水泥粉煤灰碎石桩复合地基在磐岭泵站工程中的应用

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528400)

1 工程概述

磐岭泵站位于广东省揭阳市蓝城区榕江南河北岸竹桥河出口，是磐岭围干堤上的一座大型排涝泵站。磐岭泵站的设计流量为88.5m3/s，装机容量6250kW。工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型。防洪潮标准按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。

根据工程地质勘查资料显示，工程场址岩土层由上往下分别为(部分钻孔的某些土层缺失)ⓐ素填土、ⓑ-1淤泥质土、ⓑ-2淤泥质细砂、ⓑ-3淤泥、ⓑ-4淤泥质黏土、ⓒ含砾中粗砂、ⓓ-1黏土、ⓓ-2粉土、ⓔ中砂、ⓕ残积土、ⓖ-1全风化花岗岩、ⓖ-2强风化花岗岩。各层土的工程特性指标建议值见表1。

表1 各层土的工程特性指标建议值

泵站主要建筑物自内河向外河侧依次有清污桥、前池、厂房、出水涵闸等。

2 磐岭泵站软基处理的必要性

由于泵站基础下部存在深厚淤泥、淤泥质土、淤泥质粉细砂等软土，软土层承载力低、压缩性高，不能满足泵站上部结构的承载和沉降变形的要求，故需进行软基处理。

3 磐岭泵站软基处理设计计算

3.1 CFG桩复合地基设计

磐岭泵站主厂房底板长35.00m，宽20m，底板底高程-7.20m，采用φ500的水泥粉煤灰碎石桩(简称CFG桩)，桩身立方体抗压强度平均值fcu不小于7.2MPa，垂直水流方向20排，顺水流方向11列布置，桩端进入含砾中砂层大于0.5m，主厂房底部共布桩220根(不含底板以外CFG桩，下同)，平均有效桩长12m；出水涵闸底板长35.00m，宽25m，底板底高程-4.00m，采用φ500的CFG桩，垂直水流方向20排，顺水流方向15列布置，桩端进入含砾中砂层大于0.5m，平均有效桩长为13m，出水涵闸底部共布桩300根；泵站清污桥长35.00m，宽12m，底板底高程-3.70m，采用φ500的CFG桩，垂直水流方向14排，顺水流方向5列布置，桩端进入含砾中砂层大于0.5m，平均有效桩长12m，出水涵闸底部共布桩70根。为减小复合地基桩土应力比，使复合地基土体和桩体变形协调，在各部位CFG桩顶与底板间设置厚300mm的中粗砂褥垫层，褥垫层中部铺设一层土工格栅。

3.2 复合地基承载力及沉降计算

3.2.1 复合地基承载力及沉降计算方法

CFG桩复合地基承载力特征值按式(1)、式(2)计算：

(1)

Ra=upΣqsilpi+αpqpAp

(2)

式中fspk——复合地基承载力特征值，kPa；

fsk——桩间土地基承载力特征值，kPa；

m——面积置换率；

Ra——单桩竖向承载力特征值，kN；

Ap——桩的截面积，m2；

β——桩间土承载力发挥系数；

up——桩的周长，m；

qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；

lpi——桩长范围内第i层土的厚度，m；

αp——桩端阻力发挥系数；

qp——桩端阻力特征值，kN。

CFG桩复合地基的最终变形量按式(3)计算：

(3)

