抱书河闸站枢纽地基处理设计

王枫林 胡家武

一、工程概况

抱书河是裕溪河左岸的一条支流，位于安徽省巢湖市主城区东南部，河道全长约2.0km，集水面积16.28km2，20年一遇洪峰流量为110m3/s，50年一遇洪峰流量为130m3/s。

抱书河闸站枢纽位于抱书河出口，裕溪河左堤上，由防洪闸和排涝泵站组成。闸室采用潜孔式闸门，共3孔，单孔净宽10.0m，总净宽30.0m；泵站设计抽排流量为25.0m3/s，选用4台1400GQ-125型灌流泵，配4台YQGN990-16型电动机，单机功率450kW，总装机1800kW，排涝出水涵洞穿裕溪河堤防，出口设防洪闸。工程等别为Ⅲ等，中型工程，主要建筑物按3级设计，次要建筑物等级为4级。

二、枢纽地基处理设计

1.区域地质概况

根据现场勘探，地层自上而下依次为：①层重粉质壤土，中等偏高压缩性，分布不连续；②层淤泥质中重粉质壤土，高压缩性，普遍分布；③层淤泥质重粉质壤土与砂壤土互层（层砂层壤），中等偏高压缩性，分布不连续；④层重粉质壤土，局部夹薄层粉细砂、淤泥质重粉质壤土；⑤层重粉质壤土，可塑～硬可塑；⑥层轻粉质壤土，硬可塑～硬塑；⑦层砂砾石，中密～密实。建基面均在②层淤泥质中重粉质壤土层，土层软弱，压缩性高，天然地基承载力仅60kPa。

2.建筑物稳定计算

稳定计算考虑完建期、防洪期、校核泄流及恶劣放水期等工况，计算成果见表1和表2。

计算结果表明，建筑物抗滑、抗浮安全系数均满足规范要求；基底应力大于天然地基允许承载力，不满足设计要求，地基应进行加固处理。

3.地基处理方案拟定

（1）方案比选

根据地形地质条件，此次选取钉形水泥土双向搅拌桩、预应力钢筋混凝土管桩及水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）进行比选。

①钉形水泥土双向搅拌桩

钉形水泥土双向搅拌桩是将水泥土搅拌桩成桩机械的钻杆改进为同心双轴钻杆，通过正反向旋转叶片同时双向搅拌水泥土，阻断水泥浆上冒途径，保证水泥浆在桩体中均匀分布和搅拌均匀，确保成桩质量。

布置方案：桩径0.5m，桩距1.8m，扩大头桩径1.0m，桩底进入至⑤层重粉质壤土中内1.0m，平均桩长17.5m，其中扩大头部分桩长6.0m，桩身水泥掺量16%，共布置397根桩，总长度6950m，总造价110万元。

表1 闸室稳定计算成果表

表2 站身稳定计算成果表

表3 桩基承载力计算成果表

②水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）

CFG桩是由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的具有一定强度的可变强度桩，可以充分利用桩间土的承载力，并传递荷载到深层地基中。

布置方案：桩径0.5m，桩间距1.5m，置换率0.136，矩形布置。桩底伸入下部⑤层重粉质壤土中内1m，平均桩长17.5m。共布置441根桩，总长度7720m，总造价187万元。

③预应力钢筋混凝土管桩

预应力混凝土管桩是采用预应力工艺和离心成型法制成的一种细长空心体混凝土预制构件，是一种采用挤土或半挤土的桩基型式。

布置方案：桩径0.3m，桩底进入至⑤层重粉质壤土中内1.0m，桩顶设0.4m细石混凝土垫层。桩距2m，矩形排列，桩长17～19m，共布置282根桩，总长度5360m，总造价176万元。

（2）方案确定

钉形桩扩大头部分与桩一次施工完成，操作方便；在上覆荷载的作用下，充分利用土拱作用，扩大头部分确保桩体和桩周土变形协调，从而加强土体上部复合地基强度。缺点是深厚淤泥质土对桩身质量对施工工艺要求高、施工及检测周期较长，地基变形量较大。

水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）施工简单，工期短，噪音低；缺点是桩长大于13m时，需要接桩，沉桩时桩身易碎裂，增加了施工程序，工程投资较大。

预应力混凝土管桩技术成熟，桩身混凝土强度高，打桩后经过强烈的挤压，桩端承载力可比原状提高80%～100%；桩体由工厂化离心生产，容易保证质量；可根据需要制成各种不同长度的桩段运到工地后相互连接，施工快捷简便；施工前期准备时间短、施工速度快、检测时间短。缺点是沉桩时一般用锤击或振动法下沉，施工噪音大，用静压法施工可消除噪音污染，但所要求的设备和环境条件较高。

三种处理方案中钉形桩造价较省，预应力钢筋混凝土管桩、CFG桩造价略高。考虑该工程建设要求周期短，地基拟采用钢筋混凝土预应力管桩进行加固处理，方便施工，缩短工期。

4.复地基承载力及地基变形计算

根据同类工程设计经验，预应力混凝土管桩桩径采用0.3m，桩距2m，矩形排列，桩位根据建筑物底板轮廓线进行布置，桩底至⑤层重粉质壤土中内1m。

（1）复合地基承载力计算

①基桩竖向承载力计算

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值；Quk为单桩竖向极限承载力标准值；K为安全系数，取为2；R为复合基桩竖向承载力特征值；ηc为承台效应系数；fak为承台下1/2承台宽度且不超过5m深度范围内，各层土的地基承载力特征值按厚度加权的平均值；Ac为计算基桩所对应的承台底净面积；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qpk为极限端阻力标准值；li为桩周第i层土的厚度；u为桩身周长；Ap为桩端面积。

②桩基承载力计算成果

桩基承载力计算结果见表3。

根据《建筑桩基技术规范》，基桩竖向力应满足Nk≤R和Nkmax≤1.2R。考虑到防渗及群桩整体受力要求，在管桩桩与建筑物底板之间设置0.4m厚的C25细石混凝土褥垫层。

计算结果表明，地基加固后满足规范及设计要求。

（2）地基处理后的变形验算

复合土层的分层与天然地基相同（在变截面处应分层计算），各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量与桩体压缩模量按照面积置换率加权平均。计算深度应大于复合地基的处理深度，并应符合现行规范中地基变形计算深度的有关规定。桩端下部未加固土层平均压缩变形量s3可按照有关规定计算。

经计算，加固后地基沉降量为56mm，较加固前减少了42mm，满足设计要求。

三、结束语

该工程采用预应力混凝土管桩加固地基，加固后复合地基承载力大幅提高，加固前后地基的沉降变形有效减少，计算结果满足规范和设计要求。经类似工程现场单桩复合地基静载荷试验，结果亦满足设计要求，达到预期的效果。由于水工建筑物对基础防渗要求较高，在深厚软基加固中常采用水泥土搅拌桩、换土等传统方法，施工周期较长，且对施工场地要求较高。该工程采用工厂化预制高强度管桩，有利于节省工期，降低施工成本，成效显著