预应力管桩基础在大雅站工程中的设计应用

（作者单位：江苏省水利勘测设计研究院有限公司 225000）

一、工程概况

安徽省来安县大雅站位于来安河左岸堤防上，根据来安县来安河防洪治理工程规划成果，大雅排涝泵站站址所在来安河堤身堤顶高程14.20m，堤顶宽8.0m，内、外边坡1 ∶2.5。大雅站采用正向进、出水布置型式，泵室采用干室型结构。泵站工程自进口至外河出口依次布置引渠、进水口、前池及拦污闸、泵室及压力水箱、自排控制闸、穿堤涵洞及防洪控制闸，涵洞出口设消能放冲设施。站身底板顺水流向长23.50m，横向宽16.90m，泵室底板厚0.7m，边墩厚为0.7m，中墩厚0.8m，水泵中心间距3.80m，设计抽排流量为7.8m3/s。

二、工程地质

1.地基情况

大雅排涝泵站底板高程4.0m。

基础持力层为③层淤泥质粉质粘土，呈流塑～软塑状，为软弱强度地层，高压缩性，孔隙比大，含水量大，工程地质条件差。含水量范围值28 .0%～43.5%、均值35.9%；孔隙比范围值1.00～1.30、均值1.15；液性指数均值1.35；塑性指数均值14.0；压缩模量3.05MPa；直接快剪粘聚力小值均值11.6kPa，直接快剪内摩擦角小值均值9.0°；渗透系数为4.96×10-5cm/s，属弱透水；承载力允许值[R]=90 kPa。

2.存在问题

地基为软弱土层，承载力低不满足设计要求。站身底板最大基底应力102.5kPa，前池翼墙最大基地应力达到132.0kPa，远超过地基承载力允许值，天然地基承载力不满足设计要求；标准贯入击数N 平均值只有2.8 击，根据《泵站设计规范》（GB50265-2010）6.4.2 条：标准贯入击数小于4 击的粘性土地基不得作为天然地基，因此需要进行地基处理。来安河堤防各岩土层物理力学指标表见表1。

三、基础处理设计

1.方案选择

根据地质条件进行分析，有两种处理方式：复合地基和桩基础。水利工程中复合地基一般采用水泥土深层搅拌桩和预应力混凝土空心管桩复合地基；桩基础一般采用预应力混凝土空心桩（管桩）和钻孔灌注桩。该工程基底持力层以下淤泥质土层厚度约15m，淤泥层较厚，含水量较大，若采用水泥土搅拌桩进行处理，软塑状黏性土施工难度较大，且入岩较难，恐难达到设计要求；灌注桩施工难度大且造价较高，因此采用管桩可满足设计及节省投资要求。该方案具有单桩承载力高、桩身耐打、施工快、功效高、工期短等优点，故推荐采用预应力混凝土空心桩（管桩）基础方案。地基处理方案比选表见表2。

综合以上因素考虑，本次设计采用PHC-AB400（95）-18.5m 管桩，即所用管桩外径为400mm，壁厚为95mm，长度为18.5m，桩间距1.2m，正方形布置，管桩封端高度2.0m。预应力混凝土空心桩质量要求应符合国家现行标准《先张法预应力混凝土 管 桩》（GB/T 13476）、《先张法预应力混凝土薄壁管桩》（JC 888 ）和《预应力混凝土空心方桩》（JG 197）及其他的有关标准规定。基础处理桩位和管桩桩顶与底板连接见图1 和图2。

表1 来安河堤防各岩土层物理力学指标表

图1 基础处理桩位图

图2 管桩桩顶与底板连接详图

2.桩基计算

（1）单桩承载力计算

根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定敞口预应力混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算：

单桩竖向承载力设计值：

Quk=Qsk+Qpk=uΣqsikli+qpk（Aj+λpAp1）

当hb/d＜5 时，λp=0.16hb/d

当hb/d ≥5 时，λp=0.8

式中：

qsik、qpk—桩周第i 层土极限侧阻力、桩端极限端阻力（kPa）；

u—桩身周长；

li—第i 层土质层厚；

Aj—管桩桩端净面积，管桩；

Ap1—管桩敞口面积：；

λp—桩端土塞效应系数；

d、b—管桩外径、边长；

d1—管桩内径。

单桩竖向极限承载力标准值为338.6kN，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第5.2.2 条，单桩竖向承载力特征值为Ra=338.6/2=169.3kN。建筑物最大基地应力出现在前池翼墙处，Nk=129.5kN＜169.3kN，Nkmax=1174.6＜169.3×1.2=203.2kN，满足规范。

（2）沉降计算

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）的规定，大雅排涝泵站建筑物地基最终沉降量按下式计算：

式中：S—地基最终沉降量，mm；

ψs—沉降计算经验系数，取0.5；

P0—基础底面处的附加压力（kPa）；

n—地基压缩层范围内的土层数；

Esi—第i 层土的压缩模量，MPa；

Zi、Zi－1—基础底面至第i 层土、第i-1层土底面的距离，m；

ai、ai-1—基础底面计算点至第i 层土、第i-1 层土底面范围内平均附加应力系数。

地基压缩层的计算深度按计算层面处附加应力与自重应力之比等于0.2 的条件确定。经计算，泵站前池边墙地基最终沉降量为32mm，泵室最终沉降量为24mm。所以，进行基础处理后的各部位的沉降量较小也相近，沉降差可以满足规范要求。

四、结语

深厚软弱土层地基处理控制沉降是关键点。水泥土搅拌桩地基处理后承载力能满足设计要求，但由于软弱土层深厚超过15m 搅拌桩质量难以保证，因此沉降值无法得到控制；钻孔灌注桩造价又太高；因此处理软弱土层15m 深度预应力混凝土管桩是首选。大雅站主体部分施工已全部完成，根据实际观测各建筑物沉降值未超过5mm，沉降差未超过2mm，沉降控制效果良好■