式中s——地基最终变形量，mm；

ψs——沉降计算经验系数；

P0——相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加应力，kPa；

Esi——基础底面下第i层土的压缩模量，MPa；

zi,zi-1——基础底面至第i层、第i-1层土底面的距离，m；

3.2.2 复合地基承载力及沉降计算结果

磐岭泵站各主要建筑物复合地基承载力及沉降计算结果见表2。

表2 复合地基承载力特征值及沉降计算结果

由表2的计算结果可知，各建筑物地基平均应力值均小于处理后的复合地基承载力特征值，最终沉降量均小于150mm，表明处理后的复合地基满足设计要求。

4 磐岭泵站复合地基施工及质量控制

4.1 施工工艺的选择

CFG桩常用的施工工艺为长螺旋钻孔灌注成桩，长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩、振动沉管灌注成桩、泥浆护壁成孔灌注成桩等4种。由于本工程CFG桩桩体大多位于地下水位以下，故不适合采用长螺旋钻孔灌注成桩法施工。由于本工程地基土层为深厚饱和淤泥及淤泥质软土层，桩距较小，如采用振动沉管灌注成桩法施工容易导致地面隆起，桩身缩颈甚至断桩，故也不应采用此方法施工。泥浆护壁成孔灌注成桩法施工工艺复杂，在深厚软土地基施工时泥浆浓度控制不好容易导致塌孔和桩身缩颈，且泥浆容易污染环境、施工速度慢，故本工程也不采用。综上所述，本工程最终采用长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩的施工工艺。其工艺流程为钻机就位→成孔→钻杆内泵压混合料→提升钻杆→泵压孔底混合料→边泵压边提升钻杆→成桩→钻机移位。

4.2 施工质量控制

本工程施工严格按照有关规定执行，施工中主要控制要点如下。

a.施工前编写施工组织设计方案并按规定程序履行审批手续；认真复核桩位和标高；按照设计技术要求进行室内配合比试验，选定施工配合比。

b.选择合适的机械进行现场实验性施工，通过试桩确定施工参数。

c.根据本工程的试桩结果，确定CFG桩施工参数为：施工采用YTZ30型长螺旋钻机进行，钻进速度为1.2～1.7m/min，泵压混合料的压力为4～7MPa，提钻速度为1.5m/min，混合料泵压过程中始终保持混合料面高于钻头面1m以上，施工桩顶高程高出设计高程50cm。施工过程中严格按照以上施工参数进行控制。

d.施工完成后，通过现场开挖量测桩头、桩体试块抗压强度，低应变动力试验等方法进行质量检测，桩身直径、桩体强度、桩身连续性和长度等均满足设计要求，证明施工质量可靠。为进一步检验复合地基处理效果，本工程进行了CFG桩复合地基载荷试验。

5 磐岭泵站复合地基载荷试验

为验证处理后的复合地基承载力是否达到设计预期，设计提出了对CFG桩复合地基进行载荷试验的要求，考虑到本工程CFG桩桩身不长，单桩承载力不大，故设计未要求对单桩承载力进行载荷试验，仅采用单桩复合地基载荷试验。根据本工程的单桩复合地基检测报告，泵站主厂房、出水涵闸和清污桥的复合地基载荷试验数据和P-S曲线图见表3～5和图1。

表3 泵站主厂房CFG桩复合地基载荷试验数据

表4 出水涵闸CFG桩复合地基载荷试验数据

表5 清污桥CFG桩复合地基载荷试验数据

图1 CFG桩复合地基载荷试验P-S曲线

由图1可知，P-S曲线为缓变形，复合地基承载力特征值通过相对沉降来确定，按照相对沉降量确定的复合地基承载力特征值不得超过最大试验荷载的1/2，相对沉降值应根据桩的类型、地区或行业经验、工程特点等确定。根据本工程地质条件和复合地基设计的特点，复合地基桩间土压缩性较高，桩顶设置了0.30m厚的褥垫层，综合考虑，相对沉降值取0.02。

根据试验结果，泵站主厂房、出水涵闸和清污桥的复合地基承载力特征值见表6。

表6 复合地基承载力特征值检测结果

根据复合地基承载力特征值检测结果，各主要建筑物地基承载力均满足设计要求(泵站主厂房按沉降确定的地基承载力特征值比设计值富余不大，主要原因为进行复合地基载荷试验前基坑浸水，检测时地下水位较高)。磐岭泵站主体工程已完工近3年，目前未发现泵站主厂房及其他各主要建筑物有明显沉降现象。

6 结 语

CFG桩复合地基在磐岭泵站工程中的成功应用表明：深厚软土地基上的水闸、泵站采用CFG桩复合地基处理技术可行、安全可靠，值得在类似泵站、水闸等工程的软基处理设计中参考。建议今后应进一步研究在不同地质条件、地下水埋深、褥垫层厚度的条件下采用CFG桩复合地基处理后承载力与相对沉降值的关系，为类似工程积累更丰富的经验，以便CFG桩复合地基得到更广泛的应用。