六盘水某污水厂地基处理设计与分析

2023-12-31王星星赖庆文廖光明王文彬艾道武

特种结构 2023年6期

王星星赖庆文廖光明王文彬艾道武

1.贵州省建筑设计研究院有限责任公司贵阳550002

2.四川大学建筑与环境学院成都610065

1 工程概况

六盘水市九洞桥污水处理厂位于人民东路、钟山大道、金水南路之间的地块，厂区总占地面积为85038.24m2；设计污水处理规模为10 万t／d，设计出水标准达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》［1］（GB 18918—2002）一级A标准，尾水排至水城河作为水城河补充水。

九洞桥污水处理厂主要污水处理构（建）筑物包括：曝气沉砂池、AAO-MMBR 生物池、二沉池、反硝化滤池、气浮池、投药消毒间、鼓风机房、配电房等。

根据《六盘水市九洞桥污水处理厂岩土工程勘察报告》，拟建厂区原地形稍有起伏，后经人工回填地形较平坦；污水厂周边无边坡滑移、泥石流等不良地质构造和抗震不利地段。场地内岩体节理、裂隙发育，岩体破碎，地质构造较发育；除此外，尚有溶蚀裂隙、溶洞、沟槽、石芽等岩溶形态发育，属于典型喀斯特地貌，对岩体完整性及其工程性能影响较大。该厂区内岩土构成及具体岩土特征参数自上而下如表1 所示，场地内具有代表性的地质剖面如图1 所示。

图1 代表性地质剖面Fig.1 Representative geological profile

表1 岩土特征参数Tab.1 Geotechnical characteristic parameters

厂区设计地坪标高为1781.00m，抗浮设防水位为1780.85m。各污水处理池基础底板低于设防水位约1m～2m；水池结构自重远大于水池浮力的1.05 倍，主体结构整体抗浮满足；基础底板较厚，经计算通过构造配筋能够满足局部抗浮设计；故结构抗浮设计满足要求。同时地下水位埋藏较浅，在进行地基处理方案选型中需分析地下水对地基方案的影响。

2 地基处理方案选择

2.1 桩基础

拟建场地若选用中风化白云岩作为地基持力层，中风化白云岩承载力特征值fak＝3000kPa，需采用端承桩基础；桩径约为1.2m，桩间距按7.5m×8.0m布置，需布桩数约为360 根，平均桩长约20m；桩基础施工造价约为1100 万元。考虑场地内岩溶形态极为发育，对成桩可能性及桩基适宜性的影响主要有：

（1）地基岩层中浅埋岩溶洞的发育，岩体及其基本质量特征、基础上部荷载大小直接影响桩基稳定性。

（2）溶沟、溶槽分布不均匀，岩体节理裂隙较为发育，使得基岩面起伏不平。基础置于岩层面隆起或斜面处时，有可能导致桩基础滑移，基础存在一定的安全隐患。

（3）采用桩基础，以中风化白云岩作持力层，应对柱底应力扩散范围内有浅埋岩溶洞隙进行凿穿处理，确保基础具有足够的嵌岩深度。处理好岩溶对桩基的影响后，采用桩基础方案才有条件可行。

场内岩溶洞隙不均匀性及连通性导致溶洞处理措施及费用不可预见性；同时场地水位较高，岩溶强发育，桩身较长，且局部土层、强风化及破碎岩体较厚，容易塌孔，不便于施工。根据一期施工单位桩基础施工经验现场成桩难度极大，影响工期，且施工人员安全保障度低；经设计单位结合现场实际情况，选用大直径端承桩的基础方案不适于本工程。

2.2 换填垫层

换填垫层法是指把基础下部一定深度范围内的软弱土层全部或部分挖去，然后换填性能较好的材料作为地基的持力层的一种地基处理方法。通过换填垫层处理提高地基承载力、减少沉降变形；适用于浅层软弱土层及不均匀土层的地基处理；常用换填材料为级配碎石、矿渣、粉煤灰等。

