預應力管樁在保定壩排澇泵站工程地基處理中運用研究

侯冠華

（蕪湖市搏翔水利工程設計咨詢有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

當前，排澇泵站建設工程項目越來越多，其地基處理施工也受到廣泛關注，地基的穩定性決定了泵站安全運行，在必要情況下，需采用合適的手段進行地基加固，促進整個工程的順利建設，確保排澇泵站功能的發揮。

1 研究意義

當前排澇泵站建設工程中，大都存在軟土地基情況，這類地基的特點是力學性質頗差，實際承載力較小，不僅制約泵站建設工程的推進，同時，建成后泵站的運行安全也難以保障。如建筑物沉降量過大現象等。因此，對軟土地基進行加固處理是很有必要的，其加固處理的目的是提升地基土承載力，滿足實際工程建設的需求，保證建設的安全。當前，對軟土地基的處理手段較多，包括換填法、水泥攪拌樁法、預應力管樁法以及擠密碎石樁法等，具體采用哪種方法需結合工程地質實際情況，本文主要研究了預應力管樁法在處理排澇泵站軟土地基中的運用，該方法的優點在于單樁的承載力頗高，設計應用的范圍較廣泛，布樁時具有一定的靈活性，樁基直徑可進行調整，能夠充分發揮單根樁的承載效果，在施工時還具有速度快、簡單易操作的特征，結合該方法特點分析其處理地基后承載力值，此次研究以保定壩排澇泵站工程建設項目為例，研究結果有助于幫助完善地基處理方案，推動工程建設[1]。

2 工程概況

保定壩排澇泵站所處位置為繁昌區孫村鎮五聯圩境內。該排澇站負責控制集雨的總面積約為15.68km2。站址坐落在黃滸河中游右岸，保定壩河口位置，西南方向為黃滸河，東方方向為山丘區，當地汛期澇水主要是使用泵站來抽排，現今存在的排澇工程由于設計標準較低，且建成年代頗早，導致排澇效果較差，許多機泵設備還存在老舊、性能下降情況，排澇能力較差，因而排澇受到阻礙。保定壩排澇泵站的設計標準采用10 年遇，其中水田采用最大3d 暴雨3d 排至作物耐淹水深，旱作物采用3d 暴雨3d 排干。設計排水流量每秒10.2m3，工程等別為Ⅲ等，中型工程，永久性主要建筑物級別為3 級，次要建筑物級別為4 級，臨時建筑物級別為5 級。保定壩排澇泵主體位置的地基軟土層比較厚，因而實際承載力較低，難以滿足上部建筑結構的荷載要求，為了保證圩內的可持續發展，需采取一定措施對地基進行加固處理，本項目工程研究中采用預應力管樁方式[2]。

3 保定壩排澇泵站地基施工處理中預應力管樁的運用

3.1 樁基的處理方案

結合實際地基情況以及上部荷載的特征，澇泵站基礎主要是位于軟土層當中，因而不能夠直接使用天然土層做地基，需采取預應力管樁處理手段，樁端要切實進入砂礫石層內。在排澇泵站的主廠房地基位置處，主要是采用規格為φ400 預應力混凝土管樁，管壁厚約為95mm，使用時為PHC 型B 組。為了確保樁基應用的合理性，需對單樁的承載力進行計算，首先是計算其豎向承載力，根據樁身周長、樁側土層極限側阻力的標準值以及樁端面積值來計算；其次是計算其加固后的復合地基承載力，根據單樁豎向承載力、樁的面積置換率及樁間土承載力特征值來進行計算。最后的計算結果中，預應力管樁單樁豎向承載力值為160kN，復合地基承載力標準值為115kPa，沿著順水流的方向，在排澇泵站廠房地基布置10 排預應力管樁，排間距控制在2.1m，單排布置樁數為11 根，樁與樁之間間距約為1.7～2.1m，總共樁數為110 根，樁長的平均值為20m，通過對其廠房上部分結構樁位情況的地基應力計算，考慮到豎向荷載在施工期、完建期的不同工況，計算結果的豎向單樁最大荷載為132kN，地基承載力標準值為106kPa，均小于上述計算的標準值，因而可確認預應力管樁設計滿足實際要求[3]。

