南水北调泗阳站泵房地基处理设计

2013-10-23李继生

水利规划与设计 2013年12期

李继生

（上海勘测设计研究院上海 200434)

1 工程概况

泗阳泵站枢纽位于江苏省泗阳县县城东南约3km处的中运河输水线上，是南水北调东线多级提水系统的第四梯级。新建泗阳泵站位于拆除的泗阳一站下游引河 340m处，总装机流量198m3/s，安装叶轮直径 3.10m 的立式全调节轴流泵6台套（含 1台备机)，单机流量 33m3/s，泵站扬程6.30m；配3000kW/10kV同步电机，总装机容量 18000kW。泵站为堤身式块基型结构，肘形进水流道，虹吸式出水流道，真空破坏阀断流。该工程于2009年12月30日正式开工建设，2012年5月开始试运行，目前已正式投入使用。

2 工程地质条件

勘察揭示，新建泗阳站工程区主要土层地质情况为：

⑥层（高程4.3～9.5m至1.3～7.7m)，重粉质砂壤土、轻粉质壤土，局部夹淤泥质粘土薄层、含云母片，松散～中密，中压缩性。⑦层（高程1.2～6.8m至-0.5～1.7m)，粘土，粉质粘土，局部为砂质粘土，含铁锰质结核，偶含砂礓，可塑状态，中压缩性。⑧层（高程-0.5～1.7m至-3.3～-0.2m)，重、中粉质壤土夹砂壤土薄层，局部互层，可塑状态，中压缩性。⑨层（高程-3.3～-0.2m至-3.9～0.0m)，粉、细砂，局部砂壤土、壤土，含砾石及云母片。⑨'层（高程-3.3～-0.2m 至-3.5～-1.9m)，粉质粘土、重粉质粘土夹细砂，轻粉质壤土薄层，中密状态，中～低压缩性。⑩层（高程-3.5～-1.9m至-18.0～-16.4m)，粉质粘土，含铁锰质结核及少量砾、砂礓，局部砂礓较多，硬塑状态，中压缩性。主要土层物理力学性质参数见表1。

3 地基处理设计

3.1 站身稳定计算和地基沉降分析

新建泗阳泵站采用一列式布置。主泵房位于河道中，主泵房北侧布置北副厂房，南侧布置安装间和南副厂房。主泵房站身平均分为两块，单块底板尺寸：36000mm（顺水流向)×28200mm（垂直水流向)；底板顺水流向轮廓为中段水平、两端上翘的折线形，下游前趾端底面高程为1.65m，上游前趾端底面高程为1.72m，中部水平段底面高程为-0.25m。泵房底板坐落在⑦层粉质粘土上。

站身抗滑稳定按《泵站设计规范》（GB/T50265-2010)第 6.3.4条公式（6.3.4-2)计算。地基允许承载力按汉森公式计算。站身稳定计算成果见表2。对完建期工况和设计（2)工况分别计算了泵房地基最终沉降量，沉降计算结果见表3。

表1 主要土层物理力学性质参数表

表2 站身稳定计算成果表

由表2可以看出，完建期工况地基的平均应力220.0kPa大于地基的允许承载力199.1kPa；地基最大应力276.5kPa也大于1.2倍的地基允许承载力238.9kPa。天然地基承载力不满足设计要求，需对地基进行处理。

表3 站身地基沉降成果表

由表3可以看出，无论是完建期工况还是设计（2)工况，站身最大沉降量均大于15cm，也需对地基进行处理。

3.2 地基处理方案比选

地基加固的方法有刚性桩基础、沉井基础和复合地基等。

复合地基是软弱地基处理时常用的一种技术，是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体（天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基，复合地基由增强体和基体共同承担荷载。复合地基能够充分利用天然地基的承载力，所以多数是经济的。常用的复合地基有碎石桩、深层水泥搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩等。碎石桩适用于松散砂土、粉土、粉质粘土、人工填土等地基处理及处理液化地基，一般用于处理地基承载力要求较低的软弱地基，其不适用于要求地基承载力大于 200kPa的泗阳站工程。深层水泥搅拌桩是软土地基处理的常用方法，在水利工程中广泛应用，但其不适用于硬塑及坚硬的粘性土。

本工程站身基础持力层地基土⑦层土为含铁锰质的粉质粘土，塑性指数Ip=21.2，地基允许承载力为190kPa，相对较高，下卧层⑨层粉砂，标贯击数28击，允许承载力为200kPa，承载力较高，下卧层⑩粉质粘土，塑性指数 Ip=21.7，允许承载力为300kPa，承载力较高。因此，上述土层具有粘粒含量较高和土质较硬的特点，不宜采用深层水泥搅拌桩处理地基。所以本工程不宜考虑深层水泥搅拌桩地基处理方案。

