深层水泥搅拌桩在大型泵站地基处理中的应用

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1、概述

    太浦河泵站位于江苏省吴江市太浦河上已建的太浦闸南侧，是太浦河工程的重要组成部分，其修建目的主要是解决枯水年份太湖水位较低时抽取太湖水向下游上海市供水300m³/s，以改善上海水质。     主泵房内布置6台斜15°单机50m³/s的斜轴泵，底板长84.87m，宽（顺水流方向）40.45m，采用二机一缝的布置，泵房底板共分三块，单块底板长度为22.50m。进水侧底板底高程-8.05m，出水侧底板底高程-6.45m，底板厚2m。安装间布置在泵房的北端，在泵房的南端布置一座35kV变电站。     主泵房建基面在粉质粘土上，土层物理力学指标较低，天然地基无法满足泵房上部结构对地基的强度和变形要求，必须进行地基处理。     2、工程地质条件     场地区地层为巨厚（大于100m）第四纪河湖相、海相及沼泽相等沉积层，无活动断裂构造分布，区域地质构造稳定，地震基本烈度为Ⅵ度。场地区土层的物理力学指标见表1。     泵房建基于⑤层土上，⑤层为灰色粉质粘土，标贯击数小于4，压缩系数0.38Mpa^-1，地基承载力标准值为105Kpa，且⑤层属高～中压缩性土，天然地基不能满足泵房上部结构对地基的强度和变形要求，由于软土厚度较大，不宜用换（填）土处理。同时对⑥层下伏软弱下卧层需进行强度及变形验算。 表1   地基土物理力学性质指标 层号 土层名称 土层 厚度 m 湿密度 (kN/m³) 天然孔隙比 天然含水量(%) 塑性 指数 I_P 液性 指数 I_L 压缩模量 (MPa) 地基承载力标准值(KPa) ③₁ 粉质粘土 0.4~3.1 20.0 0.74 26.7 19.4 0.36 8.6 255 ③₂ 粉质粘土 0.3~5.1 19.4 0.84 30.5 14.4 0.68 9.4 150 ③₃ 砂壤土 0.9~5.2 19.0 0.88 32.3 9.2   14.4 120 ④₁ 轻砂壤土 1.5~3.1 19.0 0.90 33.4     18.9 120 ⑤ 粉质粘土 4.4~7.5 19.0 0.94 34.8 13.9 1.07 5.3 105 ⑤’ 粉质粘土与粉质砂壤土互层   18.8 0.96 35.7 9.2   7.1 110 ⑥ 粉质粘土 4.0~6.5 20.5 0.65 23.5 20.3 0.10 13.7 300 ⑦₁ 重粉质粘土 0.4~3.0 19.6 0.77 27.7 13.5 0.5 12.6 200
    3、泵房地基处理设计     3.1地基处理方案     泵房地基应力计算以二机一联段作为计算单元，经过计算，控制工况为完建工况，泵房在控制工况时基底应力最大值为198.9 kPa，最小值为135.3 kPa，平均地基应力为167.1kPa，超过⑤层土的地基承载力标准值。对⑤层土进行宽度修正以后的地基承载力标准值为128.96 kPa，亦不能满足设计要求。⑤层下部为⑥层棕黄、灰绿色粉质粘土，该土层厚约5.2m，土质均一，呈硬塑状态，属中压缩性土，其地基承载力标准值为300kPa，是泵房基础较好的浅层持力层。     设计考虑了三个方案进行技术和经济比较，方案一：预制钢筋混凝土方桩方案；方案二：灌注桩方案；方案三：水泥搅拌桩方案。方案投资比较见表2。根据规范可知，水泥搅拌桩一般适用于软弱粘性土和粉性土地基，由于受搅拌机械搅拌能力的限制，一般不适用于地基承载力设计值大于120kPa的粘性土和粉性土，而⑤层灰色粉质粘土经宽深修正，其承载力设计值达128.96kPa，但经过室内水泥土试验，⑤层土经搅拌以后能达到很好的加固效果，可满足设计的要求。经过综合比较，方案三因其投资省、抗渗效果好以及能较好地适应地基变形等优点而被选为推荐方案。 表2    泵房地基处理方案比较表 方    案 名 称 单 位 主要工程量 投资(万元) 预制钢筋混凝土方桩 混凝土 m3 1441.4 268.0 钢筋 t 282.8 混凝土灌注桩 混凝土 m3 1950.8 314.4 钢筋 t 160.6 深层水泥搅拌桩 水泥搅拌桩 m3 7729.4 196.4
    3.2地基处理设计     水泥搅拌桩桩型采用双头搅拌桩（断面为2个直径0.7m搭接0.2m的复合桩），固化剂采用425^#普通硅酸盐水泥，水泥掺入量选用15%，设计桩长6.5～8.1m，进入⑥层持力层0.5～1m。     3.2.1水泥搅拌桩单桩竖向承载力标准值确定     根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91），单桩竖向承载力标准值按下列二式计算，并取其中的较小值。                                            式中，η为强度折减系数；为室内加固土试块的无侧限抗压强度平均值；Ap为桩的截面积；为桩周土的平均摩擦力；q_p为桩端天然地基土的承载力标准值；α为桩端天然地基土的承载力折减系数；Up 为桩周长；l为桩长。     根据本工程的“水泥土检测试验报告”，水泥掺量为15%，龄期为90天的水泥土无侧限抗压强度=2.31MPa，桩长考虑伸入持力层0.8m~1m，经计算，单桩竖向承载力标准值由摩擦桩控制=322.8kN。     3.2.2复合地基的承载力标准值确定及桩位布置     根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91），复合地基的承载力标准值由下式计算：     式中，f_s,k为桩间天然地基土承载力标准值；β为桩间土承载力折减系数（本工程取0.1）；m为面积置换率。     经计算，面积置换率m=41.2%时复合地基的承载力标准值=196kPa。根据泵房地基应力分析，平均地基应力 kPa <，最大地基应力<1.2=235.2kPa，满足规范要求。     布置水泥搅拌桩时考虑了群桩横截面的重心和荷载合力作用点一致的原则，在泵房的上游侧，桩中心间距为1.2m×1.4m，在下游侧桩中心间距为1.2m×1.525m。考虑泵房地基的抗渗要求，上、下游侧第一排水泥搅拌桩布置成连续壁状，搭接0.2m，在主泵房地基外围布置了应力扩散桩。桩位布置剖面图见图1。     在施工图阶段，对泵房集水井布置进行了优化。集水井由原来的大开挖方案优化为水泥搅拌桩垂直支护方案，集水井采用垂直开挖，一方面节约了土建工程量，另一方面，临近集水井的工作面由斜坡面改为水平面，方便了工程施工。     3.2.3下卧层地基验算     因水泥搅拌桩置换率较大且为摩擦桩型，因此按群桩作用的原理，对下卧层地基进行验算。验算时将搅拌桩和桩间土视为一个假想的实体基础，考虑假想实体基础侧面与土的摩擦力，验算假想基础底面的承载力。加固地基的承载力标准值R_sp采用控制工况的平均地基应力167.1kPa，实体基础的水下容重取8.8kN/m³，经计算假想基础底面的应力Pa =217.35kPa。

