浅谈泵站工程泵室地基加固处理设计

秦 杰，张培成

(1.沧州水利勘测规划设计院有限公司，河北省沧州市交通北大道21-1号 061000；2.河北水利电力学院 交通工程学院，河北省沧州市黄河西路49号 061001)

1 工程概况

1.1 总体布置

中捷产业园区2号排涝泵站位于中捷产业园区石材园区南侧、黄南排干北侧，设计排涝流量为2.1m3/s。由上游连接段、前池、泵房、出水池、穿堤涵闸、下游连接段组成，泵站中心线总长81.6m。泵室为钢筋混凝土湿室结构，分为电机层、水泵层，上部为砌体混合结构泵房。水泵型号为600ZLB-100(+2°)，装机容量150kW。

1.2 泵室主要结构尺寸

首先根据以往工程经验初拟结构尺寸，然后根据稳定计算、沉降计算及经济性对结构尺寸进行比选调整，最终确定泵室最优结构尺寸。

(1)泵室底板长10.5m，宽7.4m，厚0.8m，基底高程-2.8m。

(2)泵室边墩厚0.7m，中墩厚0.6m，为减小上部结构自重，中墩采用空心布置，墩底高程-2.0m，墩顶高程3.8m。

(3)泵室后墙厚0.5m，为减小上部结构自重，泵室后段采用空箱形结构。

1.3地质条件

场区为Ⅱ类场地，基本地震动峰值加速度值为0.10g，相当于基本地震烈度Ⅶ度，地下水埋深1.20～2.30m，本工程区场地不液化。第一层素填土层底标高2.5m；第二层砂壤土属中压缩性土，层底标高1.20～1.40m，承载力特征值100kPa；第三层壤土属中压缩性土，层底标高-0.90～-0.70m，承载力特征值105kPa；第四层淤泥质壤土属高压缩性土，层底标高-2.80～-2.60m，承载力特征值85kPa；第五层砂壤土属中压缩性土，层底标高-7.00～-6.80m，承载力特征值120kPa；第六层淤泥质壤土属高压缩性土，层底标高-11.10～-10.90m，承载力特征值80kPa；第七层砂壤土属中压缩性土，层底标高-14.00～-13.80m，承载力特征值120kPa；第八层壤土属中高压缩性土，该层20.00m未揭露，最大揭露厚度为2.80m，承载力特征值110kPa。泵室底板底高程-2.80m，位于第五层，承载力特征值120kPa。

2 天然土基沉降计算

2.1 地基应力计算及分析

基底应力计算公式：

式中：Pmax为基底应力最大值，kPa；Pmin为基底应力最小值，kPa；ΣG为全部竖向荷载，kN；A为基底面积，m2；ΣM为全部荷载对基底垂直水流方向的力矩，kN·m；W为基底对垂直水流方向形心轴的截面矩，m3。

表1 基底应力计算成果表

经计算，泵室地基承载力满足要求。

2.2 天然土基沉降计算及分析

分析工程地质条件可知，由于第六层为淤泥质壤土，压缩性高，需对泵室进行沉降计算复核。根据基底应力分布特点，沉降计算公式如下：

式中：S∞为土质地基最终沉降量，m；n为压缩层计算范围内的土层数，压缩层计算深度按附加应力与自重应力之比<0.1控制，n=8；e1i为在平均自重应力作用下，查e—p压缩曲线的相应孔隙比；e2i为在平均自重应力加平均附加应力作用下，查e—p压缩曲线的相应孔隙比；hi为基底以下第i层土的厚度，m；mi为地基沉降量修正系数，取1.6。

泵室基底附加应力分为矩形均布荷载和三角形荷载2部分，查e—p曲线，利用“角点法”分别计算泵室底板前端、中心、后端3个点的沉降值，计算结果如表2、表3、表4所示。

表2 泵室前端沉降量计算成果表

表3 泵室中心沉降量计算成果表

表4 泵室后端沉降量计算成果表

根据上述计算结果，考虑修正系数1.6，前端最终沉降2.56cm，中心最终沉降4.48cm，后端最终沉降3.20cm。根据泵站设计规范，确定泵房地基允许最大沉降量为15cm，相邻结构允许沉降差不大于5cm。考虑到前池及出水池基底反力较小，可认为前池、出水池无沉降。本工程主要以沉降差作为控制条件，由计算结果可知，泵室与相邻结构的最大沉降差为4.48cm，已接近规范上限，为了保证工程安全运行，结合本工程地质条件及以往工程经验，决定对泵室地基进行人工加固处理。

