桩基在古学水电站厂房基础处理中的应用

邓柏林 叶小波

【摘 要】本文就桩基在古学水电站厂房基础处理中的应用进行了简要阐述与分析。

【关键词】桩基；水电站厂房；基础处理；应用

1.概述

1.1 厂房工程地质条件

古学水电站厂址位于定曲河左岸卡日共村上游350m处一级阶地上，沿河呈长条形，阶地较开阔，长183m，宽度17m～30m，呈条带状，高于河水面约3m左右，地势较平坦，场地范围内均为第四系覆盖，厚约26.2m～42m，根据钻孔（ZK511、ZK513）资料，从上往下可分为3层：

a）耕植层：厚4.0m～5.0m，由深灰色粘土夹碎石组成，含有植物根茎和有机质，结构松散。分布于现代河床深0.0m～5.0m处。

b）冲洪积层：厚8.7m，为砂卵石、碎石夹漂块石组成，结构较密实。卵石、碎石及漂块石岩性主要为灰岩及少量玄武岩，分布于现代河床深5.0m～13.7m处。

c）冲积层：厚28.3m，由均匀的砂砾石夹少量卵石、碎块石组成，结构中密～密实，夹有较少卵砾石。分布于现代河床深13.7m～42.0m处。

覆盖层取样试验结果表明（见表1.1-1），不均匀系数Cu =1166.7～1800.0，曲率系数Cc =34.3～34.7，属级配不良的含细粒土砾，细颗粒料含量为84%～90%，含量大于35%，存在产生流土破坏的可能性，建议持力层在一定范围内采取置换、固结灌浆或桩基础等工程措施进行处理。

覆盖层下伏基岩地层岩性为三迭系中统曲嘎寺组第一段（T2q1）灰色钙质、砂质板岩夹灰岩，根据地面测绘素描、统计成果，厂区岩体中的节理裂隙可分为下列三组：

a）J1：280°/NE∠54°，灰岩中发育节理，一组多条，间距15cm～20cm，长度大于15m，节理面张开无充填，较平直，面风化为浅黄色；

b）J2：84°/SE∠80°，灰岩中发育节理，一组2条，长度大于15m，张开1cm～10cm，局部张开15cm，充填碎石和粘土，节理面平直光滑，风化为浅黄色；

c）J3：320°/SW∠78°，灰岩中发育节理，间距2m，长度大于5m，张开1cm～5cm，节理面平直光滑，倾向坡外，面风化为浅黄色。

1.2 厂房布置

厂区建筑物主要由主副厂房、GIS楼和尾水建筑物等组成 。进厂公路位于厂房左侧，通过与得荣至香格里拉公路连接进入厂区 。主厂房尺寸53.3m×21.0m×40.2m（长×宽×高），主副厂房及GIS楼呈“一”字型并排布置，其中安装间布置在主厂房左侧，副厂房位于主厂房右侧，GIS楼紧靠副厂房右侧并排布置。

1.3 主要工程地质问题

厂房基础开挖至建基面后所揭露地质情况表明：厂下0+003.000向下游侧为第三层冲洪积砂卵砾石覆盖层，覆盖层厚度向河床侧逐步加深，厂房尾水平台覆盖层厚度为18-22m，下伏基岩为灰色钙质、砂质板岩；厂下0+003.000向上游侧为钙质板岩、灰岩。岩层产状337°～340°/SW∠77°～84°，岩层走向与厂房纵轴线夹角较小，呈陡倾角状。

2.处理方案

2.1方案比选

根据古学水电站厂房基础及底板结构受力特点，其基础处理方案如下：

方案一：柔性基础处理方案

该方案的总体设计思路是允许厂房基础发生变形，设计重点是考虑如何将基础的不均匀沉降降低到允许范围内。为保证设计成果的可靠性，对厂房覆盖层基础面进行了原位浅层平板静荷载试验，通过试验得到砂卵砾石覆盖层基础的承载力特征值及荷载-沉降关系线。依据基础试验成果并结合工程经验，制定如下基础处理方案：对基岩部分开挖至底板建基面高程以下1m～3m，然后回填级配碎石，覆盖层部分开挖至底板建基面后对表层进行碾压处理。为验证该方案的可行性，以试验数据为基础对厂房进行了三维有限元整体计算，通过计算得知厂房基础竖向最大变形为30.9mm，最小变形为10.8mm，即不均匀沉降差为20.1mm，大于允许沉降差，压应力最大值为0.65MPa，大于覆盖层允许承载力300kPa， 不满足厂房不均匀沉降及基础应力要求。

方案二：刚性地基处理方案

该方案通过对厂房底板范围内覆盖层基础进行处理，使厂房底板坐落在基岩与处理后的覆盖层基础共同形成的刚性基础上，具体处理措施有如下三种方式：

1）灌浆处理

该处理方法设计思路是对覆盖层基础进行灌浆处理，从而提高基础的刚度和均匀性。具体处理方法为对覆盖层基础采用高压旋喷与低压固结灌浆相结合的方式。

高压旋喷灌浆按照间排距2m、灌浆压力30MPa控制，由外向内进行，在完成旋喷灌浆后对旋喷灌浆间隔区域采用固结灌浆，灌浆压力0.4MPa ，灌浆深度4m，形成完整的灌浆处理方式。

