化家溝泵站局部地基采用木樁復合地基方案論證及設計施工

孟范兵,夏珊珊

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概述

化家溝泵站位于固鎮縣澮河左岸，采用堤后式布置及出水涵洞為穿堤建筑物，設計排澇流量為66.77 m3/s，總裝機容量為3 360 kW(大(2)型)，泵站平面及縱剖面見圖1。該泵站淤泥質重粉質壤土地基承載力不能滿足設計承載力要求，原設計采用水泥土攪拌樁加固處理。在工程施工過程中，發現泵站站身局部地基受淤泥質土有機質含量高的影響，水泥土攪拌樁不能成樁，必須調整局部地基處理方式。

根據地質條件變化、工程進度總體安排及度汛等要求，適宜的地基處理方案不多。設計比較了開挖換填、預制混凝土管樁、木樁3種地基加固處理方案，前兩個方案對工程施工總體影響較大，管樁方案還會產生站身底板地基均勻性問題。經過現場討論與技術方案對比，認為對局部地基處理采用木樁處理方案相對適合現場條件。

圖1 泵站平面及縱剖面示意

按100 a使用年限提出了木樁防腐設計要求，木樁復合地基設計達到規范規定的工程安全及耐久性要求。施工過程中嚴格控制質量，木樁復合地基檢測結果合格。

2 工程建設情況

2.1 現場施工情況

工程于2019年10月12日開工建設，10月28日3臺打樁機分部位進行水泥土攪拌樁施工，11月19日，站身西北角區域攪拌樁施工出現異常，11月21—22日對該區域攪拌樁鉆芯取樣抽檢，發現樁體中下段約長1 m芯樣缺失，現場暫停該區域攪拌樁施工，12月5日，補充勘察結論，判斷不能成樁的原因為該區域淤泥質土有機質含量過高，有機質含量約10%～40%不等，最大達40%(見圖2)。

圖2 含有機質土樣示意

當時現場施工基坑開挖降水難度大、大型設備進場困難、工作面狹小、度汛工期要求等困難。根據防汛要求，泵站必須于2020年4月30日前完成大堤復堤及泵房底板澆筑工作，據此節點倒排工期，須于2020年1月22日前完成所有地基處理作業并樁基檢測合格。

施工單位就不同樁的采購及打樁機械設備進行了市場調研。鋼筋混凝土預制管樁及木樁易于采購，小型鋼筋混凝土樁需定制，至少需要60個工作日才能到位(不含春節假期)，周期較長，不利于工期。預制管樁及小型混凝土樁需采用DF-62型錘擊打樁機，該型機械臨近春節，租賃困難，木樁可采用450型振動錘打樁機，當地易于租賃。

2.2 原地基處理設計情況

1) 泵站地質情況

圖3 泵房地質剖面示意

2) 原地基處理設計

為提高地基承載力，在站身斜坡段、壓力水箱及涵洞底板以下采用水泥土攪拌樁復合地基進行處理。根據計算，水泥土攪拌樁置換率為20%，復合地基承載力為120 kPa；置換率為30.7%時，復合地基承載力為152 kPa。

水泥土攪拌樁布置：在泵站站身底板(主要在其斜坡段)部位，樁徑為0.5 m，樁距為0.8 m，置換率為30.7%，水泥滲入比為18%，樁身進入下臥相對硬土層1.0 m，平均樁長為5.0 m；壓力水箱及涵洞底板部位，樁徑為0.5 m，樁距為1.0 m，置換率為20%，平均樁長為6.5 m。

3 局部地基處理變更方案比選

3.1 比選方案擬定

站身東側大部分地基為強度較高的③層粘性土或③1層粘性土與砂性土互層上，承載力可滿足要求。站身西側及其余出水建筑物地基為淤泥質土，因承載力不足，均采用了水泥土攪拌樁加固。站身東側不需加固處理的地基面積約占站身地基面積的65%，需進行加固處理的地基面積占站身地基面積的35%，這部分地基原設計采用水泥土攪拌樁加固，其中因有機質土層需變更地基處理方案部分的地基面積占站身地基面積的9%。泵站站身為整底板結構，同一底板下存在3種特性的地基，變更地基處理方式需重點考慮地基均勻性，以控制站身底板不均勻沉降、滿足底板結構整體受力要求。為合理確定局部地基處理變更設計方案，根據泵站地基淤泥質有機質土特點，建筑物承載力及地基變形控制等要求，對局部地基處理變更方案進行比選。

