某自重湿陷性黄土地区水厂结构设计纪实

魏耀红 胡纯

摘 要：某湿陷性黄土地区的水厂采用了灰土挤密桩进行地基处理，本文总结了该水厂地基处理、上部结构设计的经验和教训，可作为类似工程的参考。

关键词：湿陷性黄土;水厂;灰土;挤密桩;水池;构筑物

我国幅员辽阔，地形地貌变化万千，地质成因、地质特点、气候特征迥异，这就给设计人员提出了严峻的挑战。从东南沿海到江汉平原，从黄土高原到青藏高原，每到一个新的地域，面临新的环境都倍感棘手，甚至走一些弯路。我院地处华中，接触较多的是华中和东南沿海的工程，西北地区的市政工程设计先有接触，对湿陷性黄土的认识尤为有限。在本水厂的设计与施工过程中，边试验摸索边修改设计参数，颇费周折，有的甚至突破了规范允许范畴，但从水厂运行几年的情况看，结构设计还是成功的。本文主要谈及湿陷性黄土地区水厂的地基处理设计，意在给遇到类似情况的设计者参考和借鉴。

本水厂设计规模近期为5万吨/d，远期为10万吨/d，位于陕西省杨凌市，杨凌位于西安市西50公里，属湿陷性黄土地区。厂区占地总面积47511.8m2，约80亩，其中常规处理用地38829.0m2，预留深度处理用地8682.8m2。厂内构、建筑物包含折板反应平流沉淀池、气水反冲洗滤池、清水池、反冲洗泵房、机修仓库、配电间、加药间、送水泵房、排水排泥池、浓缩池、脱水车间、综合楼、门房等，除门房重要性等级为丙类建筑外其余均为乙类。

1 场地地质条件

工程场地地貌单元为黄土塬，地形较平坦开阔，场地地层岩性分布稳定。地面高程522.56～524.81m，高差为2.25m。地勘报告揭示，场地勘探深度内地层岩性主要为第四系松散堆积物，即主要由第四系上、中更新统风积黄土、残积古土壤等组成。按地层成因、埋藏条件、岩土特征及土工试验结果，将勘探深度范围内的地层自上而下划分为5个工程地质层，地层描述如下：①层黄土：可塑。天然孔隙比平均值为0.905，压缩系数a1-2平均值为0.43MPa-1，属中偏高压缩性土，具湿陷性，湿陷系数为0.015～0.034，湿陷程度轻微中等。其承载力特征值fak=160kPa，厚度8.0～9.5m。②层古土壤：硬塑。天然孔隙比平均值为0.734，压缩系数a1-2平均值为0.20MPa-1，属中压缩性土，具湿陷性，湿陷系数0.015～0.029，湿陷程度轻微。其承载力特征值fak=180kPa。厚度3.1～3.6m。③层黄土：可塑。天然孔隙比平均值为0.918，压缩系数a1-2平均值为0.21MPa-1，属中压缩性土，具湿陷性，湿陷系数0.015～0.027，湿陷程度轻微。其承载力特征值fak=170kPa。厚度约6.9～8.0m。④层古土壤：硬塑。天然孔隙比平均值为0.817，压缩系数a1-2平均值为0.18MPa-1，属中偏低压缩性土，不具湿陷性。其承载力特征值fak=190kPa。厚度约1.9～2.2m。⑤层黄土：硬塑。天然孔隙比平均值为0.810，压缩系数a1-2平均值为0.17 MPa-1，属中偏低压缩性土，湿陷性。其承载力特征值fak=180kPa。厚度较厚未揭穿。

地勘报告评价，场地湿陷类型属自重湿陷性黄土类型，地基湿陷等级为II级（中等）。场地地下潜水位埋深大于100m。无液化土层。

2 基础和地基处理方案

本场地是湿陷性黄土，而水厂构筑物是盛水构筑物，近年来盛水构筑物的渗漏已经成为一种常态化的现象，这构成了一对不可调和的矛盾。如果本工程水池漏水并渗入地基，将会引发地基沉降，地基沉降又会引发水池结构开裂甚至破坏，结构设计要充分认识这种风险，所以构筑物结构本身的设计关键是“控水”，一方面在设计上搞清易漏点，采取措施减少漏水机会，减少漏水量，另一方面做好地基的处理，消除或部分消除湿陷性，做好隔水阻水措施，最大限度的减少构筑物漏水对地基的影响。

根据以上结构设计的总体指导思想和对《湿陷性黄土地区建筑规范》学习，认为预浸水法对现有场地围墙、邻近的周边民宅会造成影响，且规范要求浸水坑边长不小于黄土厚度，浸水时间在2～4个月，还要进行复勘和浅层土处理，该法漫长的时间、繁复的过程、对周边建筑的影响，所以该法最先被排除，并初步确定了预应力钢筋混凝土管桩、灰土桩挤密法、垫层法和强夯四种地基处理方案。强夯常常用于处理湿陷性黄土地基，但由于周边民宅与场地仅一路之隔，且民宅为砖瓦房，砌体结构，强夯施工的震动可能会引起民房的开裂甚至倒塌，引发危险和纠纷，故排除了强夯法。在初步设计中，由于对湿陷性黄土的恐惧，我们选择了较为熟悉的预应力混凝土管桩桩基础。在初设评审中，受到与会专家的批评，专家指出不切合当地实际，当地市场上可能无法采购到管桩，且根据《湿陷性黄土地区建筑规范》5.7.2.2条，在自重湿陷性黄土场地，桩端应支承在可靠的岩（或土）层中，本场地湿陷性黄土厚度超过100米以上，确定桩端持力层是比较困难的，而且桩长较长会造成费用较高，用预应力管桩和其它桩基础是不太合适的，应该采用当地常用的方法进行地基处理。

经过对规范的进一步学习和对当地建筑市场的初步调研了解，以及本工程的结构和场地地质特点，最后确定了构筑物地基处理采用灰土挤密桩+灰土垫层，建筑物采用灰土垫层的处理方法。具体来说构筑物直径426灰土（3：7）挤密桩，桩距1.4m，平面为梅花形布置，桩长15m，按照规范6.4.9的要求，在灰土挤密桩桩顶以上，构筑物底板以下再换填0.5m厚3：7灰土垫层，此垫层超出主体底板（不含北侧排泥渠）边缘以外1.5m，要求灰土挤密桩的压实系数不小于0.97，灰土垫层的压实系数不小于0.95。本場地的湿陷性黄土厚度上百米未揭穿，按照《规范》6.1.4.2条要求处理厚度要达到湿陷性土层深度2/3是有难度的。对于生产车间和办公楼等建筑，由于室内只有小型水池和少量生活用水，采用换填2.5m厚的处理措施。

具体以折板反应平流沉淀为例，池长102.65m，宽19.8m，折板反应部分池深5.0m，平流沉淀池部分池深3.5m，长向设4道伸缩缝，缝内埋设橡胶止水带，以下为该池的地基处理图：