 

   
    其下⑥层土的地基承载力标准值R_k=300kPa，经修正后的实体基础底面的地基承载力标准值R=348.4kPa，Pa＜R，可见在上部荷载作用下下卧土层承载力能满足要求。

 

图1  水泥搅拌桩布置剖面图     3.2.4泵房基础地基变形验算     泵房地基最终沉降量由复合土层的压缩变形值S₁和桩端以下未处理土层的压缩变形值S₂组成。S₁按下式计算。     式中，p为桩群体顶面的平均附加应力；p_o为桩群体底面土的附加压力；E_o为桩群体的变形模量；为加固地基的深度。     桩端以下未经处理土层的压缩变形值S₂按下式计算：     式中，e_1i、e_2i为基础底面以下第i层土在平均自重应力及平均自重应力加平均附加应力作用下由压缩曲线查得的相应孔隙比；h_i基础底面以下第i层土的厚度。     经计算，控制工况时S₁=1.2cm、S₂=8.22cm，泵房的最终沉降量S_∞=S₁+S₂=9.42cm，小于有关规范建议的沉降量控制范围10~15cm，满足地基的变形要求。     4、成桩试验     试验的目的是为了进一步了解施工区域的水文地质条件对搅拌桩施工的影响程度，并确定如水泥浆的配合比、搅拌提升速度、复搅深度、注浆压力及电机工作电流等施工参数。     4.1水泥土室内配合比试验     通过水泥土室内配合比试验确定水泥土无侧限抗压强度与水泥掺入量及水灰比的关系。试验时，在实地取5层土样和拌和水，按水泥掺入比15%、水灰比0.5、0.6、0.7分别制作70.7×70.7×70.7mm的标准水泥土试块,在标准养护室内养护7天后做水泥土试块抗压试验。试验结果如表2-1示。表中水泥土90d无侧限抗压强度根据经验公式q_u,7=（0.3～0.5）q_u,90推算得到。由表2-1可知，三种不同水灰比的水泥土7d无侧限抗压强度都满足达到90d标准强度2.31Mpa的30~50%（0.69~1.16Mpa）的要求。 表3   水泥土无侧限抗压强度试验结果统计 序号 水灰比 水泥掺入比 7d强度q_u,7 （Mpa） q_u,7/q_u,90 （%） 1 0.5 15% 1.3 56.3 2 0.6 15% 1.2 51.9 3 0.7 15% 1.0 43.3       4.2成桩试验     施工机械选用SJB-II型深层水泥搅拌机，水泥掺入比α_w=15%，水灰比按0.50、0.55、0.60、0.65分别进行试验。试验桩选择底板外的扩散桩，实际共做试验桩22根，最终确定搅拌桩的施工参数：     （1）水泥掺入比α_w=15%，单桩水泥用量不小于200kg/m；     （2）浆液比重不小于1.755kg/l，水灰比约为0.65；     （3）喷浆提升速度不大于0.5m/min，预搅下沉速度0.6～0.7m/min（不大于2m/min）；     （4）喷浆口喷浆压力0.4～０.6Mpa；     （5）桩尖标高按进入持力层6土层的深度不小于30cm（可根据工作电流的变化判断是否已进入持力层）且不得高于▽-13.1m控制。     5、深层搅拌桩施工     5.1施工机具及配套机械     共采用6台SJB-II型深层搅拌机同时施工，每台搅拌机配置灰浆搅拌机、灰浆泵、电气控制柜、自动流量计各一台及其他辅助设备。     