考虑到场地内地下水位埋藏较浅，水位频繁变动导致换填材料中级配颗粒被冲走而影响换填效果。同时，换填垫层的施工质量控制要求高，需分层碾压分层检测合格后方可进行上一层铺填，施工周期长、施工质量无法保证；对沉降敏感、上部荷载大的生物池、滤池、二沉池等尺寸较大的构筑物使用换填垫层的处理方案存在较大的质量风险。

设计中对一体化处理设备基础、污泥池、污水回流井、检测用房及门卫室等基底反力荷载轻、单体尺寸小的污水处理辅助构筑物采用换填垫层进行地基处理，既经济又能保证工程质量。

2.3 沉管灌注桩复合地基

沉管灌注桩是刚性桩复合地基处理的一种，适用于黏性土、粉土、素填土等土层；刚性桩的桩体可采用钢筋混凝土桩、素混凝土桩、预应力管桩等刚性桩［2］。沉管灌注桩是目前国内应用较为广泛的一种桩型，具有成桩速度快、施工周期短、设备简单、无泥浆污染、场地整洁美观的优点［3］。

根据本工程现场钻探揭露的地质条件，考虑到该项目工期较紧，经多方案地基处理比选并根据地勘报告对生物池、二沉池、反硝化滤池、气浮池采用沉管灌注桩复合地基进行地基加固处理的方案成桩可行性较高。

3 地基处理设计

3.1 沉管灌注桩复合地基设计

荷载作用下，刚性桩与天然地基土体通过变形协调共同承担上部结构荷载作用。初步设计时，由桩周土和桩端土及桩身材料强度提供的单桩竖向抗压承载力特征值按式（1）、式（2）计算，取计算结果的较小值［2］。

式中：Ra为单桩竖向抗压承载力特征值；Ap为单桩面积；up为桩的周长；n为桩长范围内所划分的土层数；qsi为第i层土的桩侧摩阻力特征值；li为桩长范围内第i层土的厚度；qp为桩端土地基承载力特征值，强风化白云岩取500kPa；α为桩端土地基承载力折减系数，取1.0；fcu为桩体抗压强度平均值，桩身混凝土强度等级为C25，fcu＝11300kPa；η为桩体强度折减系数，取0.33。

复合地基承载力特征值应通过复合地基静载荷试验或采用增强体静载荷试验结果和其周边土的承载力特征值结合经验确定。初步设计时，可按下列公式估算［4］：

式中：λ 为单桩承载力发挥系数，本工程取1.0；β为桩间土承载力发挥系数，取0.65；fspk为复合地基承载力特征值；fsk为处理后桩间土承载力特征值，取108kPa；m为面积置换率，m＝d2＝0.060428。

桩径d＝0.5m，桩间距S＝1.80m，呈正方形布置；仅考虑粉质黏土取平均土层厚度为6m（计算侧阻力有效桩长），桩侧摩阻力特征值qsi＝20kPa；忽略淤泥层及素填土层侧摩阻力实际平均桩长约为10m；由式（1）、式（2）计算的单桩抗压强度特征值Ra分别为286kPa、731kPa，取特征值较小者Ra＝286kPa；由式（3）得处理后复合地基承载力特征值fspk＝154kPa。

根据地质资料剖面图，拟建场地内生物池、二沉池、气浮池、反硝化滤池、接触消毒池、中间提升泵房等荷载大、平面尺寸长的主要污水处理构筑物基础下的地基采用沉管灌注桩复合地基处理方案。沉管灌注桩的平面布置及桩基础的立面配筋如图2、图3 所示。

