PHC管桩在泵站基础补强加固设计中的应用

董训山

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司,新疆 石河子 832000）

1 概况

某排涝泵站位于安徽省马鞍山市，总装机2130 kW，总排涝面积40.48 km2，为中型泵站。泵站选用6 台1400 ZLB5-5型立式轴流泵，单机设计流量5 m3/s，单机配套轴功率355 kW，设计总流量30.0 m3/s。泵站采用堤后式湿式型结构泵房，压力箱涵穿堤防排入湖中。

工程开工于2017 年2 月，随着工程建设的进展，到2017 年4 月，泵站已完成了厂房、压力水箱基础的开挖、及基础处理，泵站基础采用粉喷桩对地基进行加固处理，粉喷桩设计桩底高程进入粘土持力层深度不小于0.5 m，桩长一般在8 m～15 m，桩身直径为0.5 m，桩间排距为1.0 m，梅花形布置。

因现状堤防填筑质量差、堤防基础多为淤泥土地层，淤泥土基础液化致使泵站段堤防发生滑塌。堤防滑坍体呈垂直剪切面下沉，高差约5 m。滑坍体使压力水箱基础向泵室段发生推移，导致压力水箱、泵室底板粉喷桩被挤压隆起，造成泵站已完成的桩基倾斜、断裂，桩基强度降低，不能满足泵站基础的要求。同时随着气温逐渐升高，汛期即将来临，如若不能及时完成地基处理，将对后期防洪度汛造成极大的隐患，因此对滑坡后泵站基础处理加固迫在眉睫。

2 工程地质条件

泵站地基土自上而下为：

位于堤身上部，主要以粘性土为主，其内不均匀混杂砾石，含量小于5%；堤身中下部，局部含少量植物根系，以粉质粘土为主，夹杂粘土及重粉质壤土；堤身底部为淤泥质粘土，饱和状态下呈软塑状，分布深度在原地面以上，填土底部，厚度0.5 m～1.3 m左右，为灰黑色夹杂褐黄色。

该层以高液限粘土为主，局部为低液限粘土。该层天然 密 度 1.53 g/cm3～1.71 g/cm3， 均 值 1.59 g/cm3， 天 然 含 水 量50.5%～79.8%，均值61.3%，比重2.58～2.74，干密度1.01 g/cm3～1.14 g/cm3，均值 1.06g/cm3，孔隙比 1.41～1.68，均值 1.56，压缩模量1.3～3.1，属高压缩性土，在200 kPa压力下固结系数（CV）0.15 cm2/s～0.95 cm2/s。饱和状态下内摩擦角1.3°～3.4°，均值 2.4，粘聚力 5.9 kPa～8.7 kPa，均值 7.3。该层承载力40kPa。

该层颗粒由砂粒、粉粒、粘粒组成，主要为粉质粘土，局部为重粉质壤土中粉质壤土。该层天然密度1.89 g/cm3～1.99 g/cm3，均值1.95g/cm3，天然含水量19.9%～28.6%，均值24.1%，比重 2.71～2.75，干密度 1.47 g/cm3～1.66g/cm3，均值1.58 g/cm3，孔隙比 0.70～0.86，均值0.76，压缩模量4.2～12.6，多属于中等压缩性土。饱和状态下内摩擦角5.2°～17.4°，均值11.1°，粘聚力13 kPa～59.8 kPa，均值32 kPa。该层承载力150 kPa。

该层颗粒组成：砂粒、粉粒、粘粒，主要为粉质粘土，局部为粘土、重粉质壤土。该层天然密度1.96 g/cm3～2.00 g/cm3，均值1.98 g/cm3，天然含水量26.2%～28.2%，均值26.9%，比重 2.75，干密度 1.54 g/cm3～1.58 g/cm3，均值 1.56 g/cm3，孔隙比0.56～0.79，均值0.70，压缩模量5.8～15.8，属于中等压缩性土。饱和状态下内摩擦角9.9°～12.8°，均值12°，粘聚力47.2 kPa～55.6 kPa，均值52 kPa。承载力标值180 kPa。

