考虑PHC桩挤土消除液化效应的地下式污水厂桩基础设计

2020-01-02王泽明刘雪林王长祥史卿尹利军

特种结构 2019年6期

王泽明刘雪林王长祥史卿尹利军

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司天津300381；2.天津创业环保集团股份有限公司 300381)

引言

预应力混凝土管桩[1]是污水处理厂工程中常用的桩型，其常见类型有两种，分别是预应力混凝土管桩(PC 桩)、预应力高强混凝土管桩(PHC)桩。PHC 桩由于具有经济参数好、桩身承载力高、防腐蚀性能好、沉桩质量可靠、施工速度快等优点，在污水处理厂领域应用十分广泛。

钻孔灌注桩[1]也是污水处理厂工程中常用的桩型。钻孔灌注桩灌注桩适用范围很广，属于非挤土桩型，几乎可以适用于除强腐蚀场地外所有的工程。

处于液化场地的桩基础在承载力计算时，其侧摩阻力一般需要按照规定进行折减。当采用打入式预制桩，平均桩距为2.5～4 倍桩径且桩数不少于(5 行×5 列) 时，可计入打桩对土的加密作用及桩身对液化土变形限制的有利影响[2]。PHC 桩属于打入式预制桩，在符合上述限定条件时，可以考虑该有利影响。何铁伟，付勇[3]等研究了在天津滨海吹填场地上，分别以 HKFZ-AB450(250)、PHC-AB 500(100)作为基桩，对液化等级为轻微～中等的场地液化土的改善效果；周汉斌[4]研究了在豫东某大型电厂中，以PHC-AB 500(100)作为基桩，对液化等级为中等～严重的场地液化土的改善效果。经联网检索，尚未见在地下式污水处理厂桩基础中计入该作用的先例。因此，探讨在液化场地上建设地下式污水处理厂时，桩基础设计中计入打桩对土的加密作用及桩身对液化土变形限制的有利影响是十分必要的。下面以天津市某大型污水处理厂工程的桩基础设计为例，介绍考虑PHC 桩挤土消除液化的效应在规范及应用层面的可行性、经济性。

1 工程概况

天津市某大型污水处理厂工程，日处理污水规模 6×105m3/d，生产再生水规模 1×105m3/d。该工程主箱体尺寸约为473.4m×391.5m，占地面积约17×104m2，采用现浇钢筋混凝土结构，桩筏基础。筏板顶标高-6.50m(典型位置，大沽高程，下文同)，箱体顶标高 8.90m，结构高度为15.4m。设计顶部覆土厚度为1.5m，覆土顶标高为8.20m～10.90m，其平面简图如图1所示。

图1 污水处理厂平面简图Fig.1 Brief plan of sewage treatment plant

厂区设计地坪标高为4.00m，厂区抗浮设计水位为3.50m。构筑物承受的地下水浮托力很大，虽然顶部有覆土，构筑物的抗浮承载力仍旧存在一定的缺口。在进行基础形式选择时，桩基础成为首选的基础形式，因为其能同时解决承载力、控制沉降、抗液化和抗浮等若干问题。

1.1 地质条件

图2是箱体下最具代表性的地质剖面，图3是典型箱体剖面及土层关系。生物池等代表性单元底板厚度为加强区1500mm，普通区800mm，顶标高为-6.50m，底板坐落于⑥4层粉质黏土层，地基承载力特征值为100kPa，该层属饱和黏性土层，其他各层土的力学指标见表1。

图2 代表性地质剖面Fig.2 Typical geological section

图3 箱体典型剖面Fig.3 Typical section of sewage treatment plant

本场地地下水、地基土对混凝土结构有弱腐蚀性；在长期浸水情况下，对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性；在干湿交替的情况下，对钢筋混凝土结构中的钢筋有中等腐蚀性。

1.2 地震液化情况

本场地位于天津市东丽区，场地抗震设防烈度为8 度，设计基本加速度为0.20g，建筑场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第二组。

本场地④2层粉土、⑥3层粉土和⑥5层粉土存在地震液化现象，液化等级为轻微，液化指数0.01～5.89。

表1 各层力学指标Tab.1 Mechanics parameters of soils

2 桩基础方案比较

2.1 基桩比选

在天津市常见的基桩类型里，预应力管桩(PHC 桩)、预应力空心方桩(PHS 桩)、沉管灌注桩、泥浆护壁钻孔灌注桩(钻孔灌注桩)均在污水处理厂工程中使用较普遍。本工程用桩量十分巨大，PHS 桩与PHC 桩性能比较接近，都属于预应力空心桩，但其生产厂家少，不能满足工程进度要求，因此暂不在考虑范围之内；厂区很大范围之内存在厚度超过3m 的密实粉土层⑧2，沉管灌注桩难以穿透，因此也不考虑该桩型。PHC桩与钻孔灌注桩的比较见表2。