綜合考慮工程度汛要求和現場條件約束等因素，擬定以下3種比選方案。

方案一：水泥土換填方案。開挖底板下全部淤泥質土及有機質土，換填8%水泥土，換填深度為4 m左右。

方案二：木樁復合地基方案。木樁穿過淤泥質土及有機質土，進入③層粘性土或③1層粘性土與砂性土互層不小于1 m，樁頂設水泥土褥墊層，形成木樁復合地基。根據承載力計算，木樁布置間距為0.45 m，樁徑不小于0.15 m，樁長為4～5 m。

方案三：預制管樁復合地基方案。考慮沉樁穩定和地基加固要求，管樁穿過淤泥質土及有機質土，進入③層粘性土或③1層粘性土與砂性土互層不小于2 m，樁頂設塑性砼褥墊層，形成管樁復合地基。按承載力計算，管樁布置間距為1.2 m，樁長為6 m，樁徑為0.4 m。

3.2 方案比較

泵站局部地基處理變更是在工程施工過程中提出的，變更地基處理措施與現場施工存在交叉干擾，為優選方案，從以下5個方面進行綜合比較。

1) 工程施工

換填方案對基坑安全及地基擾動影響較大，現場不具備施工條件。換填方案在基坑建基面以下需開挖約4 m深，至下部③1層中砂壤土層，擊穿承壓水，必須有可靠的工程措施控制地下水對基坑安全構成的威脅。若進一步降水對基坑周邊影響增大(按1:10降水漏斗估算，基坑降水影響范圍一側約擴大40 m)。因臨近澮河，基坑降水加深4 m，難度劇增。開挖換填施工，在淤泥質土中會產生高差約4 m的施工臨空面，考慮邊坡穩定要求宜采用緩坡(本地經驗一般1:3)開挖，開挖上口線在換填范圍外12 m左右，會對周邊已施工的水泥土攪拌樁破壞較多。淤泥質邊坡向臨空面蠕變會在相應部位的水泥土攪拌樁體產生剪應力。按度汛工期要求，開挖時水泥土攪拌樁齡期未達90 d，不能達到其設計強度，開挖往往對攪拌樁傷害較大，影響攪拌樁質量。基于以上分析，認為換填方案弊大于利，不宜選擇。

木樁因樁徑小、質輕，專業成樁設備為小型機械，對場地要求不高，現場條件易滿足施工要求，可與水泥土攪拌樁平行或錯開施工，施工安排較為靈活，總體上不會影響工程施工進度。

預制管樁施工機具一般較大，現場條件難滿足施工要求，需要加厚淤泥質土上的施工平臺，對水泥土攪拌樁(當時4臺設備正在施工)施工安排影響較大，進而會延長地基處理施工工期和工程總體進度。

2) 經濟性

對鋼筋混凝土預制管樁、木樁、水泥土換填3種方案分別進行經濟技術比選(見表1)，從表1可知，3種方案可比投資相當。

3)地基均勻性

地基均勻性：換填水泥土方案最優，水泥土強度高，均勻性好，質量易保證。木樁與預制管樁復合地基均屬于剛性樁復合地基，木樁、預制管樁與淤泥質土在強度、變形模量上差距較大，受力時樁土作用更多是樁基特性，與水泥土攪拌樁等復合地基的受力特性差異性較大。木樁因樁徑小，柔韌性好，有剛性底板、褥墊層調整等作用，其在復合地基樁土共同作用上優于管樁。

表1 地基處理方案工程量及可比造價比較

站身局部變更地基處理方案，同一結構底板下有天然地基、水泥土攪拌樁復合地基和變更的處理地基，變更地基處理方案必須考慮同一結構下不同形式地基作用的均勻性及其對結構受力的影響。對此，通過以下不同地基形式的沉降分析，比較變更地基處理方案的優缺點。

① 站身天然地基沉降平均值計算

天然地基上建筑物的沉降變形按(1)式計算：

(1)