图2 沉管灌注桩平面布置Fig.2 Plane layout of immersed cast-in-place piles

图3 沉管桩立面配筋Fig.3 Reinforcement of immersed pile facade

沉管灌注桩布置间距，除反硝化滤池间距为1.70m×1.70m外；其余单体构筑物均为1.80m ×1.80m；沉管桩的长度按实际，并应按贯入度的入土深度控制桩长，桩端支承于强风化岩；因场地内岩石面起伏较大，当桩顶离岩石面距离大于15m时，沉管桩的长度按15m桩长进行施工，当桩端支承于强风化面桩长小于6m 时，桩应嵌入强风化岩0.5m。按上述复合地基处理计算公式，计算可知处理后的地基承载力特征值满足上部结构荷载要求。

地基变形验算按照《建筑地基基础设计规范》［5］5.3.5 条进行基础沉降计算，在PKPM 基础设计模块中输入沉降计算相关地质资料。经计算二沉池标准组合下最大基底反力为110kPa ＜fspk＝154kPa，平均基底反力为80kPa。二沉池基础底板沉降变形如图4 所示，沉管灌注桩中心沉降变形最大为155.26mm，筏板最大沉降为123mm，位于二沉池底板基础的右上角局部位置处；基础底板平均沉降变形约为77mm，小于工艺设备安装运行允许平均沉降变形125mm。不均匀沉降差引起的二沉池整体倾斜为（123-77）／42000 ＝0.0011 ＜0.004；二沉池地基经处理后其复合地基承载力及沉降变形均满足规范设计要求。

图4 二沉池底板沉降云图（单位：mm）Fig.4 Cloud chart of bottom plate settlement of secondary sedimentation tank（unit：mm）

各单体构筑物地基处理计算结果如表2 所示，基础底板平均沉降变形均小于工艺设备安装运行允许平均沉降变形125mm，基础平均地基反力均小于处理后的地基承载力fspk＝154kPa。处理后的复合地基各项计算结果均满足规范要求。

表2 其他构筑物沉管桩地基处理结果Tab.2 Results of foundation treatment for immersed pipe piles of other structures

3.2 换填垫层设计

考虑到地基处理的经济性及施工的便捷性，对一体化处理设备基础、污泥池、污水回流井、检测用房及门卫室等平面尺寸小、结构荷载轻的构筑物采用换填垫层进行地基处理。换填材料采用级配良好的碎石，并进行分层碾压合格后方可进入下道工序；换填厚度为1.2m，换填后的地基承载力为160kPa。基础换填垫层做法见图5 所示，按规范［4］第4.2.2 条计算得最大荷载单体的软弱下卧层的地基承载力pz＋pcz＝83kPa ＜faz＝95kPa；垫层地基的变形由垫层自身变形和下卧层变形组成，根据规范［5］5.3.5 条对换填垫层地基的变形进行计算得s＝35mm ＜77mm，平均沉降变形满足规范要求。换填垫层设计时，需按地基规范6.2.2 条3 款考虑岩土界面上存在软弱层（如泥化带）对地基整体稳定性的影响。根据地基规范第5.4.1 条对岩土界面采用圆弧滑动面法进行验算，最危险的滑动面上产生的抗滑力矩MR＝148.6kN·m，滑动力矩MS＝94.5kN·m；MR／MS＝1.57 ＞1.2，即岩土界面处软弱土层整体稳定。

图5 基础换填垫层示意Fig.5 Schematic diagram of foundation replacement cushion layer

3.3 原有桩基础利用

原一期建设的粗细格栅沉砂池结构为桩基础，已经于2014 年施工完成（原设计各单体构筑物基础为桩基础，施工单位在施工细格栅池桩基础时出现塌孔、溶洞处超灌混凝土、持力层深、桩长普遍大于30m、成桩困难、经济性差等问题，投资超预算），后因业主原因该粗细格栅池上部结构未修建。二期扩建时，考虑到原设计的粗细格栅桩基础已实施，为节约投资，业主想利用原设计基础作为新建格栅池的基础，为此在工艺设计时，在不影响结构安全的情况下尽量使工艺平面与原设计工艺图相一致，但仍有部分新建柱与桩基础不重合，新建筏板基础外轮廓尺寸与原始设计桩基础平面相吻合，如图6 所示。

