低強度混凝土樁復合地基在泵站工程中的應用及若干問題的探討

邢 飛，孫見鋒，任伯鋒

(山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250013)

1 應用背景

隨著國家對水利工程重視程度的提高，以及旱、澇等惡劣天氣的持續影響，水利工程建設項目投入逐年增大，大中型灌溉、排澇及引調水泵站工程日益增多。我國地質條件多樣，受工程總體布置影響，泵房位于軟弱土和不良土地基的情況并不少見，在泵站工程的設計中，泵房地基處理設計環節尤為關鍵[1- 4]。常用的地基處理方案有換填、預壓、壓實、夯實、復合地基、加固注漿等多種，可依據規范[7- 9]進行設計。

對于控制承載力和變形要求較高、處理深度較深的地基，采用換填、預壓、壓實、夯實、注漿加固等方式,作業面及工程量較大、處理難度較大、處理效果不好的地基，難以達到設計要求，一般均可采用復合地基。

復合地基根據增強體材料可分為：土工合成材料(如土工格柵、土工布等)復合地基、砂石樁復合地基、水泥土樁(如土樁、灰土樁、渣土樁等)復合地基、各類低強度混凝土樁和鋼筋混凝土樁復合地基等形式。低強度樁增強體通常是指由水泥、石子及其他摻合料(如砂、粉煤灰、石灰等)加水拌和，用各種成樁機械在地基中制成的強度等級為C5～C25的樁。低強度樁增強體樁身材料常因地制宜，比較著名的有水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁[2- 4])、低強度水泥砂石樁、二灰混凝土樁等，均屬有粘結強度的增強體[5]。各類增強體的復合地基特點不同，適用于不同類型和要求的工程。

2 低強度混凝土樁復合地基的工作特點

對于一些常見的地基處理，采用土、灰土、砂石等散體材料樁復合地基并不能對處理后的地基承載力提高太多，達不到設計和規范要求的復合地基承能力。

水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁等有粘結強度的增強體樁身強度一般不大，使得JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》[7]7.1.6條及7.3.3條第3款的fcu值成為復合地基承載力大小的制約因素。在做地基處理設計時，水泥土攪拌樁的fcu取值在各種土質中一般不大于2MPa；單管法高壓旋噴樁的fcu取值在砂土中一般為2～7MPa，在黏土中一般為1.5～5MPa；三管法高壓旋噴樁的fcu取值在砂土中一般為2～15MPa，在黏土中一般為0.8～5MPa[9]。因此若要使水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁等復合地基承載力得到較大的提高，需加密樁間距，提高置換率，使得工期延長和工程量、投資增加。

低強度混凝土樁復合地基的出現，通過對置換率、樁徑、樁長、強度等參數的合理配置，使得單樁豎向承載力和樁身強度二者均能夠充分發揮，不至于出現某一方面的明顯浪費，兼顧工程安全性和經濟性，同時復合地基的樁間距和樁數適中，施工便捷。

3 工程應用案例

3.1 工程基本情況

以某泵站工程為例，平面布置簡圖及主廠房剖面圖分別如圖1—2所示。

主廠房底板底高程33.80m，以A點為例，現狀地面高程32.70m，清表后地面高程為32.20m，完建地面高程40.5m。泵房的基底應力標準值pk=46.1kPa，其下設0.1m厚的C15素混凝土墊層和1.5m厚的級配碎石墊層，級配碎石墊層底高程為32.2m。根據地質剖面圖，該處沉降計算深度取至泥質粉砂巖頂部，具體巖土參數見表1。

3.2 設計思路及存在問題

主要設計思路為：①計算各建筑物標準組合下的基底應力，并與地勘資料中的地基承載力特征值(修正后)作比較，判斷地基承載力是否滿足規范要求；②計算各建筑物準永久組合下的沉降變形，并與規范規定的沉降變形允許值作比較，判斷沉降變形是否滿足規范要求；③若①、②步中有一項不滿足要求，則應考慮調整上部結構及基礎結構、進行地基處理等方面的設計；④如需進行地基處理，應選擇合適的地基處理方式，再進行地基處理后的承載力和沉降計算，直至滿足規范要求。具體計算公式按照規范[7- 8]進行。

