劉 堅(jiān),劉紅梅

(廣東粵水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 佛山 528000)

1 概述

剛性樁復(fù)合地基是目前地基處理中發(fā)展較快和較好的方法。目前應(yīng)用較多的主要有CFG樁[1]、螺旋樁、預(yù)制砼樁等，常見形式如圖1所述。由于剛性樁復(fù)合地基質(zhì)量可控，承載力較高，適應(yīng)性廣，且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，成為越來(lái)越廣泛應(yīng)用的地基處理方法。其不僅可以應(yīng)用于高層建筑基礎(chǔ)，也可以應(yīng)用于軟基條件下的水利工程，是一個(gè)具有良好應(yīng)用前景的地基處理方法。

圖1 剛性樁復(fù)合地基示意

CFG樁全稱水泥粉煤灰碎石樁，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，樁、樁間土和褥墊層一起構(gòu)成復(fù)合地基[2]。實(shí)際應(yīng)用多采用商品砼作為樁身材料。由于樁與土通過褥墊層共同受力承擔(dān)上部荷載，地基與基礎(chǔ)底板之間不容易脫空，所以CFG樁比較適合水利工程的穿堤建筑物的地基處理。

褥墊層在剛性樁復(fù)合地基中起到樁土變形協(xié)調(diào)的重要作用，其工作機(jī)制及破壞機(jī)理均較復(fù)雜，對(duì)剛性樁復(fù)合地基承載性狀的影響也較為復(fù)雜，厚度及材料類型是褥墊層發(fā)揮作用的重要因素。褥墊層材料宜用中砂、粗砂、級(jí)配砂石和碎石，最大粒徑不宜大于30 mm[2]，均為透水性材料，而水利工程穿堤建筑物有防滲要求?，F(xiàn)在常用的褥墊層防滲方法是設(shè)置額外的防滲設(shè)施，如在褥墊層一周設(shè)置密排攪拌樁圍封褥墊層防滲或者采用其他垂直防滲等，這都將增加工程造價(jià)及施工工期。本文將介紹一種不連續(xù)的褥墊層的專利設(shè)計(jì)[3]，可以省去額外的防滲措施。下面以佛山某電排站的設(shè)計(jì)為例，介紹CFG樁軟基處理設(shè)計(jì)過程及處理效果，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

某電排站工程位于佛山市，電排站設(shè)計(jì)流量為7.5 m3/s，裝機(jī)容量為560 kW，為小(1)型泵站。采用常規(guī)的堤后式立式機(jī)組廠房，2臺(tái)主泵為1.2 m的軸流泵。由內(nèi)涌到外江主要建筑物有內(nèi)涌岸墻、簡(jiǎn)易攔污柵閘及攔污柵閘、進(jìn)水前池、泵房、出水壓力涵、外江防洪閘等。電排站平剖面見圖2所示。

圖2 電排站平剖面示意

本項(xiàng)目地層自上而下共分9層：①筑填土；②粘土；③ 淤泥質(zhì)土；③-1圓礫夾層；④-1殘積粉質(zhì)粘土夾層；④殘積中砂；⑤-1強(qiáng)風(fēng)化巖帶：局部分布，巖性為砂礫巖；⑤中風(fēng)化巖帶：巖性為石灰?guī)r；⑥微風(fēng)化巖帶，巖性為石灰?guī)r。各土層力學(xué)參數(shù)見表1，場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面見圖3所示。

表1 地基土部分物理力學(xué)參數(shù)

圖3 工程地質(zhì)縱剖面示意

項(xiàng)目的主要地質(zhì)問題：

1) 基礎(chǔ)底下有厚達(dá)18 m的淤泥質(zhì)土層，存在軟土地基沉降變形大的問題；

2) 巖面為石灰?guī)r，雖然鉆探未揭露出溶洞、土洞，但石灰?guī)r面傾斜，變化大，容易造成樁端滑動(dòng)。

為解決以上地質(zhì)問題，電排站需要采取地基處理措施。

3CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

3.1 地基處理設(shè)計(jì)

電排站地基處理設(shè)計(jì)主要考慮承載力及地基變形兩方面的要求。以下主要以泵房為例，進(jìn)行地基處理計(jì)算。

1) 承載力計(jì)算

擬采用Φ500CFG樁處理地基，樁長(zhǎng)20 m，以中風(fēng)化巖面作為持力層。采用規(guī)范方法[2]計(jì)算如下：

① 單樁承載力特征值

CFG樁的單樁豎向承載力特征值，取以下兩式的小值：

Ra=0.25·fcu·Ap/λ

(1)

