盘沽泵站泵房基础处理方案分析

2022-03-25付茂朋顾晓建

水科学与工程技术 2022年1期

付茂朋，徐涛，顾晓建

（1.中国水利水电建设工程咨询渤海有限公司，天津 300222；2.北京市平谷区水务局，北京 101200）

1 工程概况

盘沽泵站位于天津市津南区葛沽镇盘沽村附近，海河右堤外侧，主要任务为将小黑河雨水系统收集的雨水提升后排入海河，完善津南区排水体系，助力乡村振兴。泵站设计排涝流量12.0m3/s，装机功率740kW，为Ⅲ等中型工程，进水闸、泵房、压力水箱等主要建筑物级别为3级。

泵站泵房采用整体式钢筋混凝土箱型结构，顺水流方向长10.0m，垂直水流方向宽18.4m，底板厚1.0m；泵房内垂直水流方向依次布置4台立式潜水轴流泵，单泵单室，边墩及中墩均厚0.8m，水泵中心间距4.4m。泵房布置及尺寸参如图1。

图1 盘沽泵站泵房结构

2 工程地质条件

根据工程地质勘察成果［3］，工程场地地层属海陆交互沉积土层，具有滨海地区软弱土的特性：含水量大于或接近流限、天然孔隙比大于1、压缩性很高而强度很低、渗透性很小等。

泵房底板最低高程为-5.50m，基础埋置深度约8.0m，持力层为⑥2淤泥质黏土层，分布的厚度约5.0～6.0m，局部分布的厚度达10.0m左右；承载力建议值65kPa，与混凝土基底摩擦系数建议值0.15，压缩模量2.6MPa；该层物理力学性质较差，具有低强度、压缩性高、高灵敏度、不均匀变形等特征，为天然浅基础软弱下卧层。

经泵房稳定及地基应力计算：泵房最大基底应力116.58kPa，平均基底应力97.14kPa，大于⑥2淤泥质黏土层承载力建议值65kPa；泵房前池检修工况下抗滑稳定安全系数为0.67，小于规范允许最小值1.10，因此需采取基础处理措施以满足泵房竖向承载力和水平承载力的要求。

3 基础处理方案

3.1 基础处理方案比选

目前常用的软土地基处理方案包括：换填垫层法、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）、深层搅拌桩、钻孔灌注桩和混凝土管桩等。

（1）换填垫层法主要适用于浅层软弱地基的处理，施工方便，不需要特殊设备，但开挖较深时需要处理工程量较大，换填料需分层压实，无法压实会引起沉降。

（2）水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）为水泥、粉煤灰、碎石等拌和形成的素混凝土桩与桩间土和褥垫层共同形成的复合地基，具有承载力提高大、变形小的特点，适用范围较广，但由于淤泥质土承载力小、桩间土分载比例低，加固效果受其影响较大。

（3）深层搅拌桩固化剂一般为水泥浆，在地基深处通过深层搅拌机械就地将软土与水泥强制搅拌，利用水泥与软土间产生的系列物理~化学反应，形成一定强度和整体性的复合地基，适用于处理淤泥类软土，但受地基土分布影响较大，施工质量不稳定。

（4）钻孔灌注桩在各类软土地基处理中应用较多，施工工艺十分成熟，积累了大量的工程经验，工程质量更有保证，但造价较高，施工相对复杂。

（5）预制混凝土管桩具有施工速度快、单位承载力造价低、经济效益好的优点，但施工机械对场地要求高，施工时噪音大、挤土量大，沉降量较灌注桩大。

本工程软弱地基⑥2层淤泥质黏土最小厚度达5m，且泵房前池抗滑稳定安全系数不足，因此对抗滑稳定提高有限的换填垫层法、水泥粉煤灰碎石桩和水泥搅拌桩方案不适用，可供选择的基础处理方案为钻孔灌注桩或预制混凝土管桩。

经比选，两个方案投资基本相近，钻孔灌注桩方案可靠性相对更高，施工质量更稳定，根据本工程基础特点，盘沽泵站泵房基础处理推荐采用钻孔灌注桩方案，设计采用钻孔灌注桩直径为600mm，桩间距2.4m，桩长16.0m，桩端置于物理力学性质较好的⑨1粉质黏土层。

表1 钻孔灌注桩与预制混凝土管桩方案比选

3.2 竖向承载力计算

JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》［1］中规定，单桩竖向承载力特征值Ra计算公式如下：

单桩竖向极限承载力标准值估算公式如下：

式（1）~式（2）各计算参数含义及取值及计算结果如表2：

表2 桩基竖向承载力计算参数

经计算，单桩竖向极限承载力标准值Quk为1209.38kN，相应单桩竖向极限承载力特征值Ra为604.69kN；计算泵房单桩轴心竖向力558.53kN小于单桩竖向极限承载力特征值，最大轴心竖向力651.70kN小于1.2倍单桩竖向极限承载力特征值，满足设计和规范要求。

3.3 水平承载力计算

本工程泵房钻孔灌注桩由水平位移确定其水平承载力，设计时未进行单桩水平静载试验，设计桩身配筋率1.33%，因此根据规范［1］规定，泵房单桩水平承载力特征值Rha估算公式如下：

