C.G.S工法在大型泵站地基基礎除險加固中的應用

王 錦

(遼寧省水利水電勘測設計研究院 沈陽 110006)

1 概述

1.1 工程背景

新開河口灌排站建于1997年秋冬季，1998年5月1日開車通水。

但自2008年以來泵站主廠房由于不均勻沉降，伸縮縫處變形明顯增大。第一道伸縮縫開裂寬度14cm，不均勻沉陷8～12cm;第二道伸縮縫開裂寬度約為5cm，不均勻沉陷5～8cm，且呈東南向西北扭曲下沉，副廠房由于主廠房安裝場側向位移產生的水平荷載作用，以及基礎產生不均勻沉降，墻體產生多處裂縫。

1.2 不均勻沉降原因

通過定性和定量的分析認為:安裝間基礎沉降量較大，這是由于安裝場處在楔形回填土及開挖邊坡上，開挖邊坡的原狀土相對較軟弱，因而產生較大沉降，這是安裝場與主泵間出現較大沉降差的主要原因。而主泵間是由于安裝場的較大沉降變形、加之當初是在冬季施工，換砂回填碾壓質量難免受到一定影響，從而產生一定不均勻沉降。但安裝場、主泵間實際沉降比計算量均大，表明地基已處在失穩狀態，必須進行加固處理。加固方法確定采用C.G.S(Compaction Grouting System)工法。

1.3 復合地基基礎處理方法的比選

C.G.S(Compaction Grouting System)工法與高壓噴射注漿法(旋噴法)，粉體噴射攪拌樁，水泥土(深層)攪拌樁法進行了比較，S.G.S工法更適合在除險加固中使用，因為C.G.S工法可在2.0m(新開河口灌排站最下層流道僅約2.0m高)左右高度的狹小空間進行施工，靈活簡便，其他方法設備較大，無法在作業面狹小的情況下進行施工。C.G.S方法也可在寒冷的冬季沒有保溫措施的條件下施工作業，并且可在地下水位較高，不需排水的狀況下鉆孔灌注成樁。

2 C.G.S工法的技術特征

2.1 概要

所謂C.G.S工法是把非流動性的灰漿類注入材料壓入地基中，形成圓柱形狀的均質固結體而壓縮強化周邊地基的地基改良方法。

注入材料為坍落度5cm以下的非流動性砂漿類注入材料，由保證塑性的細顆粒土和增大內摩擦角的粗顆粒土構成，以土—水泥為基本材料，不往周邊地基的空隙里滲透而在地中放射狀施加壓力，強制排出周邊地基土顆粒內空隙中的水和空氣而周邊土被壓縮，形成的孔洞內填充砂漿類注入材料，固結時形成球根而周邊地基的土顆粒之間相對性密度被增進，使地基密實。

2.2 C.G.S工法理論背景

注入過程中，由于注入固結體的形成及膨脹，鄰近固結體的土受巨大的變形和應力，其結果在土和固結體分界面上形成局部性被壓帶，位于一定距離的土應力分布規則且變形為彈性，而受相當定性的擠密。

本方法可以使地基孔洞形成擴張，其機理如下:

a.土與擠密注入材料之間有明顯的接觸面。

b.有依據填充和塑性變形而置換最軟弱部分的傾向。

c.注入固結體的形狀:根據土質的物理性和力學性特性及上部構筑物的荷載等諸因素，可固結成不規則形狀。

均質且等方(向)性地基里，施加于地中的注入壓力通過以注入孔的前端為中心的球形中立界面消散，在此中立面上沒有隨注入的應力和變形影響，因而形成一定的球根。

3 設計計算

3.1 樁長與沉降計算分析

a.考慮到CGS工法設計一般要求，樁端應設在相對硬層(SPT N=30～50)，考慮到本工程的特點，取主泵間與安裝場的樁長為15.00m。

根據地勘資料，主泵間及安裝場的樁長應為樁端進入相對硬層的長度3.0m加上相對軟層的厚度約12.0m，總的樁長為15.0m。

b.樁和樁間土壓縮模量取值:

樁間土8～12MPa;

樁體Es=40MPa。

c.復合壓縮模量(按等當量計算復合壓縮模量)Esp=18 ～23MPa。

d.沉降計算

?設計樁體承載力:300kN/根;?樁間土承載力:處理前樁間土承載力為80～160kN/m2，由于CGS工藝本身對樁間土的擠密特性，處理后樁間土承載力能提高30% ～40%，達到150～200kN/m2;?上部結構荷載:泵房荷載按設計的134.7kN/m2，但考慮迎水面和背水面存在荷載差異，由于迎水面水自重作用，泵房基礎地面所受荷載是不同的，靠近背水面所受荷載最大，經計算為145.3kN/m2，沉降計算按最大荷載計算。

3.2 CGS復合地基承載力計算

3.2.1 引用公式

根據《建筑地基處理技術規范》7.2.8的規定，復合地基的承載力特征值可按下式估算:

fspk=［1+m(n-1)］fk

式中 fspk—天然地基承載力特征值;

m—面積置換率;

n—樁土應力比，可取2～4。原土強度低取大值，原土強度高取小值。安裝場下斜坡土體處在粉黏互層土段，對應的原土強度為90kPa，而加固后的強度要達到160kPa，顯然原土強度低，故取n=4。主泵間的土體處在粉土段，對應的原土強度為130kPa，而加固后的強度要達到160kPa，顯然原土強度低，故取n=3。

a.安裝場樁的布置采用梅花形布置，樁的間距S=1.0m

樁的等效影響圓的直徑 de=1.13，S=1.13×1.0=1.13m

樁的直徑d=0.6m

地基承載力的確定公式為:

該值滿足設計要求。

b.主泵間樁的布置采用梅花形布置，樁的間距S=1.3m

樁的等效影響圓的直徑 de=1.13，S=1.13×1.3=1.469.m

樁的直徑d=0.6m

地基承載力的確定公式為:

該值滿足設計要求。

3.2.2 平面布置

根據《建筑地基處理技術規范》7.2.1條規定，在基礎外緣宜擴大1～2排樁。

安裝場下基底平面尺寸為6.36m×10.5m。布置124根樁。

主泵間的兩段廠房下的基底平面尺寸分別為:17.98m×10.5m，18.36m×10.5m。布置284根樁。

沉降公式為:

式中 s——地基最終變形量，mm;

s'——按分層總和法計算出的地基變形量;

ψs——沉降計算經驗系數，ψs=0.2 ～0.4;

n——地基變形計算深度范圍內劃分的土層數，n=5;

p0——對應于荷載效應準永久組合時的基礎底面處的附加應力，p0=273.2kPa;

Esi—基礎底面第i層土的壓縮模量，取每層土復合壓縮模量 Esp，Esi=18MPa。

最終沉降量11.11mm，滿足設計要求。考慮本工程實際運行情況及計算成果與實際情況的差異，此計算結果偏于保守。

4 結語

C.G.S工法處理新開河口大型灌排泵站不均勻沉降問題，解決了常規地基基礎處理設計方法在地基基礎除險加固工程中不普遍適用的技術難題，經過了兩年實際運行的考驗。通過長期實際觀測，未發現泵站有再傾斜的趨勢，表明泵站已經穩定，證明了C.G.S工法在新開河口大型灌排泵站基底加固的實用性。C.G.S工法在國內首次用于大型泵站基底加固，沒有先例，是一項技術創新。在原理、結構、技術特征方面均屬國內外首創，技術經濟指標達到了同類技術的國內領先水平。

1 江正榮．地基與基礎施工手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，2005．

2 唐業清．簡明地基基礎設計施工手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，2003.