3 常见的地基基础处理方法及适用条件

软土地基处理方法很多，其中有些方法目前设计和施工方面仍未成熟，特别是用于大面积的地基处理还有些困难，有些方法用于实际工程造价过高，与其他方法比较不经济。目前常用的地基处理方法包括换土垫层法、强夯法、碎石桩法、桩基础、沉井基础、水泥土深层搅拌桩法。

3.1 换土垫层法

换土垫层法是将基底附近一定深度范围内的软土清除，然后采用壤土、级配中粗砂、级配碎石土及灰土等进行分层回填压实。换土垫层法在改善地基应力分布、提高地基稳定性及减少地基沉降方面具有一定的作用。

换土垫层法一般适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理，从施工难度和经济性两方面考虑，垫层厚度一般不宜超过3m。换土垫层法技术经验成熟，垫层底面宽度应满足基底应力扩散的要求，壤土、粘土扩散角可取20°～25°，中粗砂扩散角可取30°～35°。大型工程的粘土垫层压实系数不小于0.96，中小型工程粘土垫层压实系数不小于0.93，砂垫层相对密度不应小于0.75，在强震地区的砂垫层相对密度不应小于0.8，垫层的压实效果应进行现场试验验证。

3.2 强夯法

强夯法是一种快速加固软土地基的方法，夯锤重量一般在100～600kN，落距一般10～40m，较理想的夯锤形状为圆柱加圆台组合型夯锤。夯点可采用方格形或梅花形布置，第一遍夯点间距一般为1.5～3.5倍夯锤底面直径或边长，地基处理面积一般比基础底面积外扩1～2排夯击点。影响强夯有效加固深度的因素很多，目前尚无成熟的理论计算方法，因此，强夯有效加固深度应根据现场试夯结果或已建工程经验确定。强夯法适用于透水性较好的松软地基，特别是碎石土或稍密砂土、杂填土、非饱和粘土和湿陷性黄土地基，如用于淤泥或淤泥质土地基，应通过现场试验确定其适用性和处理效果。

3.3 碎石桩法

松砂、软弱的粉砂、砂壤土或砂卵石地基可采用振冲法加固处理。对采用振冲法成孔的碎石桩，直径宜采用800～1200mm，桩间距可采用1.5～3m；当采用振动沉管法成桩时，直径宜采用300～600mm，桩间距不宜大于桩直径的4.5倍。振冲法处理设计目前处于半理论半经验状态，加固效果应经现场试验验证。

3.4 桩基础

常见的桩基础包括钢筋混凝土预制打入桩和钻孔灌注桩。预制桩一般适用于砂土、粘性土、有承压水的粉、细砂及碎石、卵石类地基，钻孔灌注桩几乎可用于各类土的软土地基。在有承压水的地基上进行桩基础施工时，在基坑开挖时应设足够数量的降压井以降低承压水头。对于摩擦桩设计时，可按桩间土承担10%～15%的荷载、桩基础承担85%～90%的荷载考虑，在实际工程中，为安全计，往往不考虑桩间土的承载作用。

3.5 沉井基础

沉井基础一般适用于上部为软土层或粉砂、细砂层，下部为硬粘土层或岩层的地基，不宜用于上部夹有蛮石、树根等杂物的松软地基或下部为顶面倾斜度较大的岩石地基。当地基存在承压水时，考虑地基抗渗稳定性和施工难度，不宜采用沉井基础。沉井基础一般为钢筋混凝土结构，平面形状多呈矩形，长度一般不超过30m，长宽比不宜大于3，沉井结构混凝土强度等级一般不低于C20。沉井深度取决于地质条件、施工条件和沉井的承载能力。

