钻孔灌注桩在排上圩泵站地基加固中的应用

严家家，吕 梅，赵 东，吴 洋

(1.江苏茂源勘测规划设计有限公司，江苏 仪征 211400；2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223000)

地基土承载力不足是影响工程建设的因素之一，针对这一类型地基土，若不采取相应的处理措施，直接在其上修建建筑物，则极易出现较大规模的沉降变形、开裂等问题[1-2]。因此，为了保证工程的安全及使用年限，针对承载力不足的地基土采取相应的治理措施是十分必要的。以此提高地基土的承载力，从而控制地基土的沉降变形，保证上部建筑物的安全使用。目前，针对承载力较低的地基土采用的处理方法主要包括：复合地基、桩基础、强夯法等[3-5]。各种方法在工程实践中均取得了较为成功的经验，但是，为了节约工程投资、保证工程质量，针对不同的地质情况需要采取不同的地基处理方法。数值模拟是岩土工程中较为常用的方法，在地基加固效果分析中也取得了较为成功的使用经验，具备建模速度快、计算结果较为可靠等优势[6-7]。研究主要结合排上圩泵站工程，对地基加固处理方案进行分析。

1 工程概况

原泵站设计方案无法满足现状排水需求，通过现场调查，采用异地扩建泵站的方案加以处理。新建泵站位于中山科技园生活配套区东侧，官塘河右岸，距离官塘河入马汊河河口450m。距离原泵站250m，紧邻南京市江北防汛物资储备基地。主要承担园区的排涝任务，排水区面积约1.05km2，排水标准按10a一遇设计暴雨计算。场地内土层为：0A层杂填土，结构松散，密实性和均匀性差，工程性质差；1A层粉质黏土，可塑，中压缩性，工程性质一般；1B层粉质黏土，局部为深灰色泥炭质土，软塑，局部流塑，高压缩性，工程性质差；1B1层粉土，稍密，中压缩性，工程性质较差；1C层粉质黏土，可塑，局部硬塑，中压缩性，工程性质较好；1D层粉质黏土，可塑，中压缩性，工程性质一般。

2 地基处理方案

2.1 地基处理方案比选

拟建泵站根据其荷载及变形要求，天然地基难以满足设计要求，拟考虑采用钻孔灌注桩或深层搅拌桩处理。

2.1.1复合地基

根据野外钻探揭露：3#孔6.8～7.4m，4#孔7.8～8.0m，5#孔8.7～9.1m，6#孔7.4～8.1m为深灰色泥炭质土，夹大量腐植质，因此本场地不宜采用深层搅拌桩，建议采用振动挤密碎石桩。

振动挤密碎石桩具有提高地基土的承载力和消除可液化土液化性的特点，缺点是施工时噪音大。

碎石桩桩长应满足处理后的地基变形量不超过建筑物的地基允许值并应满足软弱下卧层承载力的要求。碎石桩加固深度可控制在10～15m，桩径为φ500mm，桩距可按1.1～1.2m等边三角形布置，置换率0.16～0.19，处理后的复合地基承载力一般可达130kPa以上。

当复合地基不能满足设计要求时可采用桩基础。

2.1.2桩基

桩型、桩径和桩端持力层。根据拟建场地工程地质条件，结合建筑物荷重特点及周边建筑经验，桩型可采用预制桩或钻孔灌注桩。预制桩具有施工工期短、施工质量较稳定的特点，缺点是桩长不容易控制，会造成截桩。1C、1D层可作为桩端持力层。桩径可选择φ400、φ500mm等。进入持力层深度不宜小于2.0d。钻孔灌注桩具有施工工艺成熟、可以克服地下硬岩土层和地下障碍物、桩径大、单桩承载力高、桩长可根据持力层的埋深现场调节等优点，缺点是施工周期长，孔内残渣不易控制，施工时泥浆易污染周围环境。1C、1D层可作为桩端持力层。桩径可选择φ600、φ800mm等。进入持力层深度不宜小于2.0m。

2.1.3方案比选

适合本工程的方案较多，且根据岩土勘察报告，本场地不宜采用深层搅拌桩；预制桩施工机械较大，进场困难；钻孔灌注桩方案具有施工过程噪音低、对周围影响小、施工安全性好等诸多优点，且处理效果好、地基沉降控制好、施工占地少，因此钻孔灌注桩方案较适合本工程。

