盤沽泵站泵房基礎(chǔ)處理方案分析

付茂朋，徐 濤，顧曉建

（1.中國水利水電建設(shè)工程咨詢渤海有限公司，天津 300222；2.北京市平谷區(qū)水務(wù)局，北京 101200）

1 工程概況

盤沽泵站位于天津市津南區(qū)葛沽鎮(zhèn)盤沽村附近，海河右堤外側(cè)，主要任務(wù)為將小黑河雨水系統(tǒng)收集的雨水提升后排入海河，完善津南區(qū)排水體系，助力鄉(xiāng)村振興。泵站設(shè)計排澇流量12.0m3/s，裝機功率740kW，為Ⅲ等中型工程，進水閘、泵房、壓力水箱等主要建筑物級別為3級。

泵站泵房采用整體式鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，順水流方向長10.0m，垂直水流方向?qū)?8.4m，底板厚1.0m；泵房內(nèi)垂直水流方向依次布置4臺立式潛水軸流泵，單泵單室，邊墩及中墩均厚0.8m，水泵中心間距4.4m。泵房布置及尺寸參如圖1。

圖1 盤沽泵站泵房結(jié)構(gòu)

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察成果［3］，工程場地地層屬海陸交互沉積土層，具有濱海地區(qū)軟弱土的特性：含水量大于或接近流限、天然孔隙比大于1、壓縮性很高而強度很低、滲透性很小等。

泵房底板最低高程為-5.50m，基礎(chǔ)埋置深度約8.0m，持力層為⑥2淤泥質(zhì)黏土層，分布的厚度約5.0～6.0m，局部分布的厚度達10.0m左右；承載力建議值65kPa，與混凝土基底摩擦系數(shù)建議值0.15，壓縮模量2.6MPa；該層物理力學(xué)性質(zhì)較差，具有低強度、壓縮性高、高靈敏度、不均勻變形等特征，為天然淺基礎(chǔ)軟弱下臥層。

經(jīng)泵房穩(wěn)定及地基應(yīng)力計算：泵房最大基底應(yīng)力116.58kPa，平均基底應(yīng)力97.14kPa，大于⑥2淤泥質(zhì)黏土層承載力建議值65kPa；泵房前池檢修工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.67，小于規(guī)范允許最小值1.10，因此需采取基礎(chǔ)處理措施以滿足泵房豎向承載力和水平承載力的要求。

3 基礎(chǔ)處理方案

3.1 基礎(chǔ)處理方案比選

目前常用的軟土地基處理方案包括：換填墊層法、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、深層攪拌樁、鉆孔灌注樁和混凝土管樁等。

（1）換填墊層法主要適用于淺層軟弱地基的處理，施工方便，不需要特殊設(shè)備，但開挖較深時需要處理工程量較大，換填料需分層壓實，無法壓實會引起沉降。

（2）水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）為水泥、粉煤灰、碎石等拌和形成的素混凝土樁與樁間土和褥墊層共同形成的復(fù)合地基，具有承載力提高大、變形小的特點，適用范圍較廣，但由于淤泥質(zhì)土承載力小、樁間土分載比例低，加固效果受其影響較大。

（3）深層攪拌樁固化劑一般為水泥漿，在地基深處通過深層攪拌機械就地將軟土與水泥強制攪拌，利用水泥與軟土間產(chǎn)生的系列物理~化學(xué)反應(yīng)，形成一定強度和整體性的復(fù)合地基，適用于處理淤泥類軟土，但受地基土分布影響較大，施工質(zhì)量不穩(wěn)定。

（4）鉆孔灌注樁在各類軟土地基處理中應(yīng)用較多，施工工藝十分成熟，積累了大量的工程經(jīng)驗，工程質(zhì)量更有保證，但造價較高，施工相對復(fù)雜。

（5）預(yù)制混凝土管樁具有施工速度快、單位承載力造價低、經(jīng)濟效益好的優(yōu)點，但施工機械對場地要求高，施工時噪音大、擠土量大，沉降量較灌注樁大。

本工程軟弱地基⑥2層淤泥質(zhì)黏土最小厚度達5m，且泵房前池抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不足，因此對抗滑穩(wěn)定提高有限的換填墊層法、水泥粉煤灰碎石樁和水泥攪拌樁方案不適用，可供選擇的基礎(chǔ)處理方案為鉆孔灌注樁或預(yù)制混凝土管樁。