3.6 水泥土深层搅拌桩法

水泥土深层搅拌桩固化剂应选择强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥，水泥掺量可为12%～20%。按照施工工艺可分为干法和湿法两类。干法宜用于加固土质堤坝和岸坡，不宜用于水工建筑物的地基加固。干法加固深度不宜大于15m。湿法加固深度不宜大于20m，该法主要用于正常固结淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土和粘性土地基加固。该法具有施工进度快、振动小、无噪音和无污染、工程造价低等优点，复合地基承载力和单桩承载力应进行现场试验验证。

4 地基处理方法的选择

地基处理的目的是降低泵室基底沉降量，根据地基土的特性、地基处理工程造价及以往工程设计经验，决定泵室地基采用深层水泥土搅拌桩(湿法)进行地基处理。

5 地基处理设计

根据泵室地基地层分布特点和厚度，对于地基变形来说，增加桩长对减少沉降是有利的。实践证明，若水泥土搅拌桩能穿透软弱土层到达强度相对较高的土层，则沉降量是很小的，据此确定本工程搅拌桩穿透第六层淤泥质土层，桩端深入第七层砂壤土层。设计桩底高程-11.5m，桩长8.3m，桩径500mm，正方形布置，桩距1.0m，固化剂选择42.5级普通硅酸盐水泥，泵室基底与桩顶之间铺设30cm厚水泥土褥垫层。

5.1 复合地基承载力计算

水泥搅拌桩复合地基承载力标准值应通过现场地基荷载试验确定。本工程按下式估算：

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；fsk为处理后桩间土承载力设计值，kPa，可取天然地基承载力特征值；m为面积置换率；Ap为桩的截面积，m2；β为桩间土承载力折减系数；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN。按下面两式计算，应使由桩身材料强度确定的单桩承载力大于(或等于)由桩周土和桩端土的抗力提供的单桩承载力；

Ra=ηfcuAp

式中：qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；up为桩周长，m；li为桩长范围内第i层土的厚度，m；n为桩长范围内所划分的土层数；qp为桩端地基未经修正的承载力特征值，kPa；α为桩端天然地基土的承载力折减系数；η为桩身强度折减系数；fcu为与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值，kPa。

表5 复合地基承载力特征值计算结果表Tab.5 Calculation results of bearing capacity eigenvalue of composite foundation

5.2 下卧层地基承载力验算

水泥土搅拌桩已穿透淤泥质软土层，下卧层承载力大于复合地基承载力，故不再对下卧层承载力进行验算。

5.3 复合地基沉降计算

复合地基的沉降量包括搅拌桩复合土层的变形量S1和下部未加固处理层的变形量S2。水泥土深层搅拌桩沉降S1为

S1=(Pz+Pz1)l/2Esp

Esp=mEp+(1-m)Es

Pz=[RspF-Rs(F-F1)]/F1

Pz1=[RspF+G-Fsf-Rs(F-F1)]/F1-γpl

式中：Pz为搅拌桩复合土层顶面附加压力，kPa；Pz1为搅拌桩复合土层底面附加压力，kPa；Esp为搅拌桩复合土层压缩模量，kPa；Ep为搅拌桩压缩模量，kPa；Es为桩间土压缩模量，kPa。Rsp为复合地基承载力设计值；Rs为桩间天然地基承载力特征值；F为泵房基础占地面积；F1为假想实体基础底面积；G为复合地基自重；Fs为复合地基侧面积；f为桩侧平均摩阻力；γp为基底以上各土层的加权平均重度；l为搅拌桩桩长。

经计算，S1=2.9cm。按照应力控制法确定S2计算深度，并按照附加应力小于自重应力的10%控制，S2=0。地基处理后泵室总沉降量为2.9cm，较天然地基的泵室沉降量4.48cm显著降低。

6 结论

水利工程中的地基沉降计算公式属于半理论半经验公式，在实际工程设计中，应综合考虑计算公式的特点和施工技术水平对地基沉降的影响，从工程安全和经济性角度分析。对地基沉降量或沉降差接近规范上限的工程，应根据地基土质情况选择合适的地基处理方法对天然地基进行人工加固处理。本工程泵室地基经水泥土搅拌桩加固处理后沉降值显著降低，确保了工程的运行安全。