5.2施工工艺     （1）定位：搅拌机就位、对中；     （2）预搅下沉：启动搅拌机电机，放松卷扬机钢丝绳，使搅拌机沿导向架切土下沉；     （3）制备水泥浆：待搅拌机开始下沉即可开始按成桩试验确定的配合比制备水泥浆；     （4）喷浆提升：搅拌机下沉到达最大深度后，开启灰浆泵开始喷浆搅拌提升；第一次喷浆量应控制在单桩总浆量的50%左右；     （5）重复搅拌下沉；     （6）重复喷浆搅拌提升：搅拌机提升到桩顶标高时，浆液应若有剩余，可在桩身上部1~1.5米范围内重新搅拌喷浆；不得出现搅拌头未到桩顶，浆液已喷完的现象；     （7）上下往返复搅一次；     （8）关闭机械；     （9）重复上述步骤，开始下一根桩施工。     6、施工质量控制与检验     6.1施工质量控制     （1）基础底面以上至少留有50cm厚的土层，以保证喷浆搅拌至少高出基础底板底面高程50cm；     （2）施工期间应控制地下水位高程低于操作面2米以上；     （3）预搅充分，以利于土和水泥浆均匀搅拌；     （4）严格按预定配合比配置水泥浆液，并定期抽查；     （5）保证足够的注浆压力；必须使用自动流量计控制实际喷浆量；     （6）控制喷浆搅拌提升速度，段浆量（l/m）要均匀；     （7）考虑到桩顶与基础底板接触部分受力较大，因此对桩顶1~1.5米范围应加强搅拌，确保桩头的均匀密实；     （8）连锁桩施工时，相临桩的施工间隔不得超过24小时。     6.2质量检验     （1）轻便触探试验     按2%的比例共做了40组桩身7天强度的轻便触探试验，试验指标N10击数100mm都在30击以上，大于原状土平均击数14.6击的两倍，表明搅拌桩的现场强度达到了设计要求。     （2） 静载荷试验     采用慢速荷载维持法共做了7组单桩静载荷试验和6组单桩复合地基静载荷试验。试验结果显示：（1）单桩极限承载力标准值不小于667KN，大于设计要求的660KN；（2）单桩复合地基承载力大于设计要求的最大加荷量380Kpa。 表4    单桩静载荷试验成果汇总表 序号 最大加载量 （KN） 最大沉降 （mm） 回弹量 （mm） 回弹率 （%） 极限承载力（KN） 1 660 17.06 5.15 30.19 ≧660 2 660 24.47 8.23 33.63 ≧660 3 660 9.03 3.49 38.65 ≧660 4 660 8.34 3.99 47.84 ≧660 5 660 39.33 6.74 17.14 ≧660 6 660 61.91 11.16 18.03 ≧660 7 792 19.16 5.61 29.28 ≧792 表5     单桩复合地基静载荷试验成果汇总表 序号 最大加载量 （KN） 最大沉降 （mm） 回弹量 （mm） 回弹率 （%） 极限承载力（KN） 1 700 17.50 8.20 46.86 ≧700 2 640 13.90 6.45 46.40 ≧640 3 700 12.31 5.91 48.01 ≧700 4 700 24.27 7.11 29.30 ≧700 5 640 37.36 8.52 22.44 ≧640 6 640 9.04 7.21 79.76 ≧640       注：1、底板上、下游单桩承载面积分别为1.4m×1.2m和1.525m×1.2m，设计要求最大加载量为380Kpa，经换算得上下游最大加载量分别为640KN和700KN；       7、结束语     太浦河泵站目前为国内总流量最大的斜轴伸泵泵站，水泥搅拌桩经单桩和复合地基载荷试验，满足设计要求，施工期初步观测表明，地基沉降在允许范围以内，可见水泥搅拌桩的地基处理方式是合适的、可行的，同时对地基承载力设计值比较大的粘性土和粉性土，可通过加强施工成桩试验，合理调整施工机械和有关参数，加强水泥用量的计量，可以确保水泥搅拌桩的质量。总之，水泥搅拌桩在太浦河泵站工程中的成功应用，为今后的类似工程提供了借鉴。