因泵站基础第①层已挖除，现将②～④层各土层指标建议值列至表1。

表1 各土层指标建议值表

3 基础补强设计控制参数

泵房底板建基面位于②层第四系全新统淤泥质粉质粘土层。根据地质资料，原地基不满足设计承载力要求，泵站基础采用水泥粉喷桩处理，粉喷桩与原地基土形成复合地基，经过计算，各部位复合地基承载力要求值为泵站站身段为160 kPa，压力水箱段为140 kPa，粉喷桩施工完毕后，经过第三方检测，承载力均满足设计要求。

滑坡发生后，滑坡体对复合地基造成了破坏，为查明现状地基承载力，第三方检测中心选择了10 个测点对复合地基进行了检测，检测结果统计见表2。

表2 复合地基静载试验结果汇总表

由表2可知，滑坡后复核地基承载力均小于泵站基础设计要求，需进行补强加固。

4 基础补强加固方案

对于破坏后的复合地基基础，若继续采用粉喷桩处理，原地基存在的断桩、斜桩将会干扰粉喷桩的下沉和提升，使桩基无法达到原有持力层，桩长得不到保证，施工难度大，且内外河汛期即将来临，工期紧张，粉喷桩检测时间较长，影响进度。因此采用粉喷桩加固地基不合适，本次补强加固处理考虑工程实际情况，采用PHC管桩对破坏处进行加固补强。

PHC管桩型号为PHC400(AB)(95)，持力层选择第④层粉质粘土（），深入④层不少于1 m。桩径为0.4 m。桩体单桩竖向极限承载力可按《预应力混凝土管桩》（10G409）及所列如下公式计算[1]：

式中：Qu为单桩竖向承载力标准值；Ap为桩底端横截面的面积；qsik为极限侧阻力；qpk为极限端阻力；li为土层厚度；Ra为单桩承载力特征值；K为安全系数，取2。

计算单元以泵站站身段施工缝为界，选取顺水流侧右侧部分为计算单元。计算结果及各插参数选取见表3。

表3 承载力标准值及特征值计算表

经计算：站身段PHC管桩单桩竖向极限承载力Qu=649.43 kN，单桩竖向承载力特征值Ra=Qu/ 2=324.7 kN。

根据目前地基静载试验结果，检测点共计10点，现状地基承载力取各检测点的平均值，为107.8kN，作为现状桩间土地基承载力，原地基与管桩共同形成复合地基。各部位桩底高程一致，复合地基承载力计算按《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）所列如下公式计算[2]：

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为桩的截面积，m2；β为桩间土发挥系数，考虑现状地基经过加固，取0.8；fsk为处理后桩间土承载力特征值，宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值，取现状地基检测值，kPa。

计算结果见表4。

表4 计算成果表

根据基础补强加固处理范围，由进水闸至压力水箱后半段整体采用管桩处理，两侧处理至基础底板外边线处，压力水箱至防洪闸段堤防开挖后仍采用粉喷桩处理。根据计算结果，确定站身段PHC管桩桩间距为2.0 m，压力水箱后半段管桩桩间距为2.5 m。若遇到基础坚硬物体，桩位也可根据现场桩距适当调整。基础补强加固总桩数为366 根，桩身长度为14 m～18 m，原地基与管桩形成复合地基，桩顶上部设55 cm塑性混凝土垫层+5 cmC15 混凝土垫层，施工过程中，通过试桩最终确定管桩施工方案。

图1 基础补强加固纵剖面图

5 结语

经过两年运行检验，加固补强段的累计沉降量为13 mm～14 mm,沉降量较小，满足了设计和施工要求。

PHC管桩在建筑地基中广泛使用，单位承载力造价低，工厂化生产，成桩质量可控性强，质量检测方便，能适应复杂的地质条件，在当地水利工程中运用不多，鉴于本工程的特殊性，对破坏后的泵站基础采用管桩加固处理，施工速度快，工艺简单，工期短，施工完毕即可检测质量，不影响施工进度。

当然，PHC管桩在水利工程中的应用，也需要注意以下几个方面：（1）管桩质量要严格要求，桩身自身的质量好坏直接影响到复核地基基础的承载力。（2）由于水利工程的特殊性，在工期不要求的情况下，可以有选择性的进行评估。（3）项目如果在前期设计阶段中，若选用管桩处理基础，需考虑管桩的检测费用及当地机械进退场的费用。

综上，采用PHC管桩对滑坡后地基基础的加固补强满足了设计要求，管桩、原粉喷桩、原土基共同组成复合地基，可作为同类工程借鉴。