某自重濕陷性黃土地區(qū)水廠結構設計紀實

魏耀紅 胡純

摘 要：某濕陷性黃土地區(qū)的水廠采用了灰土擠密樁進行地基處理，本文總結了該水廠地基處理、上部結構設計的經(jīng)驗和教訓，可作為類似工程的參考。

關鍵詞：濕陷性黃土;水廠;灰土;擠密樁;水池;構筑物

我國幅員遼闊，地形地貌變化萬千，地質成因、地質特點、氣候特征迥異，這就給設計人員提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。從東南沿海到江漢平原，從黃土高原到青藏高原，每到一個新的地域，面臨新的環(huán)境都倍感棘手，甚至走一些彎路。我院地處華中，接觸較多的是華中和東南沿海的工程，西北地區(qū)的市政工程設計先有接觸，對濕陷性黃土的認識尤為有限。在本水廠的設計與施工過程中，邊試驗摸索邊修改設計參數(shù)，頗費周折，有的甚至突破了規(guī)范允許范疇，但從水廠運行幾年的情況看，結構設計還是成功的。本文主要談及濕陷性黃土地區(qū)水廠的地基處理設計，意在給遇到類似情況的設計者參考和借鑒。

本水廠設計規(guī)模近期為5萬噸/d，遠期為10萬噸/d，位于陜西省楊凌市，楊凌位于西安市西50公里，屬濕陷性黃土地區(qū)。廠區(qū)占地總面積47511.8m2，約80畝，其中常規(guī)處理用地38829.0m2，預留深度處理用地8682.8m2。廠內構、建筑物包含折板反應平流沉淀池、氣水反沖洗濾池、清水池、反沖洗泵房、機修倉庫、配電間、加藥間、送水泵房、排水排泥池、濃縮池、脫水車間、綜合樓、門房等，除門房重要性等級為丙類建筑外其余均為乙類。

1 場地地質條件

工程場地地貌單元為黃土塬，地形較平坦開闊，場地地層巖性分布穩(wěn)定。地面高程522.56～524.81m，高差為2.25m。地勘報告揭示，場地勘探深度內地層巖性主要為第四系松散堆積物，即主要由第四系上、中更新統(tǒng)風積黃土、殘積古土壤等組成。按地層成因、埋藏條件、巖土特征及土工試驗結果，將勘探深度范圍內的地層自上而下劃分為5個工程地質層，地層描述如下：①層黃土：可塑。天然孔隙比平均值為0.905，壓縮系數(shù)a1-2平均值為0.43MPa-1，屬中偏高壓縮性土，具濕陷性，濕陷系數(shù)為0.015～0.034，濕陷程度輕微中等。其承載力特征值fak=160kPa，厚度8.0～9.5m。②層古土壤：硬塑。天然孔隙比平均值為0.734，壓縮系數(shù)a1-2平均值為0.20MPa-1，屬中壓縮性土，具濕陷性，濕陷系數(shù)0.015～0.029，濕陷程度輕微。其承載力特征值fak=180kPa。厚度3.1～3.6m。③層黃土：可塑。天然孔隙比平均值為0.918，壓縮系數(shù)a1-2平均值為0.21MPa-1，屬中壓縮性土，具濕陷性，濕陷系數(shù)0.015～0.027，濕陷程度輕微。其承載力特征值fak=170kPa。厚度約6.9～8.0m。④層古土壤：硬塑。天然孔隙比平均值為0.817，壓縮系數(shù)a1-2平均值為0.18MPa-1，屬中偏低壓縮性土，不具濕陷性。其承載力特征值fak=190kPa。厚度約1.9～2.2m。⑤層黃土：硬塑。天然孔隙比平均值為0.810，壓縮系數(shù)a1-2平均值為0.17 MPa-1，屬中偏低壓縮性土，濕陷性。其承載力特征值fak=180kPa。厚度較厚未揭穿。

地勘報告評價，場地濕陷類型屬自重濕陷性黃土類型，地基濕陷等級為II級（中等）。場地地下潛水位埋深大于100m。無液化土層。

2 基礎和地基處理方案

本場地是濕陷性黃土，而水廠構筑物是盛水構筑物，近年來盛水構筑物的滲漏已經(jīng)成為一種常態(tài)化的現(xiàn)象，這構成了一對不可調和的矛盾。如果本工程水池漏水并滲入地基，將會引發(fā)地基沉降，地基沉降又會引發(fā)水池結構開裂甚至破壞，結構設計要充分認識這種風險，所以構筑物結構本身的設計關鍵是“控水”，一方面在設計上搞清易漏點，采取措施減少漏水機會，減少漏水量，另一方面做好地基的處理，消除或部分消除濕陷性，做好隔水阻水措施，最大限度的減少構筑物漏水對地基的影響。

根據(jù)以上結構設計的總體指導思想和對《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》學習，認為預浸水法對現(xiàn)有場地圍墻、鄰近的周邊民宅會造成影響，且規(guī)范要求浸水坑邊長不小于黃土厚度，浸水時間在2～4個月，還要進行復勘和淺層土處理，該法漫長的時間、繁復的過程、對周邊建筑的影響，所以該法最先被排除，并初步確定了預應力鋼筋混凝土管樁、灰土樁擠密法、墊層法和強夯四種地基處理方案。強夯常常用于處理濕陷性黃土地基，但由于周邊民宅與場地僅一路之隔，且民宅為磚瓦房，砌體結構，強夯施工的震動可能會引起民房的開裂甚至倒塌，引發(fā)危險和糾紛，故排除了強夯法。在初步設計中，由于對濕陷性黃土的恐懼，我們選擇了較為熟悉的預應力混凝土管樁樁基礎。在初設評審中，受到與會專家的批評，專家指出不切合當?shù)貙嶋H，當?shù)厥袌錾峡赡軣o法采購到管樁，且根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》5.7.2.2條，在自重濕陷性黃土場地，樁端應支承在可靠的巖（或土）層中，本場地濕陷性黃土厚度超過100米以上，確定樁端持力層是比較困難的，而且樁長較長會造成費用較高，用預應力管樁和其它樁基礎是不太合適的，應該采用當?shù)爻Ｓ玫姆椒ㄟM行地基處理。

經(jīng)過對規(guī)范的進一步學習和對當?shù)亟ㄖ袌龅某醪秸{研了解，以及本工程的結構和場地地質特點，最后確定了構筑物地基處理采用灰土擠密樁+灰土墊層，建筑物采用灰土墊層的處理方法。具體來說構筑物直徑426灰土（3：7）擠密樁，樁距1.4m，平面為梅花形布置，樁長15m，按照規(guī)范6.4.9的要求，在灰土擠密樁樁頂以上，構筑物底板以下再換填0.5m厚3：7灰土墊層，此墊層超出主體底板（不含北側排泥渠）邊緣以外1.5m，要求灰土擠密樁的壓實系數(shù)不小于0.97，灰土墊層的壓實系數(shù)不小于0.95。本場地的濕陷性黃土厚度上百米未揭穿，按照《規(guī)范》6.1.4.2條要求處理厚度要達到濕陷性土層深度2/3是有難度的。對于生產車間和辦公樓等建筑，由于室內只有小型水池和少量生活用水，采用換填2.5m厚的處理措施。

具體以折板反應平流沉淀為例，池長102.65m，寬19.8m，折板反應部分池深5.0m，平流沉淀池部分池深3.5m，長向設4道伸縮縫，縫內埋設橡膠止水帶，以下為該池的地基處理圖：