水泥粉煤灰碎石樁復合地基在磐嶺泵站工程中的應用

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

1 工程概述

磐嶺泵站位于廣東省揭陽市藍城區榕江南河北岸竹橋河出口，是磐嶺圍干堤上的一座大型排澇泵站。磐嶺泵站的設計流量為88.5m3/s，裝機容量6250kW。工程等別為Ⅱ等，工程規模為大(2)型。防洪潮標準按50年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核。

根據工程地質勘查資料顯示，工程場址巖土層由上往下分別為(部分鉆孔的某些土層缺失)?素填土、?-1淤泥質土、?-2淤泥質細砂、?-3淤泥、?-4淤泥質黏土、?含礫中粗砂、?-1黏土、?-2粉土、?中砂、?殘積土、?-1全風化花崗巖、?-2強風化花崗巖。各層土的工程特性指標建議值見表1。

表1 各層土的工程特性指標建議值

泵站主要建筑物自內河向外河側依次有清污橋、前池、廠房、出水涵閘等。

2 磐嶺泵站軟基處理的必要性

由于泵站基礎下部存在深厚淤泥、淤泥質土、淤泥質粉細砂等軟土，軟土層承載力低、壓縮性高，不能滿足泵站上部結構的承載和沉降變形的要求，故需進行軟基處理。

3 磐嶺泵站軟基處理設計計算

3.1 CFG樁復合地基設計

磐嶺泵站主廠房底板長35.00m，寬20m，底板底高程-7.20m，采用φ500的水泥粉煤灰碎石樁(簡稱CFG樁)，樁身立方體抗壓強度平均值fcu不小于7.2MPa，垂直水流方向20排，順水流方向11列布置，樁端進入含礫中砂層大于0.5m，主廠房底部共布樁220根(不含底板以外CFG樁，下同)，平均有效樁長12m；出水涵閘底板長35.00m，寬25m，底板底高程-4.00m，采用φ500的CFG樁，垂直水流方向20排，順水流方向15列布置，樁端進入含礫中砂層大于0.5m，平均有效樁長為13m，出水涵閘底部共布樁300根；泵站清污橋長35.00m，寬12m，底板底高程-3.70m，采用φ500的CFG樁，垂直水流方向14排，順水流方向5列布置，樁端進入含礫中砂層大于0.5m，平均有效樁長12m，出水涵閘底部共布樁70根。為減小復合地基樁土應力比，使復合地基土體和樁體變形協調，在各部位CFG樁頂與底板間設置厚300mm的中粗砂褥墊層，褥墊層中部鋪設一層土工格柵。

3.2 復合地基承載力及沉降計算

3.2.1 復合地基承載力及沉降計算方法

CFG樁復合地基承載力特征值按式(1)、式(2)計算：

(1)

Ra=upΣqsilpi+αpqpAp

(2)

式中fspk——復合地基承載力特征值，kPa；

fsk——樁間土地基承載力特征值，kPa；

m——面積置換率；

Ra——單樁豎向承載力特征值，kN；

Ap——樁的截面積，m2；

β——樁間土承載力發揮系數；

up——樁的周長，m；

qsi——樁周第i層土的側阻力特征值，kPa；

lpi——樁長范圍內第i層土的厚度，m；

αp——樁端阻力發揮系數；

qp——樁端阻力特征值，kN。

CFG樁復合地基的最終變形量按式(3)計算：

(3)