2）混凝土置换

该处理方法设计思路是将覆盖层基础用混凝土替换，具体处理方式为：首先在底板基础面下游侧形成混凝土连续墙并局部进行灌浆处理，然后挖除覆盖层并对上游侧基岩面进行锚喷支护处理，随后回填混凝土形成整体基础。

3）桩基础处理

桩基础由基桩和联接于桩顶的承台共同组成。承台的作用是将外力传递给各桩并将各桩连成一体共同承受外荷载，基桩作用在于穿越软弱的压缩性土层或水中，将桩所承受的荷载传递到地基持力层上。

根据受力特点，基桩分为摩擦型桩和端承型桩。端承桩结构力通过桩基直接传递到持力层（岩层），适用于地面以下一定深度有坚硬岩层的地质条件。

摩擦桩结构力通过桩身与土层的摩擦作用传递给土体，适用于结构自重较轻，受力较小的建筑。

根据厂房基础覆盖层较浅、底部具有坚硬岩层、厂房结构自重较大且对稳定及沉降有较高要求的特点，基桩选用端承桩。平面布置按照间排距5m，共布置3排20根端承桩，桩体最大长度21m，端头深入持力层不小于1m，桩顶布置厚度1.5m的承台板，通过嵌入岩石内的端承桩和桩基上部的承台板形成整体桩基。

2.2 工程技术特点分析

a、柔性地基处理方案的设计理论基础更多偏向于理论计算，不均匀沉降和整体稳定计算成果不满足要求，因此该方案不可行。

b、刚性基础处理方案底板结构受力明确，相关计算理论成熟，具有较好的可靠性，对该方案中的具体处理方式分析如下：

1）灌浆处理方式设计上可行，但由于在工程实施过程中受到施工材料、施工工艺以及施工质量因素影响较多，因此具有不确定性。

2）混凝土置换方式其回填部位上游侧基岩面为顺向，倾角59°，回填部位最大高度为20m左右，施工过程中基坑内边坡稳定、回填混凝土自身稳定、基坑排水以及下游侧混凝土防渗墙的稳定存在问题，具有较大的施工难度。

3）桩基础处理方式具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀，抗震能力强，适应性好，机械化程度高、施工简便等特点，同时设计也比较成熟。

2.3工程量及投资进行对比分析

2.4对比分析结论

根据以上分析成果，从工程技术难度和工程投资综合考虑，柔性基础处理方案不可行。

刚性基础处理方案中：混凝土置换方式投资较大且存在一定施工难度，桩基础处理方式与灌浆处理方式投资基本相当，但桩基础处理方式具有机械化程度高，施工质量较易控制的优点，因此最终选用桩基础处理方式。

3.桩基设计

3.1桩基设计流程

厂房底板基础属于端承型群桩，其设计原理与端承型单桩基本一致，因此在具体结构设计中按单桩进行计算，具体设计流程如下：

（1） 场地勘察，收集有关资料；

（2） 综合勘察报告、荷载情况、使用要求、上部结 构条件等确定桩基持力层；

（3） 选择桩材，确定桩外形尺寸和构造；

（4） 确定单桩承载力设计值；

（5） 根据上部结构荷载情况，初步拟定桩的数量和平面布置；

（6） 根据桩的平面布置，初步拟订承台的轮廓尺寸及承台底标高；

（7） 验算作用于单桩上的竖向和横向荷载；

（8） 验算承台尺寸及结构强度；

（9） 绘制桩和承台的结构及施工详图。

3.2桩基设计成果

根据以上计算流程，以厂房底板作用于承台板上均布荷载300kPa、桩基最大深度21m为条件进行计算，主要成果如下：

桩体混凝土强度等级C30，桩径1.5m、间排距5.0m、主筋配28Φ25钢筋，5倍桩径范围内箍筋采用φ10@100 加密。单桩竖向承载力特征值为10333KN，大于单桩竖向荷载7500KN；水平承载力特征值为1803 KN，大于最大水平推力1042 KN，其稳定满足要求。

承台板混凝土强度等级C25，厚1.5m；

抗冲切承载力12297 KN，大于桩身荷载7500 KN；

顺水流向受剪承载力31946 KN，垂直水流向受剪承载力59329KN，均大于设计荷载，稳定满足要求。

在对厂房基础进行桩基处理后，为验证其可靠性，对厂房进行整体三维有限元计算复核，经计算厂房基础竖向最大变形为0.233mm，最小变形为0.083mm，即不均匀沉降差为0.14 mm， 小于允许沉降差1.149 mm； 压应力最大值为0.2MPa，小于基岩允许承载力1.5MPa， 满足厂房不均匀沉降及基础应力要求，证明桩基处理方式合理，达到了预期效果 。

4.结论与展望

鉴于古学水电站厂房基础的不均一性，为满足厂房结构设计及安全运行要求，对刚性基础处理及柔性基础处理方案进行比选，最终选用刚性基础处理方案中的桩基处理方式，经设计计算满足要求，达到了预期处理效果 。

本工程基础处理按桩基设计，上部荷载由基桩与承台组成的基础共同承担，实际上承台下的地基土对上部荷载也具有分担作用，因此可以进一步进行复合桩基的研究，这样有利于充分利用基础承载力，起到优化桩基结构、节省工程投资的目的。