經(jīng)比選，兩個方案投資基本相近，鉆孔灌注樁方案可靠性相對更高，施工質(zhì)量更穩(wěn)定，根據(jù)本工程基礎(chǔ)特點，盤沽泵站泵房基礎(chǔ)處理推薦采用鉆孔灌注樁方案，設(shè)計采用鉆孔灌注樁直徑為600mm，樁間距2.4m，樁長16.0m，樁端置于物理力學(xué)性質(zhì)較好的⑨1粉質(zhì)黏土層。

表1 鉆孔灌注樁與預(yù)制混凝土管樁方案比選

3.2 豎向承載力計算

JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［1］中規(guī)定，單樁豎向承載力特征值Ra計算公式如下：

單樁豎向極限承載力標準值估算公式如下：

式（1）~式（2）各計算參數(shù)含義及取值及計算結(jié)果如表2：

表2 樁基豎向承載力計算參數(shù)

經(jīng)計算，單樁豎向極限承載力標準值Quk為1209.38kN，相應(yīng)單樁豎向極限承載力特征值Ra為604.69kN；計算泵房單樁軸心豎向力558.53kN小于單樁豎向極限承載力特征值，最大軸心豎向力651.70kN小于1.2倍單樁豎向極限承載力特征值，滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

3.3 水平承載力計算

本工程泵房鉆孔灌注樁由水平位移確定其水平承載力，設(shè)計時未進行單樁水平靜載試驗，設(shè)計樁身配筋率1.33%，因此根據(jù)規(guī)范［1］規(guī)定，泵房單樁水平承載力特征值Rha估算公式如下：

式（3）~式（4）中各計算參數(shù)含義及取值及計算結(jié)果如表3。

表3 樁基水平承載力計算參數(shù)

經(jīng)計算，單樁水平承載力特征值為113.68kN，大于泵房前池檢修工況下樁頂處單樁承受的水平力109kN，滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

3.4 樁基沉降計算

根據(jù)規(guī)范［1］要求，本工程泵房樁中心距設(shè)計為4倍樁徑，小于6倍樁徑，因此泵房最終沉降量采用等效作用分層總和法計算，由于泵房正常運用工況下基底應(yīng)力較為均勻，因此僅計算中心點沉降量，矩形樁基中點沉降量計算公式如下：

式（5）~式（6）中各計算參數(shù)含義及取值及計算結(jié)果如表4：

表4 樁基沉降計算參數(shù)及計算成果

樁基沉降計算深度取附加應(yīng)力與土的自重應(yīng)力比小于0.2處的⑨2粉砂層底處，計算參數(shù)及計算結(jié)果如表4。由計算結(jié)果可知，泵房經(jīng)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)處理后計算沉降值為19.40mm，滿足規(guī)范不宜超過15cm的要求，較處理前沉降值53.40mm減小34.00mm，處理效果良好。

4 樁基試驗

盤沽泵站泵房鉆孔灌注樁主要承受豎向荷載和水平荷載，因此要求施工完成后進行單樁豎向抗壓靜載試驗和水平靜載試驗復(fù)核基礎(chǔ)處理效果，靜載試驗方法均采用慢速維持荷載法。

4.1 單樁豎向抗壓靜載試驗

泵房鉆孔灌注樁采用3根工程樁進行了單樁豎向抗壓靜載試驗，符合JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》［2］不少于同一條件下總樁數(shù)1%，且不應(yīng)少于3根的要求；加載極限承載力（1220kN）大于2倍單樁豎向極限承載力特征值（604.69kN），滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

試驗采用錨樁法［4］，由相鄰的工程樁提供反力，由油泵通過液壓千斤頂將荷載施加到樁頂上；基準梁采用長8m槽鋼，固定位置為6m，沉降測定平面距樁頂距離0.2m，荷載采用油壓傳感器測量，沉降由對稱安裝的4塊位移傳感器測量。將各級荷載作用下對應(yīng)的沉降量繪制成荷載~沉降Q~s關(guān)系曲線，及沉降~時間對數(shù)s~lg t關(guān)系曲線，根據(jù)規(guī)范規(guī)定確定單樁豎向抗壓極限承載力。