式中s——地基最終變形量，mm；

ψs——沉降計算經驗系數；

P0——相應于作用的準永久組合時基礎底面處的附加應力，kPa；

Esi——基礎底面下第i層土的壓縮模量，MPa；

zi,zi-1——基礎底面至第i層、第i-1層土底面的距離，m；

3.2.2 復合地基承載力及沉降計算結果

磐嶺泵站各主要建筑物復合地基承載力及沉降計算結果見表2。

表2 復合地基承載力特征值及沉降計算結果

由表2的計算結果可知，各建筑物地基平均應力值均小于處理后的復合地基承載力特征值，最終沉降量均小于150mm，表明處理后的復合地基滿足設計要求。

4 磐嶺泵站復合地基施工及質量控制

4.1 施工工藝的選擇

CFG樁常用的施工工藝為長螺旋鉆孔灌注成樁，長螺旋鉆孔、管內泵壓混合料成樁、振動沉管灌注成樁、泥漿護壁成孔灌注成樁等4種。由于本工程CFG樁樁體大多位于地下水位以下，故不適合采用長螺旋鉆孔灌注成樁法施工。由于本工程地基土層為深厚飽和淤泥及淤泥質軟土層，樁距較小，如采用振動沉管灌注成樁法施工容易導致地面隆起，樁身縮頸甚至斷樁，故也不應采用此方法施工。泥漿護壁成孔灌注成樁法施工工藝復雜，在深厚軟土地基施工時泥漿濃度控制不好容易導致塌孔和樁身縮頸，且泥漿容易污染環境、施工速度慢，故本工程也不采用。綜上所述，本工程最終采用長螺旋鉆孔、管內泵壓混合料成樁的施工工藝。其工藝流程為鉆機就位→成孔→鉆桿內泵壓混合料→提升鉆桿→泵壓孔底混合料→邊泵壓邊提升鉆桿→成樁→鉆機移位。

4.2 施工質量控制

本工程施工嚴格按照有關規定執行，施工中主要控制要點如下。

a.施工前編寫施工組織設計方案并按規定程序履行審批手續；認真復核樁位和標高；按照設計技術要求進行室內配合比試驗，選定施工配合比。

b.選擇合適的機械進行現場實驗性施工，通過試樁確定施工參數。

c.根據本工程的試樁結果，確定CFG樁施工參數為：施工采用YTZ30型長螺旋鉆機進行，鉆進速度為1.2～1.7m/min，泵壓混合料的壓力為4～7MPa，提鉆速度為1.5m/min，混合料泵壓過程中始終保持混合料面高于鉆頭面1m以上，施工樁頂高程高出設計高程50cm。施工過程中嚴格按照以上施工參數進行控制。

d.施工完成后，通過現場開挖量測樁頭、樁體試塊抗壓強度，低應變動力試驗等方法進行質量檢測，樁身直徑、樁體強度、樁身連續性和長度等均滿足設計要求，證明施工質量可靠。為進一步檢驗復合地基處理效果，本工程進行了CFG樁復合地基載荷試驗。

5 磐嶺泵站復合地基載荷試驗

為驗證處理后的復合地基承載力是否達到設計預期，設計提出了對CFG樁復合地基進行載荷試驗的要求，考慮到本工程CFG樁樁身不長，單樁承載力不大，故設計未要求對單樁承載力進行載荷試驗，僅采用單樁復合地基載荷試驗。根據本工程的單樁復合地基檢測報告，泵站主廠房、出水涵閘和清污橋的復合地基載荷試驗數據和P-S曲線圖見表3～5和圖1。

表3 泵站主廠房CFG樁復合地基載荷試驗數據

表4 出水涵閘CFG樁復合地基載荷試驗數據

表5 清污橋CFG樁復合地基載荷試驗數據

圖1 CFG樁復合地基載荷試驗P-S曲線

由圖1可知，P-S曲線為緩變形，復合地基承載力特征值通過相對沉降來確定，按照相對沉降量確定的復合地基承載力特征值不得超過最大試驗荷載的1/2，相對沉降值應根據樁的類型、地區或行業經驗、工程特點等確定。根據本工程地質條件和復合地基設計的特點，復合地基樁間土壓縮性較高，樁頂設置了0.30m厚的褥墊層，綜合考慮，相對沉降值取0.02。

根據試驗結果，泵站主廠房、出水涵閘和清污橋的復合地基承載力特征值見表6。

表6 復合地基承載力特征值檢測結果

根據復合地基承載力特征值檢測結果，各主要建筑物地基承載力均滿足設計要求(泵站主廠房按沉降確定的地基承載力特征值比設計值富余不大，主要原因為進行復合地基載荷試驗前基坑浸水，檢測時地下水位較高)。磐嶺泵站主體工程已完工近3年，目前未發現泵站主廠房及其他各主要建筑物有明顯沉降現象。

6 結 語

CFG樁復合地基在磐嶺泵站工程中的成功應用表明：深厚軟土地基上的水閘、泵站采用CFG樁復合地基處理技術可行、安全可靠，值得在類似泵站、水閘等工程的軟基處理設計中參考。建議今后應進一步研究在不同地質條件、地下水埋深、褥墊層厚度的條件下采用CFG樁復合地基處理后承載力與相對沉降值的關系，為類似工程積累更豐富的經驗，以便CFG樁復合地基得到更廣泛的應用。