式（3）~式（4）中各计算参数含义及取值及计算结果如表3。

表3 桩基水平承载力计算参数

经计算，单桩水平承载力特征值为113.68kN，大于泵房前池检修工况下桩顶处单桩承受的水平力109kN，满足设计和规范要求。

3.4 桩基沉降计算

根据规范［1］要求，本工程泵房桩中心距设计为4倍桩径，小于6倍桩径，因此泵房最终沉降量采用等效作用分层总和法计算，由于泵房正常运用工况下基底应力较为均匀，因此仅计算中心点沉降量，矩形桩基中点沉降量计算公式如下：

式（5）~式（6）中各计算参数含义及取值及计算结果如表4：

表4 桩基沉降计算参数及计算成果

桩基沉降计算深度取附加应力与土的自重应力比小于0.2处的⑨2粉砂层底处，计算参数及计算结果如表4。由计算结果可知，泵房经钻孔灌注桩基础处理后计算沉降值为19.40mm，满足规范不宜超过15cm的要求，较处理前沉降值53.40mm减小34.00mm，处理效果良好。

4 桩基试验

盘沽泵站泵房钻孔灌注桩主要承受竖向荷载和水平荷载，因此要求施工完成后进行单桩竖向抗压静载试验和水平静载试验复核基础处理效果，静载试验方法均采用慢速维持荷载法。

4.1 单桩竖向抗压静载试验

泵房钻孔灌注桩采用3根工程桩进行了单桩竖向抗压静载试验，符合JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》［2］不少于同一条件下总桩数1%，且不应少于3根的要求；加载极限承载力（1220kN）大于2倍单桩竖向极限承载力特征值（604.69kN），满足设计和规范要求。

试验采用锚桩法［4］，由相邻的工程桩提供反力，由油泵通过液压千斤顶将荷载施加到桩顶上；基准梁采用长8m槽钢，固定位置为6m，沉降测定平面距桩顶距离0.2m，荷载采用油压传感器测量，沉降由对称安装的4块位移传感器测量。将各级荷载作用下对应的沉降量绘制成荷载~沉降Q~s关系曲线，及沉降~时间对数s~lg t关系曲线，根据规范规定确定单桩竖向抗压极限承载力。

采用逐级等量加载试验荷载，每级加载为122kN（设计极限荷载的1/10），第一级加载值为244kN（2倍分级荷载加荷）；每级荷载加载后按第5，15，30，45，60min测读1次桩顶沉降量，以后每隔30min测读1次，当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时进行下一级加载；当每60min内桩顶沉降量不超过0.1mm，并已连续出现2次（从分级荷载施加后第30min开始，按90min连续3次每30min沉降观测值计算），表明沉降已相对稳定；卸载逐级等量进行，每级卸载量为244kN（加载时分级荷载的2倍），每级荷载维荷60min，按第15，30，60min测读桩顶沉降量后，即可进行下一级卸荷载，卸载完成至零后，应测读桩顶的残余沉降量，维荷3h，第15，30min各测读1次，之后间隔30min测读1次。

本工程泵房钻孔灌注桩典型试验桩的单桩竖向抗压静载试验Q~s曲线如图2，试验数据汇总如表5。

表5 单桩竖向抗压静载试验数据汇总

图2 竖向抗压静载试验Q～s曲线

泵房钻孔灌注桩单桩竖向抗压静载试验检测结果表明：荷载~沉降Q~s曲线为缓变型，最大沉降量16.68mm小于规范限值40mm，小于计算沉降量19.40mm且偏差不大，因此判定桩基单桩竖向抗压极限承载力不小于1220kN，满足设计要求。

4.2 单桩水平静载试验

泵房钻孔灌注桩采用3根工程桩进行单桩水平静载试验，符合规范要求；加载极限承载力230kN，大于2倍单桩水平承载力特征值114kN。试验采用卧式千斤顶加载，试验荷载施加方法与单桩竖向抗压静载试验一致；通过千斤顶将压力分级施加至基桩，观测各级荷载作用下对应的力作用点位移，绘制水平力~力作用点位移H~Y0关系曲线，水平力~位移梯度H~ΔY0/ΔH关系曲线、力作用点位移~时间对数Y0~lgt关系曲线和水平力~力作用点位移双对数lg H~lg Y0关系曲线，根据规范规定确定单桩水平极限承载力。

本次单桩水平静载试验典型试验桩H~Y0曲线如图3，H~ΔY0/ΔH曲线如图4，lg H~lg Y0曲线如图5，试验数据汇总如表6。

表6 单桩水平静载试验数据汇总

图4 水平静载试验H～Y0曲线

图5 水平静载试验H~ΔY0/ΔH曲线

图6 水平静载试验lg H~lg Y0曲线

续表6

泵房钻孔灌注桩单桩水平静载试验检测结果表明：单桩水平极限承载力114kN对应最大水平位移为3.81mm，小于计算时取用的6mm且偏差相对较大，经分析为设计时考虑安全，桩侧土水平抗力系数的比例系数m取值偏小所致；工程桩单桩水平极限承载力实测为H~ΔY0/ΔH曲线上第二拐点对应的161.0kN，大于设计单桩水平极限承载力114kN，满足要求。