(2)

式中fcu為與CFG樁樁身配方相同的立方體試塊在室內(nèi)28 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，計(jì)算取15 MPa；μp為樁的周長(zhǎng)；l為樁長(zhǎng)，計(jì)算取20 m；qsi為樁周土的平均阻力特征值，kPa；qp為樁端阻力特征值1 500 kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.85；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，取1。

計(jì)算得到：Ra=560.0 kN。

② 復(fù)合地基承載力特征值

復(fù)合地基承載力特征值按下式計(jì)算：

(3)

式中fspk為復(fù)合地基承載力特征值，計(jì)算取92.5 kPa；fsk為樁間土的承載力特征值，計(jì)算取60 kPa；Ap為樁的截面積，按樁直徑計(jì)，取D=0.5 m；m為面積置換率；β為樁間土折減系數(shù)，取0.9。

計(jì)算得m=0.016 2，采用梅花形布樁，不均勻樁距2.5～4.5 m(見圖3)。實(shí)際m=0.026 7，滿足地基承載力要求。實(shí)際布樁后的復(fù)合地基承載力特征值fspk=117.4 kPa。

2) 沉降計(jì)算

沉降計(jì)算采用規(guī)范[1]分層總和法進(jìn)行計(jì)算。各復(fù)合土層的壓縮模量等于天然地基壓縮模量的ζ倍，ζ值按下式確定：

ζ=fspk/fak

(4)

式中fak為基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值，取60 kPa。計(jì)算得到ζ=117.4÷60=1.96。

泵房完建工況下的平均基底應(yīng)力為 92.25 kPa。先期壓力約為66 kPa，故附加壓力為26.25 kPa。泵房沉降計(jì)算見表2。

表2 泵房沉降計(jì)算

查規(guī)范[2]沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為ψs=0.789 4，泵房的最終總沉降量為：45.44×0.789 4=35.9 mm。同理計(jì)算得到堤身段出水涵管的最終沉降量為9.47 mm。經(jīng)地基處理后可大大減少建筑物沉降，沉降量及沉降差均滿足規(guī)范[5-6]要求。

3.2 主體建筑CFG樁的布置

泵房CFG樁采用梅花形布置，縱向間距為2.5～3.0 m，變間距使廠房重心與樁型心重合。CFG樁橫向間距為3.0 m或4.5 m，樁端進(jìn)入粗砂層不小于2 m，并到達(dá)巖面，樁長(zhǎng)平均為20 m；涵管段CFG樁堤身段間距為2.0 m×3.0 m，其余段3.5×2.5～3.0 m，樁端進(jìn)入粗砂層不小于0.5 m，且不入巖，防止產(chǎn)生接觸沖刷，樁長(zhǎng)平均為24 m。

主體結(jié)構(gòu)的地基處理平剖面見圖4所示。

圖4 地基處理平剖面示意

3.3 安裝間的地基處理設(shè)計(jì)

安裝間與主廠房一般采用分縫錯(cuò)開或者采用整體底板與主廠房底板處連為一體。分縫方案及整體底板方案均造價(jià)較高。為了節(jié)省造價(jià)，該項(xiàng)目采用了安裝間在電機(jī)層與主廠房連為一體，但基礎(chǔ)形式不一致。主廠房采用了CFG樁，安裝間采用了灌注樁基礎(chǔ)。同一建筑采用不同的基礎(chǔ)形式本應(yīng)盡量避免的，否則容易產(chǎn)生不均勻沉降而產(chǎn)生一些永久的裂縫影響電排站的正常使用。但如果可以使二者之間的沉降差足夠小，仍可以保證結(jié)構(gòu)安全。該項(xiàng)目主要通過沉降差計(jì)算判斷二者之間的安全性，另外加入一些概念設(shè)計(jì)來(lái)盡量減少二者的沉降差。

經(jīng)過理論計(jì)算，主廠房沉降量約為35.9 mm，而安裝間的鉆孔樁一般沉降量約為10 mm左右，絕對(duì)沉降差約為25.9 mm。但是由于主廠房下部結(jié)構(gòu)先建，建好后回填墻后填土之后再做安裝間的樁基及上部結(jié)構(gòu)。在回填土后，泵房會(huì)先產(chǎn)生一定的沉降，所以最終泵房與安裝間的沉降差要小于25.9 mm?；谝陨嫌?jì)算分析判斷泵房與安裝間的沉降差不至于產(chǎn)生大的問題。

