预应力管桩在二明窦排涝泵站地基处理中的应用

郑 锐

（临汾市水利勘测设计院，山西 临汾 041000）

1 引言

软土地基力学性质差，承载力低，是制约工程建设的一个重要因素。建筑物修建于软土地基上，极易出现沉降量过大等问题。针对软土地基进行地基处理是十分必要的，可提高地基土的承载力，满足承载力要求，从而保证上部主体结构的安全。目前，针对软土地基主要采用以下方式进行处理：真空预压法、挤密碎石桩法、换填法、预应力管桩等。不同的处理方式适用于不同的地质情况，需要结合实际情况采取合理的方法。数值模拟是岩土工程领域极为常用的研究方法，具有模型建立简便、计算速度快、结果准确等优势。结合二明窦泵站工程，研究预应力管桩在泵站软土地基处理工程的应用。

2 工程概况

二明窦排涝泵站位于中山市古镇西部顺成河出口海洲水道东岸。二明窦排涝泵站控制集雨面积15.1 km2。现有排涝工程标准低，装机容量不足，主要的排涝河道二明窦段内河涌仅宽4 m，二明窦水闸净宽3.5 m，加之违章建筑挤占河道，严重阻塞了排涝畅通。二明窦排涝泵站按10年一遇24 h 暴雨一日排干的标准设计，设计排水流量为27.6 m3/s，泵站装机3 台，总装机容量2130 kW，属中型工程，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3 级。防洪设计标准为50年一遇，相应的外江水位4.65 m。

3 桩基处理方案

根据地基和上部荷载特性，泵站主厂房基础处理采用Φ500 预应力砼管桩，管桩采用PHC型AB 组，壁厚为125 mm。

①单桩竖向承载力计算

端承摩擦型桩进行设计，根据下式计算单桩竖向承载力设计值：

式中：Ra单桩竖向承载力特征值，kN；u 桩身周长，m；qsia桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值，kPa；Li桩穿越第i 层土的厚度，m；qpa极限端阻力标准值，kPa：Ap桩端面积，m2。

②单桩水平承载力计算

单桩水平承载力设计值按下式计算：

式中：Rh单桩水平承载力特征值，kN；α 桩的水平变形系数；EI 桩身抗弯刚度；χoa桩顶容许水平位移；γx桩顶水平位移系数。

经计算，Φ500 预应力管桩单桩竖向承载力特征值为1044.84 kN，考虑水平力群桩效应的单桩水平承载力特征值为139.34 kN。

泵房主厂房基础下部顺水流方向共布桩6 排，排距2.0 m～2.7 m，每排布7 根桩，桩距2.8 m～3.0 m，总桩数42 根，平均桩长17m。根据泵房主厂房上部结构的地基应力和桩位布置，最大竖直荷载按完建无水期考虑，最大水平荷载按校核洪水位时考虑。经计算，单桩竖向荷载为761 kN，小于单桩竖向承载力特征值1044.84 kN，单桩水平荷载为136.4 kN，小于单桩水平承载力特征值（考虑水平力群桩效应）139.34 kN，满足设计要求。为增强泵站主厂房的抗渗稳定性，主厂房基础四周采用φ500水泥搅拌桩围封，桩距0.4 m，平均桩长9 m。

4 预应力管桩加固效果分析

4.1 现场试验

为研究预应力管桩以及水泥搅拌桩围封加固后的效果，获取处理后的复核地基土的承载力特征值，现场载荷试验进行检测分析。现场载荷试验结果见表1。

表1 载荷试验结果

表1 中的现场载荷试验结果表明：使用预应力管桩处理后的桩土复合地基承载力明显提升。其中预应力管桩基础承载力较大，载荷试验结果约为380 kPa。桩间土承载力在管桩施工的挤密作用影响下也有了较为显著的提升，检测结果表明桩间土承载力约为140 kPa。综合计算，采用预应力管桩处理结合水泥土搅拌桩围封后的复核地基承载力约为220 kPa，满足要求的承载力特征值。由现场载荷试验结果可知，二明窦泵站地基采用预应力管桩处理效果较好。

4.2 加固效果数值模拟分析

4.2.1 数值模拟模型建立

根据二明窦泵站地质勘察成果可知，泵站的地基土层主要是：素填土、淤泥质土(淤泥质粉砂、淤泥质粘土)、粉砂、粘性土、粉土、花岗岩。为简化数值模拟模型，按照土层性质，将地基土层主要分为：素填土、淤泥质土、粘性土、花岗岩4 种类型。依据设计桩长及桩间距建立数值模拟模型。分析采用预应力管桩处理后，上部建筑施工以及后期运行过程中，预应力管桩、桩间土的变形情况以及桩土应力比的变化特征。数值模拟计算模型见图1，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

4.2.2 数值模拟计算结果分析

（1）沉降变形分析

主体泵站施工期间以及施工完成后，预应力管桩和桩间土的沉降监测结果见图2。从图2 中可以看出，在泵站施工和运行期间，预应力管桩和桩间土的沉降量随着时间变化逐渐增大，在施工期间，沉降变形速率基本保持稳定，这主要是因为施工期间，施工速度较为均匀，上部结构荷载均匀增大。泵站施工完成后，沉降变形速率有所下降，直至运行一段时间后沉降变形逐渐稳定。在施工初期，桩间土与管桩的沉降差值较小，主要原因是上部主体结构荷载较小；随着施工进行，泵站荷载逐渐增大，直至超过桩间土的承载力，此时，桩间土的变形速率较管桩变形速率大，管桩与桩间土的沉降差值不断增大。当泵站施工完成时，桩间土与管桩的沉降变形差值达到最大值。之后，随着上部荷载趋于稳定，桩间土不断固结，由管桩和桩间土共同承担上部泵站荷载，桩和桩间土的沉降差值不断缩小。

图2 沉降变形监测结果

（2）桩土应力比研究

桩土应力比是桩与桩间土承受荷载的比值，该值越大表明桩与桩间土承受荷载的差值越大。泵站施工期、完工期桩土应力比变化曲线见图3。从图3 中可以得知：泵站开始施工后，上部荷载是一个逐渐增大的过程，在初期，荷载较小，低于桩间土承载力。此时，桩间土与管桩所承受的荷载大小基本一致，桩土应力比较小。随着上部荷载的不断增大，超过桩间土承载力后，预应力管桩承担的荷载将远大于桩间土承载的荷载，在泵站施工完成时，桩土应力比达到最大值。之后，由于上部荷载已经稳定，桩间土的固结，其承载力也有所增大，桩土应力比呈现下降趋势。

图3 桩土应力比

5 结论

（1）二明窦泵站地基土软土厚度大，承载力较低，不能满足上部荷载要求，因此，需采取地基处理，根据计算，确定采用预应力管桩基础处理可满足要求。

（2）管桩施工完成后，通过现场载荷试验分析桩土地基的承载力特性。使用预应力管桩处理结合水泥土搅拌桩围封后的地基土承载力可达220 kPa，可满足设计要求。

（3）桩土沉降差随上部泵站施工荷载增大而增大，主体工程施工完成后，桩土沉降差值又逐渐减小。

（4）桩土应力比随着施工进程逐渐增大，泵站施工完成时最大，之后逐渐减小。