清北電排站地基處理設(shè)計(jì)中CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用

吉同毅

（清遠(yuǎn)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

0 引言

在水利工程設(shè)計(jì)過程中，因天然地基無法滿足建筑物基底應(yīng)力要求，則需要進(jìn)行地基加固處理，達(dá)到消除地基土的液化和提高承載力的目的。水工建筑物常用的樁基礎(chǔ)復(fù)合地基處理方法有水泥土攪拌樁、鋼筋砼灌注樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、砼預(yù)制管樁等。由于CFG樁的材料加入了粉煤灰且無配筋，造價(jià)為一般樁基礎(chǔ)處理方案的1/3～1/2，且施工簡(jiǎn)單，適用地質(zhì)變化能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常顯著，應(yīng)用廣泛[1]。

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡(jiǎn)稱，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，與樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。CFG樁樁身砼強(qiáng)度等級(jí)多在C15～C25之間。以廣東省清遠(yuǎn)市清城區(qū)清北電排站應(yīng)急擴(kuò)容工程2#泵房地基處理作為典型論述。清北電排站位于清城區(qū)瀾水河北江出口處往上游約300 m處、東城街道辦事處瀾水村，擴(kuò)容新建電排站裝機(jī)容量為900kW（3×300 kW)，設(shè)計(jì)電排流量11.3 m3/s。

1 巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)及樁設(shè)計(jì)參數(shù)值

查閱《廣東省清遠(yuǎn)市清城區(qū)清北電排站應(yīng)急擴(kuò)容工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，本次地基處理采用泵房基礎(chǔ)的地質(zhì)鉆孔ZK3的巖土參數(shù)成果進(jìn)行，勘察期間水位為8.44 m，巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)及樁設(shè)計(jì)參數(shù)建議值，見表1。

表1 巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)及樁設(shè)計(jì)參數(shù)建議值匯總表

2 泵房天然地基軟弱下臥層承載力計(jì)算

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5026-2010）作用在泵房上的荷載有自重（包括泵房結(jié)構(gòu)重量、填料重量及永久設(shè)備重量）、靜水壓力、揚(yáng)壓力、土壓力，活荷載（包括人群荷載和設(shè)備活荷載）等，作用在泵房上的土壓力根據(jù)泵房結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的變形條件，按主動(dòng)土壓力計(jì)算。荷載組合分為基本組合和特殊組合，基本組合按完建情況和運(yùn)行情況兩種情況計(jì)算，特殊組合按施工情況和檢修情況兩種情況計(jì)算。即按以下4種工況計(jì)算：①完建情況時(shí)，內(nèi)水位低于基礎(chǔ)高程，沒有靜水壓力和揚(yáng)壓力；②正常情況時(shí)，內(nèi)水位為設(shè)計(jì)運(yùn)行內(nèi)水位，外水位為設(shè)計(jì)運(yùn)行外水位；③施工情況時(shí)，內(nèi)水位低于基礎(chǔ)高程，沒有土壓力靜水壓力、揚(yáng)壓力、土壓力；④檢修情況，內(nèi)水位為設(shè)計(jì)運(yùn)行內(nèi)水位，外水位為設(shè)計(jì)運(yùn)行外水位。通過對(duì)以上4種情況進(jìn)行房基底應(yīng)力計(jì)算分析，完建情況泵房的基底最大應(yīng)力為91.59 kPa，最小應(yīng)力為66.71 kPa；正常運(yùn)行情況泵房的基底最大應(yīng)力為80.85 kPa，最小應(yīng)力為73.58 kPa；施工情況泵房的基底最大應(yīng)力為81.57k Pa，最小應(yīng)力為76.72 kPa；檢修情況泵房的基底最大應(yīng)力為109.47 kPa，最小應(yīng)力為105.08 kPa。

本次基礎(chǔ)應(yīng)力按檢修情況的基底最大應(yīng)力109.47 kPa進(jìn)行驗(yàn)算，基礎(chǔ)底面至地面距離0.9 m。根據(jù)本工程地質(zhì)鉆孔ZK3的成果可知，泵房基礎(chǔ)存在下臥層＜2-2＞淤泥質(zhì)土。需要進(jìn)行軟弱下臥層承載力驗(yàn)算。計(jì)算巖土參數(shù)取值，見表1，泵房天然基礎(chǔ)下的軟弱下臥層＜2-2＞淤泥質(zhì)土承載力計(jì)算驗(yàn)算按以下公式：