計算時考慮幾點因素：①素混凝土墊層和級配碎石墊層因z/b<0.25，不考慮其上部荷載的應力擴散作用，也不計列墊層的沉降量；②褥墊層厚徑比較大，計算過程中的λ取小值，β取大值；③填土Ⅳ區在A點處沉降量計算時，采用大、小矩形沉降量之差。

天然地基下沉降計算結果見表2。

圖1 泵站平面布置簡圖

表1 各土層主要參數一覽表

圖2 主廠房剖面圖

表2 天然地基下沉降計算結果

計算顯示天然地基下的沉降量為186.40mm，GB 50265—2010《泵站設計規范》[6]并未對主廠房的沉降量做明確規定，參考SL 265—2016《水閘設計規范》[10]的要求，“最大沉降量不宜超過15cm”，說明天然地基不能滿足變形要求。

3.3 工程方案

為解決上述問題，本工程設置了樁徑0.5m、樁間距2m、樁長5.5m的CFG樁復合地基。復合地基計算的主要參數見表3，復合地基下沉降計算結果見表4。

表3顯示，設置復合地基后的地基承載力由120kPa提高至234.51kPa，可見CFG樁復合地基對于提高地基承載力的效果是明顯的；表4顯示，設置復合地基后的沉降量計算值由186.40mm減為87.49mm，說明CFG樁復合地基對地基變形控制的效果是明顯的。

4 問題探討

(1)工程案例中的的復合地基增強體試塊(邊長150mm立方體)標準養護28d的立方體抗壓強度平均值fcu=10.3MPa，為一般水泥土攪拌樁所不能滿足的，因此設計采用了增強體強度更高的CFG樁復合地基。施工時CFG樁復合地基增強體材料的配合比習慣參照C15～C25強度等級的混凝土使用，因此本次施工圖中提的fcu指標既可滿足本工程要求，也沒有高于C15混凝土的強度等級，兼顧了經濟因素。

表3 復合地基主要參數

表4 復合地基下沉降計算結果

(2)一般情況下，設計CFG樁復合地基時，設計文件中需要明確fcu的大小，但并不對CFG樁復合地基增強體中水泥、粉煤灰、碎石等摻合料的配比進行明確，施工時應按照設計文件中的fcu值進行控制。通常在設計和施工時，CFG樁復合地基增強體材料可以用混凝土代替。

(3)有時為了節省工期，提高復合地基增強體的早期強度，將CFG樁等低強度樁復合地基增強體用較高強度等級的混凝土代替，這種情況屬通常是增加水泥用量，調整增強體材料的配合比，地基處理方案仍為復合地基，未改變地基處理方案，不屬于《水利工程設計變更管理暫行辦法》(水規計[2020]283號)第八條提到的“地基處理方案的重大變化”，構不成重大設計變更，可列為一般設計變更。

5 結語

本文工程案例表明，CFG樁復合地基對于提高地基承載力和控制沉降變形的效果是明顯的。本文工程案例表2及表3顯示，對于設計場區較天然地面填土較厚的泵站工程，采用分層總和法分塊疊加進行建筑物基礎角點處的沉降變形計算時，由于建筑物基礎較之天然地面往往具有一定的埋深，準永久組合時的基礎底面處附加應力并不大，所以建筑物自身荷載引起的沉降變形并不大，最終沉降變形量主要是由周邊填土貢獻的。

在進行泵站工程設計時，若存在天然地基條件不滿足設計要求，可以從進行地基處理、調整場區設計高程以及建筑物結構型式等多方面優化。CFG樁復合地基應用范圍較廣，增強體材料配比調整較為靈活，也可采用素混凝土替代。