根据建筑物位置处土层分布及构筑物地基承载要求，采用直径0.6m的钻孔灌注桩对泵(闸)室、扶壁挡墙2及闸门井进行处理，桩长12m。

2.2 地基计算

2.2.1单桩垂直极限承载力计算

Quk=U∑qstkli+qpkAp

(1)

(2)

Nk≤R

(3)

Nk≤1.2R

(4)

式中，Quk—单桩垂直极限承载力标准值，kN；U—桩身截面周长，m；Qsik—单桩第i层土的极限侧摩阻力标准值，kPa；Li—桩身穿过第i层土的长度，m；Ap—桩身截面面积，m2；Qpk—单桩极限端阻力标准值，kPa；K—安全系数，取为2；R、Ra—桩基竖向承载力特征值，kPa；Nk—荷载标准组合轴心竖向作用力下，kPa，桩基的平均竖向力，kN。

2.2.2桩长确定

根据垂直极限承载力确定，按γ0Q≤Quk(γ0取1.0)计算。

2.2.3计算成果

计算成果见表1。

表1 主要建筑物桩基竖向承载力计算成果

从表1计算结果可知，桩基处理后均满足规范要求。

3 加固效果分析

3.1 数值模拟模型建立

根据排上圩新建泵站地质勘察成果资料可以得知，拟建泵站处的土层为：0A层杂填土、1A层粉质黏土、1B层粉质黏土、1B1层粉土、1C层粉质黏土、1D层粉质黏土。根据地质钻孔资料成果，以及计算桩长、桩间距、泵站规模及荷载等基本参数，建议数值模拟计算模型。分析采用钻孔灌注桩加固后在上部泵站施工建设期间以及施工完成后的运行期间，地基的沉降变形情况以及应力分布情况。计算模型如图1所示，计算参数见表2。

图1 FLAC数值模拟模型

表2 各土层力学参数

3.2 数值模拟计算结果分析

3.2.1沉降变形分析

钻孔灌注桩和桩间土随着施工过程和施工完成后的变形量如图2所示。

图2 沉降变形监测结果

从图2中可知，钻孔灌注桩和桩间土沉降量均随着上部泵站的施工而不断增大，在泵站施工完成时达到最大值，在施工早期，沉降变形速率较大，当上部泵站施工完成后，沉降变形量逐渐趋于稳定。桩土之间的沉降差值在施工初期处于一个较小的水平，随着不断施工，桩土沉降差值不断增大，在泵站施工完成时达到最大值，之后桩土沉降差值不断缩小，主要原因是：施工初期荷载较小，桩土共同承担上部荷载，之后荷载增大超过桩间土承载力时，桩间土的沉降变形量不断增大，当施工完成后，上部荷载趋于稳定，桩间土固结沉降，承载力有所提升，桩土沉降差值不断缩小。

3.2.2桩土应力比分析

桩土应力比是桩土承担荷载差值的反应。桩土应力比随施工过程的变化如图3所示。

图3 桩土应力比

从图3中可知，施工初期桩土应力比较小，在整个施工期间，随着上部荷载增大，桩土应力比也不断增大，在施工完成时达到最大值，之后桩土应力比出现减小现象。施工过程中，上部泵站的荷载不断增大，当超过桩间土的承载力时，钻孔灌注桩将承担主要荷载，随着上部荷载不断施工，在施工完成时，桩土应力比达到最大值。之后，随着上部荷载的稳定，桩间土的固结沉降和承载力提升，桩土应力比出现减小趋势。

4 结论

(1)排上圩泵站土层厚度大，承载力较低，无法承担上部荷载。通过对比复合地基、预应力管桩、钻孔灌注桩等方案，采取钻孔灌注桩具有施工简便、适应性强等优势。

(2)通过数值模拟分析，加固后的地基沉降量不大于40mm，上部荷载整体沉降量较小，满足相关要求。

(3)桩土应力比、桩土沉降差随着上部泵站施工呈现动态变化，随着施工进度，桩土应力比、沉降差不断增大，施工完成时达到最大值，之后出现减小趋势。