成果

樁基承載力計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，基樁豎向力應(yīng)滿足Nk≤R和Nkmax≤1.2R。考慮到防滲及群樁整體受力要求，在管樁樁與建筑物底板之間設(shè)置0.4m厚的C25細(xì)石混凝土褥墊層。

計(jì)算結(jié)果表明，地基加固后滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

（2）地基處理后的變形驗(yàn)算

復(fù)合土層的分層與天然地基相同（在變截面處應(yīng)分層計(jì)算），各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量與樁體壓縮模量按照面積置換率加權(quán)平均。計(jì)算深度應(yīng)大于復(fù)合地基的處理深度，并應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范中地基變形計(jì)算深度的有關(guān)規(guī)定。樁端下部未加固土層平均壓縮變形量s3可按照有關(guān)規(guī)定計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，加固后地基沉降量為56mm，較加固前減少了42mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

三、結(jié)束語

該工程采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固地基，加固后復(fù)合地基承載力大幅提高，加固前后地基的沉降變形有效減少，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。經(jīng)類似工程現(xiàn)場單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，結(jié)果亦滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)期的效果。由于水工建筑物對基礎(chǔ)防滲要求較高，在深厚軟基加固中常采用水泥土攪拌樁、換土等傳統(tǒng)方法，施工周期較長，且對施工場地要求較高。該工程采用工廠化預(yù)制高強(qiáng)度管樁，有利于節(jié)省工期，降低施工成本，成效顯著