本次計算采用角點法，將2塊地基近似簡化為等效面積矩形模型，分別計算站身中心及邊角沉降變形。站身底板平均基底應力為148 kPa，天然地基土層依次為：③1層砂壤土與粉質壤土互層，壓縮模量Es為8.0 MPa，土層厚度為5 m；③重粉質壤土，壓縮模量Es為6.0 MPa，土層厚度為1.5 m；③2層砂壤土、輕粉質壤土，壓縮模量Es為10.0 MPa，厚度為7.5 m；④層重粉質壤土，壓縮模量Es為13.0 MPa。

經計算，天然地基平均沉降量最大為7.0 cm，平均值為6.5 m。

② 水泥土攪拌樁復合地基沉降計算

水泥土攪拌樁復合地基設計，樁徑為0.5 m，間距為0.8 m，樁長為5.0 m。

復合地基沉降由加固區復合土層壓縮變形量S1和樁端下未加固土層的壓縮變形量S2組成。S1、S2分別按式(2)(4)計算。

(2)

Espt=mEPt+(1-m)Esi

(3)

(4)

式中 Δpi為第i層土的平均附加應力增量，kPa；Li為第i層土的厚度，mm；m為復合地基置換率；Ψsi為復合地基加固區復合土層壓縮變形量下計算經驗系數；Espt為第i層土的復合土體壓縮模量，kPa；Ept為第i層水泥土攪拌樁體壓縮模量，kPa；Esi為第i層土壓縮模量，kPa；Ψs2為復合地基加固區下臥土層壓縮變形量下計算經驗系數，本工程取1.3。

經計算，水泥土攪拌樁地基處理沉降量為S=S1+S2=5.6 cm。

③ 預制管樁復合地基沉降計算

淤泥質軟土地基采用預制管樁處理，樁頂設塑性砼，形成管樁復合地基。管樁設計樁長為6.0 m，樁徑為0.4 m，間距為1.5 m。剛性樁復合地基加固區復合土層壓縮變形量S1及和樁端下未加固土層的壓縮變形量S2分別按式(5)(4)計算：

(5)

式中Q為樁頂附加荷載，kN；L為樁長，mm；Ep為樁體壓縮模量，C80管樁彈性模量為3.8×107kPa；Ap為單樁截面積,m2；Ψp為剛性樁體刺入系數，砂土為1.0，粉土為1.15，黏性土為1.30，本工程取1.2。

經計算，管樁地基處理沉降為S=S1+S2=2.6 cm。

④ 木樁復合地基沉降計算

淤泥質地基采用木樁處理，形成木樁復合地基。木樁樁徑為0.15 m，間距為0.45 m，樁長為4.0 m。木樁沉降依然采用剛性樁復合地基沉降公式按式(5)(4)計算。

東北落葉松TC17-B彈性模量為1.0×107kPa；長期恒載工況下，彈性模量調整系數為0.8，設計年限100年及以上彈性模量調整系數為0.9，考慮木樁長期處于水下，材料細小，生長年限較短，本次設計木樁設計調整系數采用0.9×0.8=0.72。

木樁彈性模量Ep=0.72×1.0×107=0.72×107kPa，考慮木樁下部樁頭削尖，刺入系數采用1.3。

經計算，木樁地基處理沉降為S=S1+S2=5.1 cm。

⑤ 水泥土換填地基沉降計算

地基持力層淤泥質土層采用水泥土換填，水泥摻入比為8%，壓縮模量E=100 MPa，下臥層同原狀地基，沉降采用天然地基沉降公式按式(1)計算，沉降計算值為4.6 cm。

⑥ 沉降差異性分析

從木樁、預制管樁復合地基沉降計算結果分析，站身底板下天然地基(③1層或③2層)、水泥土攪拌樁復合地基、木樁復合地基的沉降差異較小，對建筑物沉降控制、站身結構應力有利。本工程有機質土層若采用管樁復合地基，同一站身底板不同地基型式間計算沉降差大于3 cm，此沉降差會產生較大站身結構內力，易引起結構性破壞(分析見后)，不均勻沉降也會對機泵運行產生不利影響。

4) 耐久性比較

地基處理長期處于地下水環境，根據地質勘探報告，本工程區地下水對混凝土等無腐蝕性，水泥土一般也不會出現沙化，水泥土與管樁的耐久性不低于泵站結構的耐久性，而木樁的耐久性較管樁等混凝土結構要差，但做好木樁的材料選擇、防腐設計、防腐處理控制，木結構可以達到本工程使用年限50 a耐久性要求。