表2 桩型比较Tab.2 Comparison of piles

2.2 桩间距确定

在确定PHC 桩桩间距时，需要考虑如下两个方面的内容。根据相关规定，部分挤土桩在饱和黏土中的最小桩间距为4 倍桩径[1]。此外，若想计入打入式预制桩对土的加密作用及桩身对液化土变形限制的有利影响，桩间距应选择为2.5～4 倍桩径之间[2]。据此，本设计桩间距采用4倍桩径，桩中心间距为2m×2m，正方形布桩。

钻孔灌注桩由于桩长度较长，单桩承载力比PHC 桩要高。结合单桩承载力、底板造价和持力层埋置深度等综合选择桩间距为2.5m×2.5m。

2.3 桩长选择

地勘资料显示，⑧2层粉土、⑨1层粉质黏土、⑪1层粉质黏土均可作为桩端持力层。

对于 PHC 桩，因⑨1层厚度一般超过5m，强度相对较高，PHC 桩穿越存在较大困难，首选⑧2层和⑨1层为持力层。⑧2层的力学指标优于⑨1层，但因其在厂区厚度变化较大，部分区域甚至缺失，因此最终确定⑨1层粉质黏土作为PHC 桩方案的桩基持力层。结合布桩间距，设计需要单桩承载力特征值约800kN 左右，桩长取14m～15m。

对于钻孔灌注桩，需要考虑液化影响，对桩周土的侧摩阻力进行折减；孔底沉渣清理对于该桩型也是一个难点，故其端阻力数值也远低于PHC 桩。因此，该桩型方案选择⑪1层粉质黏土作为桩端持力层。结合布桩间距，设计需要单桩承载力特征值约1300kN 左右，桩长取25m～26m左右。

2.4 经济比较

按照实际工程方案进行布桩，考虑底板标高起伏的影响，PHC 桩方案桩长算数平均值约为14.6m，总根数为42500 根，总桩长为620500m，总造价约为1.86 亿元，每千牛承载力需要耗费造价 5.47 元，每万元造价可提供承载力1828.0kN；钻孔灌注桩方案桩长算数平均值平均约为 25.6m，总根数为 27200 根，总桩长为696320m，总造价约为3.83 亿元，每千牛承载力需要耗费造价11.26 元，每万元造价可提供承载力887.7kN。见图4、图5。

图4 桩基础总造价对比Fig.4 Total cost comparison of piles

图5 桩基础单位造价可提供承载力对比Fig.5 Baring capacity per 10 thousand RMB of piles

本场地对钻孔灌注桩方案不利。水对混凝土的弱腐蚀、轻微液化侧摩阻需折减、不宜考虑承台效应等因素均使钻孔灌注桩方案的造价提升，而上述因素对消除液化之后的PHC 桩方案均不构成影响。PHC 桩基础方案在本工程体现出非常明显的经济性，从桩基总造价上看出，PHC 桩方案仅为钻孔灌注桩方案的48.6%。

2.5 基桩类型确定

经过上述各方面比较，相对于钻孔灌注桩，PHC 桩在本场地应用有极大的优势，本工程基桩最终确定采用PHC 桩。

3 PHC桩基础方案设计

3.1 消除液化原理及桩间距估算

一般情况下，松散到稍密状态的饱和砂土、粉土在地震时会产生液化现象，而黏性土、中密到密实状态的饱和砂土和粉土则一般不会发生地震液化现象。地震液化产生的主要原因是超限孔隙水无法及时排出，导致土颗粒处于悬浮状态，形成液体，抗剪强度变为零，使桩侧摩阻力显著降低，天然地基承载力丧失。当场地打入预制桩时，预制桩的沉入导致桩间土被挤密，桩周土明显趋于密实，降低或消除液化发生的可能性，这种作用称为挤密作用。静压法、锤击法沉桩均具备对桩间土的挤密作用。锤击沉桩的冲击波会在一定程度上影响桩间土，使其颗粒重新排列，使液化土改性，在一定程度上消除液化现象，这种作用称为振密作用。静压法沉桩不具备对桩间土的振密作用。

考虑到④2层粉土、⑥3层粉土已经被挖除，设计中仅考虑消除⑥5层粉土的液化现象。设计中采用正方形布桩，根据相关规定进行面积置换率的计算[5]。以液化指数较高的20 号钻孔为例进行计算，在⑥5层粉土范围内，标贯点深度11.3m 处，临界标贯击数Ncr为 23.53，实际标贯击数为19，打桩后的标贯击数暂按照规范要求进行估算[2]，后续进行消除液化试验验证：

式中：s为桩间距/m；d为桩径/m；de为一根桩分担的处面积等效圆直径/m；ρ为打入式预制桩的面积置换率；N1为打桩后的标准贯入锤击数/击；Np为打桩前的标准贯入锤击数/击；Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值/击。

3.2 沉桩要求

在天津市的建设工程中，当大规模密集沉入PHC 桩时，施工单位常采用预钻孔的措施。预钻孔可有效降低挤土效应对基桩的影响，保证基桩的施工精度。当考虑PHC 桩消除地基液化的作用时，需要计入基桩对土的挤密作用，预钻孔会将这种作用很大程度上降低。故本方案的实施中，禁止施工单位采用预钻孔措施。