式中：Pz為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，軟弱下臥層頂面處的附加壓力值，kPa；Pcz為軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值，kPa；faz為軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后地基承載力特征值，kPa。

墊層底面處的附加壓力值Pz按下式計(jì)算。

式中：b為矩形或條形基礎(chǔ)底面的寬度，13 m；l為矩形基礎(chǔ)底面的寬度，21 m；pk為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值，130 kPa；pc為基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值，kPa；z為基礎(chǔ)底面處墊層的厚度，1.24 m；θ為墊層的壓力擴(kuò)散角，3.09°，按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)規(guī)范表5.2.7取值。

＜2-2＞淤泥質(zhì)土軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后地基承載力特征值faz按下式計(jì)算。

式中：fak為地基承載力特征值，為 60 kPa；ηb、ηd為基礎(chǔ)寬度深度修正系數(shù)，ηb取0，ηd取1；γ為基礎(chǔ)底面以下土的加權(quán)平均重度為，19.30 kN/m3；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度17.30 kN/m3；b為基礎(chǔ)底面寬度，為13 m；d為基礎(chǔ)底面深度，為21 m。

按上述公式計(jì)算，基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值Pc=17.37kPa，軟弱下臥層頂面處的附加壓力值Pz=90.93 kPa，軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值Pcz=41.30 kPa，軟弱下臥層修正后地基承載力特征值faz=91.65 kPa。Pz+Pcz=132.23≥faz=91.65 kPa，則淤泥質(zhì)土無法滿足上部水工建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載的要求，則需要對(duì)需要泵房底部地基整體加固處理。

3 泵房地基處理

2#泵房基底高程為5.10 m，泵房計(jì)算最大地基應(yīng)力為109.47 kPa，考慮到受振動(dòng)荷載影響時(shí)，泵房地基承載力需要修正，修正系數(shù)取0.9，修正后泵房地基承載力應(yīng)不小于109.47÷0.9=121.63 kPa，則泵房設(shè)計(jì)基地承載力取130 kPa。

3.1 基礎(chǔ)處理樁型比選

根據(jù)《廣東省清遠(yuǎn)市清城區(qū)清北電排站應(yīng)急擴(kuò)容工程地質(zhì)勘察報(bào)告》的結(jié)論建議，基巖面上廣泛揭露為3層地層構(gòu)成，依次揭露為＜2-1＞粉質(zhì)粘土、＜2-2＞淤泥質(zhì)土、＜2-3＞粉質(zhì)粘土，開孔表層普遍存在局部人工混凝土層。下部巖土層揭露為基巖層，按風(fēng)化程度不同分為＜3-1＞強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和＜3-2＞弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。對(duì)該泵房基礎(chǔ)處理可采用水泥土攪拌樁、鋼筋砼灌注樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、砼預(yù)制管樁等。對(duì)各樁型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，水泥土攪拌樁、CFG樁、砼預(yù)制管樁按直徑400 mm比較，鋼筋砼灌注樁按直徑800 mm比較。具體比較見表2。

表2 基礎(chǔ)處理樁型經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較表

由表2可以看出，從單米造價(jià)方面比較，水泥土攪拌樁較為節(jié)省，CFG樁其次，砼預(yù)制管樁造價(jià)排第三，鋼筋砼灌注樁最貴。從施工技術(shù)方面比較，水泥土攪拌樁、鋼筋砼灌注樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、砼預(yù)制管樁均適應(yīng)該工程。從施工速度方面比較，由快到慢的是砼預(yù)制管樁、CFG樁、鋼筋砼灌注樁、水泥土攪拌樁。從施工場(chǎng)地方面要求比較，預(yù)制管樁機(jī)械壓樁場(chǎng)地要求最大，鋼筋砼灌注樁場(chǎng)地要求其次，水泥粉煤灰碎石樁和水泥土攪拌樁場(chǎng)地要求差不多。

因本泵站工程為應(yīng)急工程工期較緊，且周邊以開發(fā)為商業(yè)用地難于征用。本次選擇施工速度快、施工機(jī)械占用場(chǎng)地少、性價(jià)比高的樁型，即CFG樁。

CFG樁端設(shè)置于強(qiáng)風(fēng)化泥巖中，樁長(zhǎng)10 m。現(xiàn)選取地質(zhì)鉆孔ZK3進(jìn)行計(jì)算，樁長(zhǎng)為10 m，確定CFG樁地基加固處理方案如下：CFG樁按三角型布置，樁直徑取0.4 m，樁身砼強(qiáng)度為C20，間距1.5 m×1.5 m，樁長(zhǎng)10 m，樁頂設(shè)30 cm厚級(jí)配砂碎石褥墊層，樁端設(shè)置于強(qiáng)風(fēng)化泥巖中。具體布置見圖 1、圖 2。