5) 結構應力比較

本工程站身為整底板結構，處于3種不同的地基，地基沉降對底板結構應力反映較為敏感。為此，采用有限元方法對不同的局部地基處理變更方案的站身底板結構應力進行分析(見圖4～5)。

圖4 木樁復合地基結構應力云示意

圖5 管樁地基結構應力云示意

① 木樁樁復合地基模型下的底板結構應力分布相對均勻，底板最大設計應力在設計強度范圍內。

② 管樁復合地基模型下的底板結構應力分布，在地基處理方式變化界面處出現突變，地基出現拉應力，部分單元結構應力陡增，說明該分析模型下的底板結構應力較差，存在結構破壞風險。

3.3 地基處理變更方案

泵站地基含淤泥質有機質土范圍較小，而站身地基應力(148 kPa)大，站身底板需坐落在3種地基上，局部地基處理變更方案的確定，需滿足地基強度、地基均勻性的綜合要求，結合工程現場施工條件及度汛要求，經上述綜合分析比較，對局部有機質含量高軟土地基采用木樁復合地基處理較為合適。

4 木樁復合地基設計及施工

4.1 木樁復合地基設計

根據《復合地基技術規范》，木樁豎向抗壓承載力特征值Ra，取由樁周土和樁端土的抗力能提供的單樁豎向抗壓承載力特征值Ra1和由樁體材料強度能提供的單樁豎向抗壓承載力特征值Ra2二者中的較小值，剛性樁復合地基設計中應Ra2大于Ra1，以滿足長期工作條件下，由于土體蠕變等因素造成樁土荷載分擔比例增大，分別按式(6)(7)計算：

(6)

Ra2=ηfcuAp

(7)

式中Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值,kN；Ap為單樁截面積,m2；up為樁的截面周長,m；n為樁長范圍所內所劃分的土層數；qsi為第i層土的樁側摩阻力特征值,kPa;li為樁長范圍內第i層土的厚度,m;qp為樁端土地基承載力特征值,kPa；α為樁端土地基承載力折減系數，剛性樁復合地基α取1.0；fcu為樁體抗壓強度平均值,kPa;η為 樁體強度折減系數，η可取0.34。

木樁復合地基承載力特征值fspk按式(8)計算：

fspk=βpmRa/Ap+βs(1-m)fak

(8)

式中fspk為復合地基承載力特征值，kPa;fak為樁間土地基承載力特征值，kPa；m為復合地基置換率置換率；βp為樁體豎向抗壓承載力修正系數，本工程取1.0;βs為樁間土地基承載力修正系數，本工程取0.65。

木樁樁徑為0.15 m，樁長為4.0 m，間距為0.45 m，局部木樁布置見圖6所示。

東北落葉松TC17-B抗壓強度為1.5×104kPa，考慮木樁長期處于水下，材料細小，生長年限較短，木樁設計調整系數為0.72。

木樁單樁承載力特征值為35.2 kN，復合地基承載力為160.5 kPa，滿足設計要求。

說明：1.本次地基處理分別為水泥土攪拌樁、木樁、水泥土換填3種方式，其中水泥土攪拌樁樁徑為0.5 m，水泥摻入比根據試樁結果確定，外加適量早強劑；木樁采用短松木樁，樁徑大于15 cm，間隔為0.45 m；水泥土換填的水泥摻入比為8%，壓實度不小于0.96；2.在施工過程中，水泥土雙向攪拌樁及水泥土換填范圍根據先導孔及現場情況可適當調整，攪拌樁深入硬土層不小于1.0 m，木樁深入硬土層不小于1.0 m；3.木樁采購時應注意木材質地，樁身不得有蛀孔、裂紋或其它足以損害強度之瑕疵，木樁選材采用短松木樁，使用前須防腐處理，使用分類為C4.2，防腐載藥量及防腐投入須滿足《防腐木材工程應用技術標準》(GB 50828—2012)樁長應略大于設計樁長；4.木樁頂部設C25砼墊層，木樁深入墊層200 mm，樁頂100 mm處鋪設Φ12@200鋼筋網。

4.2 木樁耐久性設計

化家溝泵站為大(2)型排澇泵站，主要建筑物結構使用年限為50 a，木樁基礎需滿足建筑物耐久性要求，設計使用年限50 a。從材料、結構上來說，木樁屬于木結構，木樁耐久性設計主要在木樁材料選擇、力學指標確定及木材防腐3個方面：