同時(shí)要求主廠房的CFG樁要求打到巖面之后盡量往下鉆直到樁機(jī)無(wú)法鉆進(jìn)為止，樁頂?shù)娜靿|層采用較小的厚度(200 mm)，使得泵房的沉降量足夠小。而安裝間的鉆孔樁，打入到強(qiáng)風(fēng)化巖1m后收樁，防止樁端過硬，沉降過小。

主廠房與安裝間的地基處理剖面見圖5所示。

圖5 主廠房與安裝間的地基處理剖面示意

3.4 褥墊層創(chuàng)新設(shè)計(jì)

對(duì)于褥墊層的防滲，現(xiàn)在常用的方法通常是設(shè)置額外的防滲設(shè)施，如在褥墊層一周設(shè)置密排攪拌樁圍封褥墊層防滲或者采用鋼板樁垂直防滲等，這都將增加工程造價(jià)及施工工期。

該項(xiàng)目采用了不連續(xù)的褥墊層設(shè)計(jì)，即在每根CFG樁頂設(shè)有單獨(dú)的褥墊層，褥墊層為圓形，直徑為1 m，并用防滲土工膜包裹碎石粗砂層形成獨(dú)立的褥墊，具體結(jié)構(gòu)見圖6所示。采用獨(dú)立包裹的褥墊層之后阻斷了滲漏通道，可以簡(jiǎn)化防滲處理，而且沒有額外的防滲施工機(jī)械的互相干擾，使得施工速度明顯加快，同時(shí)也節(jié)約了投資。該創(chuàng)新設(shè)計(jì)的褥墊層的結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到實(shí)用新型專利授權(quán)[3]。

本褥墊層的作用機(jī)理與常規(guī)的褥墊層類似，都是允許樁基能夠刺入到褥墊層中而使樁間土發(fā)揮更大的作用。本褥墊層為了使防滲膜的約束作用減少，在樁頂位置進(jìn)行了折疊，另外可以防止樁的刺入而破壞防滲膜。另外不連續(xù)褥墊層周邊為土，土的剛度較褥墊層的剛度小，約束作用也較常規(guī)褥墊層小，所以不連續(xù)的褥墊層較常規(guī)的連續(xù)的樁頂褥墊層的剛度要低，樁頂刺入變形會(huì)稍大。至于樁頂刺入變形特效還有待進(jìn)一步的研究。

圖6 褥墊層結(jié)構(gòu)示意

4 CFG樁復(fù)合地基施工

本項(xiàng)目CFG樁采用長(zhǎng)螺旋鉆中心壓灌施工工藝。該工藝施工適應(yīng)性好，除了卵石夾層，其他各種土層均適合，且擠土效應(yīng)較小，施工速度快，30～45 min之內(nèi)可以完成1條CFG樁的施工。CFG樁身采用了C15商品混凝土材料，塌落度16～20 cm，試塊(邊長(zhǎng)150 mm立方體)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 t抗壓強(qiáng)度不小于15 MPa。成孔施工達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，開始泵送樁身混凝土，當(dāng)鉆桿芯管充滿混合料后開始拔管，嚴(yán)禁先提管后泵料，鉆頭在砼中的埋深不應(yīng)小于1 m。拔管速度先慢后快，控制在1.8～2.5 m/min。

CFG樁先施工泵房側(cè)建基面較低一側(cè)的施工，再進(jìn)行堤身側(cè)建基面較高一側(cè)的施工。施工過程中CFG采用隔樁跳打的方式，防止串樁。另外泵房有兩種樁型(CFG樁和鉆孔樁)，且樁頂高程相差較大，為了協(xié)調(diào)不同樁型之間沉降，根據(jù)不同樁型的沉降特性，采用先施工泵房CFG樁，待泵房主體下部結(jié)構(gòu)完成施工且完成墻后回填土后，再進(jìn)行安裝間鉆孔樁的施工。此時(shí)泵房主體已部分加荷發(fā)生一部分沉降，有利于與鉆孔樁基礎(chǔ)協(xié)調(diào)變形。

5 CFG樁復(fù)合地基檢測(cè)及效果分析

5.1 CFG樁復(fù)合地基檢測(cè)

樁基檢測(cè)采用了單樁豎向靜載試驗(yàn)，這里僅給出泵房的一條樁的單樁Q～s曲線圖7，結(jié)果表明檢測(cè)樁在加荷載到1 120 kN時(shí)，樁頂沉降量為13.63 mm，沉降量不大，而且Q～s曲線平緩，無(wú)明顯陡降段，單樁極限承載力Qu≥1 120 kN，單樁承載力特征值Ra≥560 kN，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 單樁Q～s曲線示意