圖1 泵房地基處理剖面圖

圖2 泵房地基處理平面圖

3.2 泵房復(fù)合地基承載力計(jì)算

泵房基礎(chǔ)下各層土厚度、力學(xué)參數(shù)及CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。單樁承載力按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）有關(guān)公式計(jì)算。可按下列兩式計(jì)算，取其中小者：

式中：Ra為豎向單樁承載力特征值，kN，安全系數(shù)取2；λ為單樁力發(fā)揮系數(shù)，取1；Fcu為樁體28天立方體強(qiáng)度，kPa，采用C20砼取20 MPa；uP為樁的周長(zhǎng)；qsi為第i層土的側(cè)阻力特征值；Li為第i層土厚度；qp為樁端持力層端阻力特征值；Ap為樁截面積。

按公式計(jì)算單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值，分別為Ra1= 628.32 kN，Ra2=387.70 kN。則取其中小者，且安全系數(shù)取2，則Ra=387.7/2=194 kN。

復(fù)合地基承載力特征值按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）要求有關(guān)公式計(jì)算。可按下式計(jì)算。

式中：λ為單樁力發(fā)揮系數(shù)，取1；fspk為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；m為面積置換率；fk為天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，＜2-1＞粉質(zhì)粘土為150 kPa；Ap為樁的截面面積，m2；β為樁間土強(qiáng)度發(fā)揮度，取0.90。

經(jīng)過計(jì)算，復(fù)合地基承載力特征值fspk=174.30 kPa，大于泵房設(shè)計(jì)基地應(yīng)力130 kPa，則處理后地基承載力滿足要求。

3.3 泵房地基處理后地基沉降計(jì)算

地基沉降計(jì)算按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）有關(guān)公式計(jì)算，參考表1巖土參數(shù)，計(jì)算深度為＜3-1＞泥質(zhì)粉砂巖層頂面以上。

式中：S為樁基最終沉降量，mm；S'為按分層總和法計(jì)算出的地基沉降量；φ為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；φe為沉降等效沉降系數(shù)；m為角點(diǎn)法計(jì)算點(diǎn)對(duì)應(yīng)的矩形荷載分塊數(shù)；p0j為第j塊基礎(chǔ)底面附加應(yīng)力，kPa；n為地基沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；Esi為第 i層土壓縮模量；zij、z（i-1）j為樁端平面第 j塊荷載計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面的距離為平均附加應(yīng)力系數(shù)。

將地基應(yīng)力以及各層土有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得表3。

表3 泵房基礎(chǔ)沉降計(jì)算表

沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取0.40。總沉降量：0.4×174.23=69.69 mm，地基沉降量小于200 mm，查《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）可知，滿足規(guī)范要求。

3.4 工程質(zhì)量檢測(cè)

本項(xiàng)目在CFG復(fù)合地基處理施工結(jié)束28d后，進(jìn)行了單體樁及復(fù)合地基靜載試驗(yàn)檢測(cè)。泵房基礎(chǔ)處理施工CFG樁121根。單樁共檢測(cè)3根，檢測(cè)值分別為630.13 kN、678.47 kN、651.95 kN。CFG復(fù)合地基共檢測(cè)3處，檢測(cè)值分別為454.47 kPa、478.59 kPa、426.38 kPa。2#泵房修正后的設(shè)計(jì)基地承載力為130 kPa，通過CFG樁復(fù)合地基處理后的地基承載力大于設(shè)計(jì)地基承載力，則地基處理滿足建筑物承載要求。

4 結(jié)語

工程采用CFG樁復(fù)合地基處理取得了較好的效果。地基處理后有較高的承載力，承載力的提高幅度在200%～300%之間，對(duì)軟土地基承載力提高顯著。該樁型材料具有良好的流動(dòng)性與和易性，灌筑方便及成樁質(zhì)量好，易控制施工質(zhì)量，且施工工期較短，可加快工程建設(shè)進(jìn)度。該樁落在風(fēng)化泥巖上，可較嚴(yán)格地控制地基沉降量，沉降量相對(duì)較小及變形穩(wěn)定快。該樁型工藝性好而簡(jiǎn)單，利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，大量節(jié)約了鋼材和水泥，利用工業(yè)廢料，大大降低了工程造價(jià)。