3.2 預應力管樁的施工工藝

3.2.1 樁位測放

預應力管樁在實際施工布置之前，需要做好充分的準備工作，首先是實施測量放線，精準把控建筑物控制點，做好校準，其樁點誤差值不能夠超過2cm，在進行施放之后還要進行復核，并做好相應定位測量的記錄與報審，讓甲方單位對樁位的精準度進行確認，與設計圖紙進行對比，查看是否發生樁位偏移或是放置錯漏情況。樁位的測放會直接影響到預應力管樁的承載特性，對最終地基處理的效果也有著深刻影響。

3.2.2 調整樁機及吊樁處理

實施壓樁之前，需要對打樁機設備進行調整，主要采用經緯儀來優化調正，讓導軌保持垂直狀態，在進行壓樁的過程中，也要保持定期檢查樁機，始終控制其導軌的垂直度。在進行吊樁處理過程中，需保證操作嚴格遵循安全技術規程，吊臀位置的下方不可站人，壓裝機也要防止出現傾斜狀況，避免預應力管樁從鋼絲繩當中脫離而出。在樁機就位之前，需根據測得的樁位布置好地樁，樁位中心的定位使用圓鋼筋進行，樁位置上需要畫出圓形標記，以管樁的外直徑參數為準畫出圓形，待到樁機就位之后，將對準圓形標記實施吊起，將地樁作為中心，逐漸將管樁插入指定位置。在插樁完成以后，對樁機、樁身以及壓樁油缸進行調整，保證三者處于同一直線。

3.2.3 壓下節樁及接樁

管樁在壓進初期時，需要將下節樁壓入，保持低速壓進，避免過快導致樁位偏移或遇到障礙物，給壓樁方向造成影響，對于壓入時遇到硬土層情況，則是要適當增加壓柱力，有效穿過硬土層，避免樁身的拉應力過大，因此需實時把控壓力值的變化。在接樁處理時，應當保證下節樁留出地表1cm 左右停止，然后將油缸提起檢查下節樁是否存在損傷情況，對樁頂部的雜物進行清理，吊起上節樁與下節樁頂部進行對接，對接時需保證中心對其、周邊對正，還要校正整體的垂直度，對于接樁的接觸面要保證嚴絲合縫，確保平穩后就可進行樁焊接，采用的焊接形式為上下樁法蘭外接邊焊接，至少需要兩名焊接技術人員，同時進行兩邊焊接，選擇合適的焊條，保證焊接質量的達標性。焊接時先將四份點焊牢，再以對稱為原則焊實，焊后接頭需保證其自然冷卻，約一分鐘后再施加壓力。除此之外，需盡可能控制接樁時間，不可時間過長，否則樁周圍的土層可能會重新固結，導致沉樁的效果不佳，最后按照質量規定驗收即可。

3.2.4 壓樁至設計要求

將預應力管樁樁體焊接完成并做好垂直度校準之后，需對樁身表面涂抹防腐材料，隨后繼續進行壓樁。在整個過程中都應當將每米壓力值實時記錄，保證施工參數的合理性，還有對高程值進行測量，從樁頂標高實時測量，控制樁的壓入深度，送樁機設備要保證底面整潔及垂直度達標，最后將管樁壓到設計標準即可。在停壓時，需以壓力值為標準實施停壓，若是其壓力值已經超長但壓入深度仍未達到設計標準，則需做好記錄。

3.2.5 樁措施

若出現樁頂標高與設計不相符情況，尤其是超出設計標高時，則需采用截樁手段，要想控制截樁后的管樁質量達標，一般不適用風鎬工具或大錘工具強行截樁操作，而是采用專用工具來截割。截樁后還需等待一段時間才能就地基位置進行基坑開挖施工，保證樁身的完整度，還需在開挖過程中采取保護措施，確保分層、勻速開挖，避免側壓力過大而出現管樁變形情況。