PHC 桩沉桩经常采用锤击和静压两种方法。因静压法具有环境影响小、精度高的优点，静压法往往是施工时的首选。静压法的缺点是穿透能力相对较弱，尤其穿透较厚的中密、密实砂土、粉土层时表现较差。本方案中，基桩需穿透⑧2层粉土层，该层属于密实粉土层，标贯击数最大值为49，标贯击数算数平均值也达到24.4。在部分区域，⑧2层粉土的较厚处接近4m。勘察报告中也明确给出预制桩穿透该层存在较大困难的结论。预计静压法沉桩将会遇到较大困难。

锤击法具有较大的冲击力，对粉土、砂土具有振密、挤密的双重效果。静压法对粉土、砂土只有挤密效果。因此本工程的沉桩方法首选锤击法。

3.3 沉桩试验及消除液化检测

能否消除地基液化是本方案的一个关键问题，为确保达到目的，在消除液化估算通过后，还需通过试验来进一步验证消除液化的效果。PHC 桩能否顺利穿越⑧2层是本方案是否可行的另一个关键问题。

为了验证PHC 桩基础方案的可行性，在试验桩检测阶段设计了沉桩试验，并结合沉桩试验进行挤土消除液化检测。试验桩群位置选择⑧2层粉土厚度较大、液化指数较高之处进行。经比对，最终选择了145 号钻孔处进行该项试验，该孔处⑧2层顶标高为- 14.84m，底标高为-18.04m，厚度达到3.2m，液化指数为4.91。

沉桩试验桩群采用3×3 布置，共9 根桩，桩长、标高按照工程桩数据执行。施工顺序选择最不利沉桩顺序，先施工四角的基桩，再施工四面中点的桩，最后施工中心位置桩。9 根基桩沉桩过程连续，中间不停歇，防止挤土应力消散而导致沉桩难度模拟效果失真。

待沉桩试验基桩就位，桩间土应力消散之后进行标贯检测。本工程按照非饱和黏性土的休止时间15 天执行[6]。标贯试验点做两处，分别选择两个对角的桩间土中心点。

试验结果表明，中心桩顺利沉至设计标高，锤击数未超过10 击，预估大面积沉桩应不存在困难。在厂区液化较为严重之处，桩数大幅度少于规范规定的情况下，已经消除了液化现象，桩基础方案应能达到预期的消除液化效果。

3.4 试验桩检测

试验桩检测[6]包括桩身完整性检测和承载力检测。先做桩身完整性检测，采用低应变法。完整性检测确定桩身无缺陷之后进行承载力检测。

承载力检测采用辅助桩法，即用长桩减去辅助短桩的承载力来确定最终的基桩承载力。此外，承载力检测采用极限承载力试验，即加载至桩顶分级位移量或总位移量超过规定数值。经静载试验检测，试验桩承载力全部达到设计要求，桩极限承载力较计算值略高。

3.5 复合基桩基础的应用

PHC 桩基础方案在消除地基土的液化之后，可以部分考虑地基土对承载力的贡献，即采用复合基桩基础的计算方法。按照规范规定，承台效应系数ηc取0.2[1]。考虑承台效应的复合基桩基础，根据本工程的实际情况，每根基桩的竖向抗压承载力特征值可提高76.1kN。

3.6 抗拔桩设计

本工程的桩基础方案是由抗压承载力控制的，抗拔承载力需要进行验算并进行灌芯设计。天津市地方标准以强条的形式规定，在使用PHC桩作为抗拔桩时，桩身与结构底板的连接仅允许采用灌芯连接，且灌芯长度不小于4.5m，灌芯深度还需通过现场灌芯抗拔试验确定。现场灌芯抗拔试验在试验桩检测阶段进行，最小灌芯长度4.5m 已经完全满足本工程的需要。单桩抗拔承载力特征值按照局部抗浮满足要求的情况下也不是很大，为350kN，单节桩能满足要求并有较大余量，仅需按照图集构造性设置灌芯钢筋即可。

4 沉桩监测、基桩检测及桩间土检测

4.1 沉桩监测

在沉桩施工过程中，为了监测打桩的挤土效应对基桩及周边环境的影响，在厂区均匀设置监测桩。监测桩桩底标高同工程桩，桩顶标高做至施工地坪标高以上1m，以便于现场监测。为了减少打桩对基桩及周边环境的影响，现场对沉桩速率进行了较为严格的控制，并采取了一定的排水措施。监测结果显示，监测桩桩顶标高上涌量在 20mm～ 30mm 范围内，水平位移在 100mm 左右，未发生特殊情况。由于打桩对两层液化土产生的加密作用，部分液化土层较厚的区域地面出现一定量的下沉，下沉量在100mm 左右。根据打桩监测结果，桩基施工对周边环境的影响不大。

4.2 基桩检测

桩基施工完毕之后，需进行桩身完整性检测、承载力检测。桩身完整性检测采用低应变法，抽检数量不少于基桩数量的20%，本工程所有基桩均为I 类桩；承载力检测采用静载试验法，抽检数量不少于基桩数量的1%，单桩竖向抗压、抗拔承载力特征值均达到设计要求，且桩顶下沉、上拔量多在5mm～8mm，预计有一定的承载力余量。