1) 設計木樁為抗壓構件，根據其強度及彈性模量設計值要求，確定樁木強度等級為TC17，組別為B，由此查得樁木可選用耐腐蝕性強東北落葉松。

2) 木樁設計所采用的力學指標主要為強度和彈性模量，在木樁復合地基計算中，按規范100 a及以上設計使用年限對指標進行了折減。

3) 根據地質勘察報告，該區域地下水對鋼筋混凝土無腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性。根據地下水揭露情況顯示，木樁常年淹沒于地下水之下，本工程木樁的使用分類為C4.2。C4.2使用條件下，本工程木樁采用ACQ( 銅胺(氨)季銨鹽)木材防腐劑，防腐處理后，木材防腐載藥量≥9.6 kg/m3，防腐劑透入度≥95%，采用此防腐設計指標能保證木材耐久性指標滿足設計使用年限要求。

4.3 木樁施工

1) 木樁材料

樁基木材選用東北落葉松木，含豐富松脂，能很好地防止地下水和細菌對其的腐蝕，采購樁長為6 m，小頭徑不小于15 cm。木材等級為Ⅰ等，斜率≤5%，連接受剪面上不允許有裂紋，無蟲眼。外觀質量滿足規范要求。

2) 防腐

本工程采用ACQ( 銅胺(氨)季銨鹽)木材防腐劑，分2遍進行防腐處理。

第1遍防腐處理采用浸泡法：由木材供應廠家在其工廠專用防腐設備中進行浸泡。將ACQ與水按3%進行配制在容器內，將松木浸泡于容器中，浸泡時間為12 h；第2遍防腐處理采用噴灑法：木材進入施工現場后現場處理，將ACQ防腐劑按1：3與水進行配制，采用噴霧器將防腐劑噴在木樁表面，待晾干后即可施工。

ACQ防腐劑為淡藍色液體，處理木材后的顏色為淺咖啡色，略帶氨味，抗流失性強，不降低木材強度，通過ACQ處理的木材在常溫環境下可延長其使用壽命增加5倍以上。

經自檢和監理抽檢，木材防腐載藥量≥9.6 kg/m3，防腐劑邊材透入率≥95%。

3) 沉樁施工

木樁采用挖掘機配合人工進行樁位定位，采用日立450型振動錘打樁機打進，控制樁身垂直度≤1.5%，樁頭入硬土層深≥2 m，頂部采用30 cm厚C25鋼筋混凝土嵌固樁頭，使其連成整體，共同發揮承載作用。

4.4質量檢測

木樁施工過程中，木樁防腐載藥量及透入度通過施工單位自檢、監理復檢的方式控制其防腐處理質量，檢測均合格。木樁施工完成后，經第三方進行了抽檢。

1) 木樁單樁承載力檢驗

在施工場地隨機選擇3根單樁進行豎向抗壓荷載試驗，最大試驗荷載為75 kN，試驗成果見表2。

由表2可知，單樁極限承載力≥75 kN，在單樁承載力特征值37.5 kN作用下，相應樁頂沉降量為7.6～8.7 mm，滿足設計要求。

表2 單樁豎向抗壓靜荷載試驗成果

2) 單樁復合地基承載力檢驗

隨機選擇3根單樁復合地基進行垂直靜載荷試驗，承壓板面積等于1根單樁所承擔的處理面積，采用邊長為450 mm×450 mm正方形鋼質承壓板，厚度為 50 mm，單樁復合地基試驗成果見表3。

表3 單樁復合地基靜荷載試驗成果

由表3可知，單樁復合地基的極限承載力≥325 kN，在復合地基承載力特征值162 kN作用下，相應樁頂沉降量為3.9～4.5 mm，相對沉降為0.008～0.01，滿足設計要求。

3) 加固效果分析

局部地基采用木樁加固后，單樁承載力特征值達到37.5 kN，復合地基承載力特征值達到162 kN，滿足設計要求。

5 結語

本工程在施工過程中因局部軟土有機質含量高，調整了局部地基處理方案，采用木樁復合地基處理。木樁復合地基設計和論證結果能滿足設計規范相關要求，在水利工程中，做好木樁的防腐、提高其耐久性，木樁可用于處理厚度不大于5 m的有機質含量高軟弱土地基。