低强度混凝土桩复合地基在泵站工程中的应用及若干问题的探讨

邢 飞，孙见锋，任伯锋

(山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013)

1 应用背景

随着国家对水利工程重视程度的提高，以及旱、涝等恶劣天气的持续影响，水利工程建设项目投入逐年增大，大中型灌溉、排涝及引调水泵站工程日益增多。我国地质条件多样，受工程总体布置影响，泵房位于软弱土和不良土地基的情况并不少见，在泵站工程的设计中，泵房地基处理设计环节尤为关键[1- 4]。常用的地基处理方案有换填、预压、压实、夯实、复合地基、加固注浆等多种，可依据规范[7- 9]进行设计。

对于控制承载力和变形要求较高、处理深度较深的地基，采用换填、预压、压实、夯实、注浆加固等方式,作业面及工程量较大、处理难度较大、处理效果不好的地基，难以达到设计要求，一般均可采用复合地基。

复合地基根据增强体材料可分为：土工合成材料(如土工格栅、土工布等)复合地基、砂石桩复合地基、水泥土桩(如土桩、灰土桩、渣土桩等)复合地基、各类低强度混凝土桩和钢筋混凝土桩复合地基等形式。低强度桩增强体通常是指由水泥、石子及其他掺合料(如砂、粉煤灰、石灰等)加水拌和，用各种成桩机械在地基中制成的强度等级为C5～C25的桩。低强度桩增强体桩身材料常因地制宜，比较著名的有水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩[2- 4])、低强度水泥砂石桩、二灰混凝土桩等，均属有粘结强度的增强体[5]。各类增强体的复合地基特点不同，适用于不同类型和要求的工程。

2 低强度混凝土桩复合地基的工作特点

对于一些常见的地基处理，采用土、灰土、砂石等散体材料桩复合地基并不能对处理后的地基承载力提高太多，达不到设计和规范要求的复合地基承能力。

水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等有粘结强度的增强体桩身强度一般不大，使得JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》[7]7.1.6条及7.3.3条第3款的fcu值成为复合地基承载力大小的制约因素。在做地基处理设计时，水泥土搅拌桩的fcu取值在各种土质中一般不大于2MPa；单管法高压旋喷桩的fcu取值在砂土中一般为2～7MPa，在黏土中一般为1.5～5MPa；三管法高压旋喷桩的fcu取值在砂土中一般为2～15MPa，在黏土中一般为0.8～5MPa[9]。因此若要使水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等复合地基承载力得到较大的提高，需加密桩间距，提高置换率，使得工期延长和工程量、投资增加。

低强度混凝土桩复合地基的出现，通过对置换率、桩径、桩长、强度等参数的合理配置，使得单桩竖向承载力和桩身强度二者均能够充分发挥，不至于出现某一方面的明显浪费，兼顾工程安全性和经济性，同时复合地基的桩间距和桩数适中，施工便捷。

3 工程应用案例

3.1 工程基本情况

以某泵站工程为例，平面布置简图及主厂房剖面图分别如图1—2所示。

主厂房底板底高程33.80m，以A点为例，现状地面高程32.70m，清表后地面高程为32.20m，完建地面高程40.5m。泵房的基底应力标准值pk=46.1kPa，其下设0.1m厚的C15素混凝土垫层和1.5m厚的级配碎石垫层，级配碎石垫层底高程为32.2m。根据地质剖面图，该处沉降计算深度取至泥质粉砂岩顶部，具体岩土参数见表1。

3.2 设计思路及存在问题

主要设计思路为：①计算各建筑物标准组合下的基底应力，并与地勘资料中的地基承载力特征值(修正后)作比较，判断地基承载力是否满足规范要求；②计算各建筑物准永久组合下的沉降变形，并与规范规定的沉降变形允许值作比较，判断沉降变形是否满足规范要求；③若①、②步中有一项不满足要求，则应考虑调整上部结构及基础结构、进行地基处理等方面的设计；④如需进行地基处理，应选择合适的地基处理方式，再进行地基处理后的承载力和沉降计算，直至满足规范要求。具体计算公式按照规范[7- 8]进行。

计算时考虑几点因素：①素混凝土垫层和级配碎石垫层因z/b<0.25，不考虑其上部荷载的应力扩散作用，也不计列垫层的沉降量；②褥垫层厚径比较大，计算过程中的λ取小值，β取大值；③填土Ⅳ区在A点处沉降量计算时，采用大、小矩形沉降量之差。

天然地基下沉降计算结果见表2。

图1 泵站平面布置简图

表1 各土层主要参数一览表

图2 主厂房剖面图

表2 天然地基下沉降计算结果

计算显示天然地基下的沉降量为186.40mm，GB 50265—2010《泵站设计规范》[6]并未对主厂房的沉降量做明确规定，参考SL 265—2016《水闸设计规范》[10]的要求，“最大沉降量不宜超过15cm”，说明天然地基不能满足变形要求。

3.3 工程方案

为解决上述问题，本工程设置了桩径0.5m、桩间距2m、桩长5.5m的CFG桩复合地基。复合地基计算的主要参数见表3，复合地基下沉降计算结果见表4。

表3显示，设置复合地基后的地基承载力由120kPa提高至234.51kPa，可见CFG桩复合地基对于提高地基承载力的效果是明显的；表4显示，设置复合地基后的沉降量计算值由186.40mm减为87.49mm，说明CFG桩复合地基对地基变形控制的效果是明显的。

4 问题探讨

(1)工程案例中的的复合地基增强体试块(边长150mm立方体)标准养护28d的立方体抗压强度平均值fcu=10.3MPa，为一般水泥土搅拌桩所不能满足的，因此设计采用了增强体强度更高的CFG桩复合地基。施工时CFG桩复合地基增强体材料的配合比习惯参照C15～C25强度等级的混凝土使用，因此本次施工图中提的fcu指标既可满足本工程要求，也没有高于C15混凝土的强度等级，兼顾了经济因素。

表3 复合地基主要参数

表4 复合地基下沉降计算结果

(2)一般情况下，设计CFG桩复合地基时，设计文件中需要明确fcu的大小，但并不对CFG桩复合地基增强体中水泥、粉煤灰、碎石等掺合料的配比进行明确，施工时应按照设计文件中的fcu值进行控制。通常在设计和施工时，CFG桩复合地基增强体材料可以用混凝土代替。

(3)有时为了节省工期，提高复合地基增强体的早期强度，将CFG桩等低强度桩复合地基增强体用较高强度等级的混凝土代替，这种情况属通常是增加水泥用量，调整增强体材料的配合比，地基处理方案仍为复合地基，未改变地基处理方案，不属于《水利工程设计变更管理暂行办法》(水规计[2020]283号)第八条提到的“地基处理方案的重大变化”，构不成重大设计变更，可列为一般设计变更。

5 结语

本文工程案例表明，CFG桩复合地基对于提高地基承载力和控制沉降变形的效果是明显的。本文工程案例表2及表3显示，对于设计场区较天然地面填土较厚的泵站工程，采用分层总和法分块叠加进行建筑物基础角点处的沉降变形计算时，由于建筑物基础较之天然地面往往具有一定的埋深，准永久组合时的基础底面处附加应力并不大，所以建筑物自身荷载引起的沉降变形并不大，最终沉降变形量主要是由周边填土贡献的。

在进行泵站工程设计时，若存在天然地基条件不满足设计要求，可以从进行地基处理、调整场区设计高程以及建筑物结构型式等多方面优化。CFG桩复合地基应用范围较广，增强体材料配比调整较为灵活，也可采用素混凝土替代。