采用逐級等量加載試驗荷載，每級加載為122kN（設(shè)計極限荷載的1/10），第一級加載值為244kN（2倍分級荷載加荷）；每級荷載加載后按第5，15，30，45，60min測讀1次樁頂沉降量，以后每隔30min測讀1次，當樁頂沉降速率達到相對穩(wěn)定標準時進行下一級加載；當每60min內(nèi)樁頂沉降量不超過0.1mm，并已連續(xù)出現(xiàn)2次（從分級荷載施加后第30min開始，按90min連續(xù)3次每30min沉降觀測值計算），表明沉降已相對穩(wěn)定；卸載逐級等量進行，每級卸載量為244kN（加載時分級荷載的2倍），每級荷載維荷60min，按第15，30，60min測讀樁頂沉降量后，即可進行下一級卸荷載，卸載完成至零后，應(yīng)測讀樁頂?shù)臍堄喑两盗浚S荷3h，第15，30min各測讀1次，之后間隔30min測讀1次。

本工程泵房鉆孔灌注樁典型試驗樁的單樁豎向抗壓靜載試驗Q~s曲線如圖2，試驗數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。

表5 單樁豎向抗壓靜載試驗數(shù)據(jù)匯總

圖2 豎向抗壓靜載試驗Q～s曲線

泵房鉆孔灌注樁單樁豎向抗壓靜載試驗檢測結(jié)果表明：荷載~沉降Q~s曲線為緩變型，最大沉降量16.68mm小于規(guī)范限值40mm，小于計算沉降量19.40mm且偏差不大，因此判定樁基單樁豎向抗壓極限承載力不小于1220kN，滿足設(shè)計要求。

4.2 單樁水平靜載試驗

泵房鉆孔灌注樁采用3根工程樁進行單樁水平靜載試驗，符合規(guī)范要求；加載極限承載力230kN，大于2倍單樁水平承載力特征值114kN。試驗采用臥式千斤頂加載，試驗荷載施加方法與單樁豎向抗壓靜載試驗一致；通過千斤頂將壓力分級施加至基樁，觀測各級荷載作用下對應(yīng)的力作用點位移，繪制水平力~力作用點位移H~Y0關(guān)系曲線，水平力~位移梯度H~ΔY0/ΔH關(guān)系曲線、力作用點位移~時間對數(shù)Y0~lgt關(guān)系曲線和水平力~力作用點位移雙對數(shù)lg H~lg Y0關(guān)系曲線，根據(jù)規(guī)范規(guī)定確定單樁水平極限承載力。

本次單樁水平靜載試驗典型試驗樁H~Y0曲線如圖3，H~ΔY0/ΔH曲線如圖4，lg H~lg Y0曲線如圖5，試驗數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。

表6 單樁水平靜載試驗數(shù)據(jù)匯總

圖4 水平靜載試驗H～Y0曲線

圖5 水平靜載試驗H~ΔY0/ΔH曲線

圖6 水平靜載試驗lg H~lg Y0曲線

續(xù)表6

泵房鉆孔灌注樁單樁水平靜載試驗檢測結(jié)果表明：單樁水平極限承載力114kN對應(yīng)最大水平位移為3.81mm，小于計算時取用的6mm且偏差相對較大，經(jīng)分析為設(shè)計時考慮安全，樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m取值偏小所致；工程樁單樁水平極限承載力實測為H~ΔY0/ΔH曲線上第二拐點對應(yīng)的161.0kN，大于設(shè)計單樁水平極限承載力114kN，滿足要求。

5 結(jié)語

（1）鉆孔灌注樁方案施工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性較高，適用于濱海地區(qū)軟弱土的基礎(chǔ)處理。

（2）單樁豎向抗壓極限承載力、單樁水平極限承載力試驗檢測值均達到設(shè)計要求，實測最終沉降量、水平位移均小于計算值，且總體偏差較小，說明計算公式和參數(shù)的選取基本符合工程實際情況，可為今后類似工程的設(shè)計提供一定參考。

（3）工程完工運行至今監(jiān)測數(shù)據(jù)表明泵房沉降、位移均處于計算限制內(nèi)，說明本工程所選擇的基礎(chǔ)處理方案合理，達到了預(yù)期效果。