3.3 預應力管樁的加固效果

3.3.1 開展現場試驗

預應力管樁在施工完成后需對其圍封加固的效果進行研究，主要是將復合地基土的承載力特征值充分獲取，在現場開展對應的荷載試驗，判斷其加固后的荷載效果，其試驗結果如表1、表2 所示。

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗結果

根據表1、表2 結果分析可發現，根據試驗規程對樁基進行逐級增壓，并持續加載到設計值的2.0 倍時，末級荷載對應的地基沉降量以及完全卸載后的地基殘余沉降量均較小，回填率均在20%以上。以上情況表明，試驗點地基受壓尚未進入極限狀態，單樁承載力及復合地基承載力特征值均有少許余量。由此可見，保定壩排澇泵站的地基運用預應力管樁可得到良好加固效果[4]。

表2 單樁復合地基靜載試驗結果

3.3.2 加固效果的數值模擬

對預應力管樁對地基加固效果實施數值模擬分析，整體泵站地基土層結構中包含著人工填土、粉砂、淤泥質土、粘性土、砂礫石以及粉土等，為了對數值模擬模型進行簡化，根據土層的性質，主要將研究項目地基的土層劃分為四種，包括人工填土、淤泥質土、粉質壤土以及砂礫石，再結合實際設計的樁間距值與樁長度值進行模型構建，主要分析預應力管樁運用后，其上部分施工與后續運行中各項參數的變化，包括樁間土變形、管樁變形以及樁土應力比的變化。各個地層的力學參數如表3 所示。

表3 各地層力學參數計算結果

3.3.3 數值模擬的計算結果分析

根據對排澇泵站主體的施工期間及施工完成之后預應力管樁、樁間土沉降情況的監測，發現其進行泵站施工與運行使用階段，預應力管樁及樁間土的沉降量都一直處于逐漸增大狀態，進行施工過程中的沉降量變化速率較穩定，因此施工節奏是均勻的，會隨著上部荷載的增大而增加沉降量。但待到施工完成之后，其沉降量的速率會下滑，沉降一段時間后會逐步趨于穩定狀態。在實際施工的初期階段，管樁沉降與樁間土沉降的差值不大，這是由于上部分主體結構荷載值頗小，而施工的不斷推進之后，泵站的荷載也會變大，逐漸超過樁間土的承載力，因而樁間土的變形也會更明顯，速率增加，兩者的沉降差值也會加大，在最終泵站施工完成時刻，預應力管樁與樁間土沉降的差值會最大，在運行泵站后，樁間土會逐漸固結，因此沉降差值也會逐漸縮小。

對預應力管樁與樁間土之間的承受荷載比值進行分析，即研究樁土應力比值，該項參數值越大則表明兩者承受荷載的差值越大，在排澇泵站的施工階段與完工階段時，樁土應力比值的變化情況如下：開始進行泵站施工后，由于其上部荷載處于一個逐步增加的狀態，而初期階段荷載是比較小的，一般要小于樁間土的承載力，因而預應力管樁和樁間土承受荷載值基本相等，應力比也較小，但在上部荷載增加情況下，當其超過了樁間土的承載力，預應力管樁荷載值與樁間土荷載值拉大差距。在完工階段，上部荷載會趨向于穩定，而樁間土也開始固結，承載力會比較強，因而其應力比也會開始下降。

4 結語

綜上所述，保定壩排澇泵站工程地基具有軟土層較厚的特點，因此其承載力無法切實保障上部建筑結構的安全，可采用預應力管樁方法進行地基加固處理，形成樁土復合結構，提高實際承載力值。由本文分析可知，在管樁施工完成后，對其現場開展荷載試驗，發現其承載力可達到泵站建設的設計要求，上部泵站實際施工過程中，樁土沉降差會逐漸增大，但施工完成后沉降差值又會減小，其應力比值也是先上升后下降，整體來看，預應力管樁法在其地基加固處理中的應用具有可行性。