C.G.S工法在大型泵站地基基础除险加固中的应用

王 锦

(辽宁省水利水电勘测设计研究院 沈阳 110006)

1 概述

1.1 工程背景

新开河口灌排站建于1997年秋冬季，1998年5月1日开车通水。

但自2008年以来泵站主厂房由于不均匀沉降，伸缩缝处变形明显增大。第一道伸缩缝开裂宽度14cm，不均匀沉陷8～12cm;第二道伸缩缝开裂宽度约为5cm，不均匀沉陷5～8cm，且呈东南向西北扭曲下沉，副厂房由于主厂房安装场侧向位移产生的水平荷载作用，以及基础产生不均匀沉降，墙体产生多处裂缝。

1.2 不均匀沉降原因

通过定性和定量的分析认为:安装间基础沉降量较大，这是由于安装场处在楔形回填土及开挖边坡上，开挖边坡的原状土相对较软弱，因而产生较大沉降，这是安装场与主泵间出现较大沉降差的主要原因。而主泵间是由于安装场的较大沉降变形、加之当初是在冬季施工，换砂回填碾压质量难免受到一定影响，从而产生一定不均匀沉降。但安装场、主泵间实际沉降比计算量均大，表明地基已处在失稳状态，必须进行加固处理。加固方法确定采用C.G.S(Compaction Grouting System)工法。

1.3 复合地基基础处理方法的比选

C.G.S(Compaction Grouting System)工法与高压喷射注浆法(旋喷法)，粉体喷射搅拌桩，水泥土(深层)搅拌桩法进行了比较，S.G.S工法更适合在除险加固中使用，因为C.G.S工法可在2.0m(新开河口灌排站最下层流道仅约2.0m高)左右高度的狭小空间进行施工，灵活简便，其他方法设备较大，无法在作业面狭小的情况下进行施工。C.G.S方法也可在寒冷的冬季没有保温措施的条件下施工作业，并且可在地下水位较高，不需排水的状况下钻孔灌注成桩。

2 C.G.S工法的技术特征

2.1 概要

所谓C.G.S工法是把非流动性的灰浆类注入材料压入地基中，形成圆柱形状的均质固结体而压缩强化周边地基的地基改良方法。

注入材料为坍落度5cm以下的非流动性砂浆类注入材料，由保证塑性的细颗粒土和增大内摩擦角的粗颗粒土构成，以土—水泥为基本材料，不往周边地基的空隙里渗透而在地中放射状施加压力，强制排出周边地基土颗粒内空隙中的水和空气而周边土被压缩，形成的孔洞内填充砂浆类注入材料，固结时形成球根而周边地基的土颗粒之间相对性密度被增进，使地基密实。

2.2 C.G.S工法理论背景

注入过程中，由于注入固结体的形成及膨胀，邻近固结体的土受巨大的变形和应力，其结果在土和固结体分界面上形成局部性被压带，位于一定距离的土应力分布规则且变形为弹性，而受相当定性的挤密。

本方法可以使地基孔洞形成扩张，其机理如下:

a.土与挤密注入材料之间有明显的接触面。

b.有依据填充和塑性变形而置换最软弱部分的倾向。

c.注入固结体的形状:根据土质的物理性和力学性特性及上部构筑物的荷载等诸因素，可固结成不规则形状。

均质且等方(向)性地基里，施加于地中的注入压力通过以注入孔的前端为中心的球形中立界面消散，在此中立面上没有随注入的应力和变形影响，因而形成一定的球根。

3 设计计算

3.1 桩长与沉降计算分析

a.考虑到CGS工法设计一般要求，桩端应设在相对硬层(SPT N=30～50)，考虑到本工程的特点，取主泵间与安装场的桩长为15.00m。

根据地勘资料，主泵间及安装场的桩长应为桩端进入相对硬层的长度3.0m加上相对软层的厚度约12.0m，总的桩长为15.0m。

b.桩和桩间土压缩模量取值:

桩间土8～12MPa;

桩体Es=40MPa。

c.复合压缩模量(按等当量计算复合压缩模量)Esp=18 ～23MPa。

d.沉降计算

ⓐ设计桩体承载力:300kN/根;ⓑ桩间土承载力:处理前桩间土承载力为80～160kN/m2，由于CGS工艺本身对桩间土的挤密特性，处理后桩间土承载力能提高30% ～40%，达到150～200kN/m2;ⓒ上部结构荷载:泵房荷载按设计的134.7kN/m2，但考虑迎水面和背水面存在荷载差异，由于迎水面水自重作用，泵房基础地面所受荷载是不同的，靠近背水面所受荷载最大，经计算为145.3kN/m2，沉降计算按最大荷载计算。

3.2 CGS复合地基承载力计算

3.2.1 引用公式

根据《建筑地基处理技术规范》7.2.8的规定，复合地基的承载力特征值可按下式估算:

fspk=［1+m(n-1)］fk

式中 fspk—天然地基承载力特征值;

m—面积置换率;

n—桩土应力比，可取2～4。原土强度低取大值，原土强度高取小值。安装场下斜坡土体处在粉黏互层土段，对应的原土强度为90kPa，而加固后的强度要达到160kPa，显然原土强度低，故取n=4。主泵间的土体处在粉土段，对应的原土强度为130kPa，而加固后的强度要达到160kPa，显然原土强度低，故取n=3。

a.安装场桩的布置采用梅花形布置，桩的间距S=1.0m

桩的等效影响圆的直径 de=1.13，S=1.13×1.0=1.13m

桩的直径d=0.6m

地基承载力的确定公式为:

该值满足设计要求。

b.主泵间桩的布置采用梅花形布置，桩的间距S=1.3m

桩的等效影响圆的直径 de=1.13，S=1.13×1.3=1.469.m

桩的直径d=0.6m

地基承载力的确定公式为:

该值满足设计要求。

3.2.2 平面布置

根据《建筑地基处理技术规范》7.2.1条规定，在基础外缘宜扩大1～2排桩。

安装场下基底平面尺寸为6.36m×10.5m。布置124根桩。

主泵间的两段厂房下的基底平面尺寸分别为:17.98m×10.5m，18.36m×10.5m。布置284根桩。

沉降公式为:

式中 s——地基最终变形量，mm;

s'——按分层总和法计算出的地基变形量;

ψs——沉降计算经验系数，ψs=0.2 ～0.4;

n——地基变形计算深度范围内划分的土层数，n=5;

p0——对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加应力，p0=273.2kPa;

Esi—基础底面第i层土的压缩模量，取每层土复合压缩模量 Esp，Esi=18MPa。

最终沉降量11.11mm，满足设计要求。考虑本工程实际运行情况及计算成果与实际情况的差异，此计算结果偏于保守。

4 结语

C.G.S工法处理新开河口大型灌排泵站不均匀沉降问题，解决了常规地基基础处理设计方法在地基基础除险加固工程中不普遍适用的技术难题，经过了两年实际运行的考验。通过长期实际观测，未发现泵站有再倾斜的趋势，表明泵站已经稳定，证明了C.G.S工法在新开河口大型灌排泵站基底加固的实用性。C.G.S工法在国内首次用于大型泵站基底加固，没有先例，是一项技术创新。在原理、结构、技术特征方面均属国内外首创，技术经济指标达到了同类技术的国内领先水平。

1 江正荣．地基与基础施工手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2005．

2 唐业清．简明地基基础设计施工手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2003.