預應力管樁在二明竇排澇泵站地基處理中的應用

鄭 銳

（臨汾市水利勘測設計院，山西 臨汾 041000）

1 引言

軟土地基力學性質差，承載力低，是制約工程建設的一個重要因素。建筑物修建于軟土地基上，極易出現沉降量過大等問題。針對軟土地基進行地基處理是十分必要的，可提高地基土的承載力，滿足承載力要求，從而保證上部主體結構的安全。目前，針對軟土地基主要采用以下方式進行處理：真空預壓法、擠密碎石樁法、換填法、預應力管樁等。不同的處理方式適用于不同的地質情況，需要結合實際情況采取合理的方法。數值模擬是巖土工程領域極為常用的研究方法，具有模型建立簡便、計算速度快、結果準確等優勢。結合二明竇泵站工程，研究預應力管樁在泵站軟土地基處理工程的應用。

2 工程概況

二明竇排澇泵站位于中山市古鎮西部順成河出口海洲水道東岸。二明竇排澇泵站控制集雨面積15.1 km2。現有排澇工程標準低，裝機容量不足，主要的排澇河道二明竇段內河涌僅寬4 m，二明竇水閘凈寬3.5 m，加之違章建筑擠占河道，嚴重阻塞了排澇暢通。二明竇排澇泵站按10年一遇24 h 暴雨一日排干的標準設計，設計排水流量為27.6 m3/s，泵站裝機3 臺，總裝機容量2130 kW，屬中型工程，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3 級。防洪設計標準為50年一遇，相應的外江水位4.65 m。

3 樁基處理方案

根據地基和上部荷載特性，泵站主廠房基礎處理采用Φ500 預應力砼管樁，管樁采用PHC型AB 組，壁厚為125 mm。

①單樁豎向承載力計算

端承摩擦型樁進行設計，根據下式計算單樁豎向承載力設計值：

式中：Ra單樁豎向承載力特征值，kN；u 樁身周長，m；qsia樁側第i 層土的極限側阻力標準值，kPa；Li樁穿越第i 層土的厚度，m；qpa極限端阻力標準值，kPa：Ap樁端面積，m2。

②單樁水平承載力計算

單樁水平承載力設計值按下式計算：

式中：Rh單樁水平承載力特征值，kN；α 樁的水平變形系數；EI 樁身抗彎剛度；χoa樁頂容許水平位移；γx樁頂水平位移系數。

經計算，Φ500 預應力管樁單樁豎向承載力特征值為1044.84 kN，考慮水平力群樁效應的單樁水平承載力特征值為139.34 kN。

泵房主廠房基礎下部順水流方向共布樁6 排，排距2.0 m～2.7 m，每排布7 根樁，樁距2.8 m～3.0 m，總樁數42 根，平均樁長17m。根據泵房主廠房上部結構的地基應力和樁位布置，最大豎直荷載按完建無水期考慮，最大水平荷載按校核洪水位時考慮。經計算，單樁豎向荷載為761 kN，小于單樁豎向承載力特征值1044.84 kN，單樁水平荷載為136.4 kN，小于單樁水平承載力特征值（考慮水平力群樁效應）139.34 kN，滿足設計要求。為增強泵站主廠房的抗滲穩定性，主廠房基礎四周采用φ500水泥攪拌樁圍封，樁距0.4 m，平均樁長9 m。

4 預應力管樁加固效果分析

4.1 現場試驗

為研究預應力管樁以及水泥攪拌樁圍封加固后的效果，獲取處理后的復核地基土的承載力特征值，現場載荷試驗進行檢測分析。現場載荷試驗結果見表1。

表1 載荷試驗結果

表1 中的現場載荷試驗結果表明：使用預應力管樁處理后的樁土復合地基承載力明顯提升。其中預應力管樁基礎承載力較大，載荷試驗結果約為380 kPa。樁間土承載力在管樁施工的擠密作用影響下也有了較為顯著的提升，檢測結果表明樁間土承載力約為140 kPa。綜合計算，采用預應力管樁處理結合水泥土攪拌樁圍封后的復核地基承載力約為220 kPa，滿足要求的承載力特征值。由現場載荷試驗結果可知，二明竇泵站地基采用預應力管樁處理效果較好。

4.2 加固效果數值模擬分析

4.2.1 數值模擬模型建立

根據二明竇泵站地質勘察成果可知，泵站的地基土層主要是：素填土、淤泥質土(淤泥質粉砂、淤泥質粘土)、粉砂、粘性土、粉土、花崗巖。為簡化數值模擬模型，按照土層性質，將地基土層主要分為：素填土、淤泥質土、粘性土、花崗巖4 種類型。依據設計樁長及樁間距建立數值模擬模型。分析采用預應力管樁處理后，上部建筑施工以及后期運行過程中，預應力管樁、樁間土的變形情況以及樁土應力比的變化特征。數值模擬計算模型見圖1，計算參數見表2。

圖1 FLAC 數值模擬模型

表2 各土層力學參數

4.2.2 數值模擬計算結果分析

（1）沉降變形分析

主體泵站施工期間以及施工完成后，預應力管樁和樁間土的沉降監測結果見圖2。從圖2 中可以看出，在泵站施工和運行期間，預應力管樁和樁間土的沉降量隨著時間變化逐漸增大，在施工期間，沉降變形速率基本保持穩定，這主要是因為施工期間，施工速度較為均勻，上部結構荷載均勻增大。泵站施工完成后，沉降變形速率有所下降，直至運行一段時間后沉降變形逐漸穩定。在施工初期，樁間土與管樁的沉降差值較小，主要原因是上部主體結構荷載較小；隨著施工進行，泵站荷載逐漸增大，直至超過樁間土的承載力，此時，樁間土的變形速率較管樁變形速率大，管樁與樁間土的沉降差值不斷增大。當泵站施工完成時，樁間土與管樁的沉降變形差值達到最大值。之后，隨著上部荷載趨于穩定，樁間土不斷固結，由管樁和樁間土共同承擔上部泵站荷載，樁和樁間土的沉降差值不斷縮小。

圖2 沉降變形監測結果

（2）樁土應力比研究

樁土應力比是樁與樁間土承受荷載的比值，該值越大表明樁與樁間土承受荷載的差值越大。泵站施工期、完工期樁土應力比變化曲線見圖3。從圖3 中可以得知：泵站開始施工后，上部荷載是一個逐漸增大的過程，在初期，荷載較小，低于樁間土承載力。此時，樁間土與管樁所承受的荷載大小基本一致，樁土應力比較小。隨著上部荷載的不斷增大，超過樁間土承載力后，預應力管樁承擔的荷載將遠大于樁間土承載的荷載，在泵站施工完成時，樁土應力比達到最大值。之后，由于上部荷載已經穩定，樁間土的固結，其承載力也有所增大，樁土應力比呈現下降趨勢。

圖3 樁土應力比

5 結論

（1）二明竇泵站地基土軟土厚度大，承載力較低，不能滿足上部荷載要求，因此，需采取地基處理，根據計算，確定采用預應力管樁基礎處理可滿足要求。

（2）管樁施工完成后，通過現場載荷試驗分析樁土地基的承載力特性。使用預應力管樁處理結合水泥土攪拌樁圍封后的地基土承載力可達220 kPa，可滿足設計要求。

（3）樁土沉降差隨上部泵站施工荷載增大而增大，主體工程施工完成后，樁土沉降差值又逐漸減小。

（4）樁土應力比隨著施工進程逐漸增大，泵站施工完成時最大，之后逐漸減小。