5.2 地基處理效果分析

該項(xiàng)目于2016年1月開始澆筑泵房底板，于同年6月完成了廠房的封頂。沉降觀測(cè)始于2016年1月，止于2017年6月。各建筑物的累積沉降量均較小，主廠房最大沉降量為12 mm，安裝間最大沉降量為9 mm，涵管最大沉降量為13 mm，位于堤身段。各建筑物測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量見圖8。

`

圖8 各建筑物測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量示意

由沉降圖可知，主廠房與安裝間的最大沉降差僅為4 mm，沉降差小于理論計(jì)算值，說明安裝間的地基處理方式是成功的，且節(jié)省了造價(jià)。

主廠房的絕對(duì)沉降量與理論計(jì)算值差別比較大，分析原因如下：分層總和法復(fù)合地基沉降計(jì)算可以采用樁間土作為對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，還可以采用樁作為計(jì)算對(duì)象進(jìn)行計(jì)算。采用樁做為計(jì)算對(duì)象時(shí)，樁端的刺入變形難以估算，為了回避這個(gè)問題，規(guī)范[2]采用的是以樁間土作為對(duì)象進(jìn)行沉降計(jì)算。而主廠房CFG樁持力層為中風(fēng)化巖面，這讓樁基的端阻力得到充分的發(fā)揮，樁端的刺入變形幾乎可以忽略，所以沉降量比預(yù)期的要小。若上部荷載全部由CFG樁承擔(dān)，則每根樁承擔(dān)的荷載約為677 kN，根據(jù)圖6可知，當(dāng)樁頂加載到677 kN時(shí)，樁頂?shù)某两盗考s為6.44 mm， 而實(shí)際主泵房平均沉降量為10.5 mm，可以認(rèn)為樁頂有部分刺入到褥墊層中，所以最終的沉降量較單樁Q～s曲線預(yù)估的稍大。

涵管的的沉降量與預(yù)期的相差不大，涵管堤身段沉降量較內(nèi)涌側(cè)及外江側(cè)稍大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況涵管分縫處有微小沉降差，與觀測(cè)結(jié)果相符。

對(duì)于涵管堤身段比內(nèi)涌側(cè)及外江側(cè)涵管沉降大的問題，該項(xiàng)目還有針對(duì)性的處理，即堤身段的布樁較內(nèi)涌及外江側(cè)要密，盡量減少涵管之間的沉降差，實(shí)際最大沉降差為6 mm，可以滿足規(guī)范[5-6]要求。

另外為了使軟土地基上穿堤涵管的地基處理不那么的剛，該項(xiàng)目要求涵管CFG樁，樁端穿透淤泥質(zhì)土層即可，防止樁端打入基巖面。同時(shí)適當(dāng)加厚褥墊層的厚度(300 mm)，CFG樁可以更容易刺入褥墊層中，使得樁間土承擔(dān)更多的上部荷載，對(duì)防止底板脫空有利。

該項(xiàng)目的針對(duì)不同部位的CFG樁有著不一樣的要求，最終沉降數(shù)據(jù)都在合理范圍，總的來(lái)說，CFG樁用于該項(xiàng)目是合適的，且造價(jià)也比較低。

6 結(jié)語(yǔ)

軟基處理是水利項(xiàng)目成敗的一個(gè)很關(guān)鍵的因素，該項(xiàng)目采用CFG樁進(jìn)行軟基處理，改進(jìn)了褥墊層的設(shè)計(jì)，取得了良好的效果，并得到以下結(jié)論供參考：

1) CFG樁采用了變間距布樁，使上部荷載重心與CFG樁截面型心重合，使得CFG樁受力均勻，減少建筑不均勻沉降的發(fā)生。

2) 穿堤建筑物，主要解決的是地基沉降問題，該項(xiàng)目根據(jù)上部荷載的不同，采用了不一樣的樁間距，減少了穿堤建筑物之間的沉降差。

3) 同一建筑采用不同的地基處理方式，在沉降差足夠小時(shí)，仍可以保證建筑結(jié)構(gòu)的安全。

4) 該項(xiàng)目采用的新型不連續(xù)褥墊層，適合穿堤建筑物的地基處理，不需要額外的防滲設(shè)計(jì)，對(duì)減少施工工期和工程投資有利。

5) CFG樁樁端位于巖層時(shí)，規(guī)范[2]的分層總和法計(jì)算得到的沉降量較實(shí)際沉降量大，此時(shí)可以根據(jù)靜載試驗(yàn)估算建筑物的沉降量。

6) CFG樁樁身材料建議采用商品細(xì)石混凝土，可以減少施工堵管的情況發(fā)生。