水泥粉煤灰碎石桩，简称 CFG桩，是近年来发展起来的处理软弱地基的一种新方法。CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和，用各种成桩机械在地基中制成的强度等级为C5～C25的低强度混凝土桩，可充分利用桩间土的承载力，共同作用，并可传递荷载到深层地基中去，具有较好的技术性能和经济效果。CFG桩适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。桩距应根据设计要求的复合地基承载力、土性、施工工艺等确定，宜取 3～5倍桩径。桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层厚度宜取150～300mm；褥垫层材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石等，最大粒径不宜大于30mm。

泗阳站工程拟定两个地基处理方案进行了经济比较，分别是 CFG桩和灌注桩方案，根据本工程地质条件，经过计算，CFG桩断面直径拟采用0.4m，桩长12.0m～13.5m，桩底高程-12.25m，桩中心间距1.6m×1.6m。复合地基的承载力标准值 fspk=363.2kPa，沉降量约为 14.0cm，处理后的地基满足规范要求。该方案投资约为64.38万元。灌注桩方案，采用断面直径为 0.6m，桩长18m～20.25m，桩底高程-16.00m，经计算，单桩承载力标准值Ra=1655kN，泵房底板需布设灌注桩 219根，桩中心间距为 3m×3m。沉降量约为3.6cm。该方案投资约为351.06万元。

3.3 褥垫层设计

为了使桩体和桩间土共同承担站身传给底板的荷载，应在桩顶与泵房底板之间设置褥垫层。褥垫层的受力机理是在泵房底板范围内的垫层受到不均匀压应力的作用，桩顶部分应力较大，桩间土部分应力较小，随着荷载增加，首先是在桩顶范围内的垫层可能出现塑性区，继而桩与桩间土间产生较大位移，桩体刺入到垫层中，桩顶的垫层向桩间土转移，桩间土被挤密而提高承载力，将桩上部分荷载向桩间土转移。如果褥垫层太“软”，虽有桩刺入，但荷载转移的效果不明显，桩间土发挥作用不好，如果垫层太“硬”，使桩体无法刺入，则也不能转移荷载，当褥垫层厚度较小时，桩顶向褥垫层刺入量小，这样造成桩体分担了绝大部分荷载，桩土应力比大，桩间土承载力不能充分发挥，同时滑动区域范围小，合理桩间距较小，为满足地基承载力及减少沉降的要求，势必导致桩数或桩长增加，复合地基的优越性不能体现出来。当褥垫层厚度大，超过破坏面深度时，桩体上刺入量大，桩间土沉降量大，承担了较多的荷载，桩土应力比偏小，会导致桩承担的荷载很小，复合地基中桩的承载力没有充分发挥出来，复合地基承载力不会有较大的提高，反而还会增加建筑物的沉降变形，这样设计的复合地基既不经济，还满足不了地基承载力及沉降要求。

根据桩顶刺入褥垫层的条件，若要提高褥垫层的承载力和减小沉降变形方面来看，褥垫层材料宜选用粒径较大的碎石，但从有利于桩顶刺入褥垫层材料调整流动这方面来看，褥垫层宜选用中细砂。综合以上两方面的因素，结合大量的工程实践，褥垫层的材料宜采用中砂、粗砂、级配碎石。但是散粒材料具有强透水性，对泵站的防渗不利，设计大胆创新，在泗阳站首次采用抗渗性较好粘性土作为 CFG桩褥垫层，初拟桩间部分利用原状土（⑦层土)，桩顶回填部分采用⑥层土（或⑥、⑦层混合料)或在桩顶回填拌制均匀的水泥掺入量为 8%的水泥土，人工夯实后与天然地基土面齐平。褥垫层厚度初拟10cm～20cm。

经实验研究用不同褥垫层材料及厚度做试验对比，取得了较好的成果，结论是采用水泥土作为桩顶褥垫层是合理可行的，并且明显提高复合地基极限承载力，桩土分配比例更趋于合理。最后，褥垫层采用桩间部分利用原状土（⑦层土)和在桩顶回填拌制均匀的水泥掺入量为 8%的水泥土，褥垫层厚度采用100mm。

3.4 地基处理设计

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2012)的规定，经计算，采用断面直径0.4m，桩长 12m～13.5m，桩中心间距 1.6m×1.6m，布设桩864根，桩身强度为C15，CFG桩桩身材料配合比见表 4，复合地基的承载力标准值fspk=363.2kPa。处理后的地基承载力大于最不利工况地基最大应力276.5kPa，沉降量约为14.0cm，因此，处理后的地基满足规范要求。