图6 沉砂池原有桩基布置Fig.6 The original pile foundation layout of the sand settling tank

本次粗细格栅设计充分考虑业主诉求，利用原有桩基础作为粗细格栅池的基础，面临的问题有：1）需请第三方检测机构对原有桩基础进行承载力和桩身完整性检验，影响工期；2）部分新建柱并未与原有桩基础重合，需重新进行挖桩，现场施工困难。鉴于以上问题按照沉管灌注桩设计思路，在原桩基础范围内铺设500mm 厚级配良好的碎石，并按换填垫层的施工要求，以保证上部结构能够有较好的变形协调能力。级配碎石换垫层施工完成并检测合格满足承载力要求后，再进行新建格栅池筏板基础施工。

4 单桩静载荷试验

通过沉管灌注桩静载试验，可确定桩的入土深度及合理的拔管速度和充盈系数。在相同的地质条件下，试验桩的数量不少于2 根；本工程结合地勘报告及构筑物的重要性分别选择生物池、反硝化滤池、二沉池、气浮池基础范围内有代表性场地及地质情况复杂的位置布置试验桩。反硝化滤池试验桩布置如图7 所示，沉管至设计标高或至持力层后，根据沉管时地质变化情况确定拔管速度并推算各种土层混凝土充盈系数不小于1；对于充盈系数小于1.0 的桩，应全长复打，对可能断桩和缩颈桩，应进行局部复打。试验桩施工完成后，根据试桩确定的施工工艺和参数进行沉管灌注桩的施工。

图7 滤池试验桩布置Fig.7 Layout of filter test piles

根据检测单位对试验桩的静载荷试验数据整理可得反硝化滤池、生物池复合地基试验桩的荷载-沉降曲线，如图8、图9 所示。所有试验桩荷载加至设计承载力特征值的2 倍时，均未达到破坏标准。因此，处理后的复合地基承载力及单桩承载力均满足设计要求。

图8 滤池复合地基荷载-沉降曲线Fig.8 Load displacement curve of filter composite foundation

图9 生物池复合地基荷载-沉降曲线Fig.9 Load displacement curve of biological pool composite foundation

5 地基处理施工

沉管灌注桩施工工艺步骤如下：场地平整及地上障碍物清理→桩基设备进场安装调试→测量放线定位→桩基设备就位→桩管和桩尖就位→静压沉管→终止压管→放置钢筋笼→浇灌混凝土→拔管→移机→单桩施工完毕。场地内施工完成的沉管灌注桩如图10 所示。

图10 沉管灌注桩施工现场Fig.10 Construction site of immersed cast-in-place pile

沉管灌注桩成桩过程中应符合：1）施工前应按设计要求在室内进行配合比试验，施工时应按配合比配置混合料；2）沉管灌注桩成桩施工拔管速度应匀速，宜控制在1.5m／min～2m／min，遇淤泥或淤泥质土时，拔管速度应取低值；3）桩顶超灌高度不应小于0.5m，成桩过程中，应抽样做混合料试块，每台机械一天应做一组3 块试块，进行标准养护并应测定其立方体抗压强度；4）挖土和截桩时应注意对桩体及桩间土保护，褥垫层铺设宜采用静力压实法。当桩间土含水量较小时，也可采用动力夯实法。褥垫层夯填度不大于0.9。

基础换填垫层施工需注意：1）垫层应分层进行密实度检验，在施工结束后进行承载力检验；2）高填方地基应分层填筑，分层压（夯）实、分层检验，且处理后的高填方地基应满足密实和稳定性要求：3）压实、夯实地基应进行承载力、密实度及处理深度范围内均匀性检验，压实地基的施工质量检验应分层进行。

为了掌握各建（构）筑物结构沉降变形情况，基础施工完成后可在基础及上部结构上设置沉降观测点；在施工及使用期间须对基础进行沉降观测，使其平均沉降量小于规范允许值。