给排水工程中的复合地基处理设计

◎谷昊伟

随着国家对环境保护的重视程度越来越高，各地为了解决水污染问题，给排水工程的新建和改造开始大规模进行。良好的土建工程是给排水工程的基础，而地基处理质量又与土建工程质量密切相关，同时由于给排水工程的建设往往选在远离城镇中心的郊区，地质条件不是很好。因此，只有选择经济安全的地基处理方式，保证地基的坚固可靠，才能提高工程的质量。本文结合工程实例，讨论了复合地基技术在给排水工程中的应用。

引言

作为工程项目中的基础，地基质量的好坏直接影响到工程建设能否顺利完工，同时也是工程后续正常安全履行设计功能的保证。目前复合地基技术在土木工程地基处理中具有非常重要的位置，相当部分土木工程中的地基处理均采用该技术，运用该技术在保证工程质量的同时使得项目的经济性得到了提高。下文介绍了地基处理的基本原则和相关要点。同时，以实际工程为例，讨论了复合地基技术在土木工程中的应用，并提出了相关问题。

一、复合地基简述

在土木工程建设过程中，为了加强普通地基的内强度，建设者有时会通过一些手段，用硬土代替普通土体，或者加入一些钢筋、混凝土等建筑材料，使得土体得到替换或性能得到增强，这种改良的天然地基被称之为复合地基。与天然基层相比，复合基层具有更好的稳定性，具有更高的承载能力，从而能够减少上部结构的沉降。除此之外，复合基层与天然基层相比具有更好的渗透性。复合地基技术作为一种远古时期就得到先民广泛运用与实践的技术，充分证明其在工程中的价值。传统的复合地基处理方法主要有碎石桩等散体材料复合地基、水泥土桩等柔性复合地基以及CFG桩、预应力管桩等刚性复合地基。正是由于工程建设过程中对更经济更安全的地基处理技术需求的不断增多，才推动复合地基技术不断的更新与发展，下面就复合地基技术的进行简要介绍。

在土木工程项目的建设中，如果工程结构的地基存在严重不稳定因素，会影响结构的整体安全。当前，随着全球气候异常频发，许多老旧建筑地基在暴雨等自然灾害的作用下，地基存在强度不足、渗透性差等问题，导致沉降失稳事件时有发生。因此，设计人员在工程设计中必须根据项目地质情况合理选择地基处理方式，积极探索与应用新材料、新技术，达到安全与经济的平衡。

常见的地基基础形式主要有天然地基浅基础、桩基础和复合地基基础。设计人员可以根据这些不同类型的地基选择最合适的技术。其中，桩基主要是指上部荷载由承台或者筏板先传递给桩，再通过桩传递给周边土体或持力层；天然地基浅基础是指未经处理的土体即可以直接承担浅埋基础传递的全部荷载，不需要进行人工干预；复合地基基础是指天然状态下的地基土中的部分被强化，或被替换，或在天然地基中设置增强体，加固区是由基体（土体）和增强体两部分组成的人工地基，其中加固体以桩作为竖向加强的又被称为桩体复合地基。荷载由天然土体和加强体共同承受。设计人员可以根据工程项目的实际情况进行选择，在达到更好的应用效果的同时，争取最优的成本控制。

二、常见复合地基的选择方法

1.换填垫层法。

换填垫层法适用于结构基础埋深较浅的软弱或不均匀土层的地基处理。常用的换填材料主要有：级配的砂石或碎石、2：8或3：7灰土、粉煤灰等。换填垫层的厚度应根据原状土的承载力或换填后下卧层的承载力进行计算后确定。

2.强夯法。

强夯法是指通过大型起重设备将重锤吊至一定的高度后，使重锤从空中自由落下，给土体以强大的冲击，迫使土层空隙压缩，孔隙水和气体逸出，使土体重新排列，达到固结，从而提高地基承载力，降低其压缩性。强夯广泛适用于碎石土、砂土、非饱和细粒土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基的处理。强夯法的确定必须拥有详细的地勘资料以及主体结构设计资料，掌握场地周边建筑、管线情况，避免强夯对周边造成影响。采用强夯法时必须进行现场强夯试验，确定其效果和调整设计施工参数。

3.水泥搅拌桩。

水泥搅拌桩是以水泥作为固化剂，利用搅拌机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土性质发生改变，提高硬度从而提高地基承载力，形成的水泥土桩。适用于处理淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土、粉细砂（松散、中密）、饱和黄土等软土土层。对于含阻碍搅拌机搅拌的杂物且不易清除的杂填土、密实的砂类土、地下水渗流比较严重，水泥与土体难以形成桩体的土层不适用。

4.CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）。

通常意义上的CFG桩是由水泥、粉煤灰等加水搅拌形成的桩，实际也常常采用素混凝灌注搅拌。CFG桩桩身一般不配置钢筋，主要依靠和桩间土、褥垫层一起共同承载上部荷载。CFG桩具有无泥浆污染、噪音小、地基承载力提高程度高的优点，适用于处理粘性土、粉土、沙土和下层土存在相对较硬层、承载力不低于70KPa的淤泥质土等情况。

三、工程中地基方案的比选

下面以工程实例介绍地基方案的比选：

1.工程概况及地质情况。

该工程位于安庆市望江县，为某污水处理厂升级改造工程，本文以升级改造工程中一个构筑物——提升泵房为例。提升泵房主体为地下式水工构筑物，地面层设操作间，平面尺寸为18.80mx9.80m，基础埋深约4.5m。场地的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，该场地覆盖层厚度≥20m，场地土类型为软弱土，故判定建筑场地类别为Ⅲ类。拟建场地的特征周期Tg=0.45s。

拟建场地为厂区预留用地，拟建场地较为平整，地面高程为13.50m，岩土层分布自上而下为：①层素填土、②层粉质粘土（淤泥质粉质粘土）、③层粉细砂夹粉质粘土、④层粉细砂夹粉土。该构筑物基础坐落在②层土，软塑状态，具有高压缩性，不可直接用作基础持力层，表1为地基设计参数一览表。

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拟建场地在①层素填土赋存上层滞水，孔隙潜水主要为第②、③、④层中，水量丰富。②、③、④层透水性强，富水性中等，水量较大。

2.地基方案选择。

根据本工程地勘报告和拟建构筑物特征分析，本工程场地②层粉质粘土（淤泥质粉质粘土）较厚且分布均匀，但本层土的工程性质差，未经过处理不可直接作为基础的持力层。结合水池基础形式为筏板基础，且结构整体性较好，刚度较大，桩筏基础方案或复合地基方案可被考虑。

常用的桩基主要有预应力管桩和钻孔灌注桩，考虑给排水构筑物一般情况下对承载力要求不高，而钻孔灌注桩具有设备投入大、作业空间要求大、单位荷载的成本高的缺点。预应力管桩，如采用静压法施工，施工噪声小、对周边建筑和管道没有振动影响、工厂预制无污染，可以缩短建设工期，创造时间效益，从而降低工程造价，同时场地整洁、施工文明程度高。因此本工程不考虑钻孔灌注桩方案，预应力管桩方案可以作为备选方案之一。

给排水工程中常用的复合地基方案有：换填垫层法、水泥土搅拌桩和CFG桩。本工程基础平面空间较小，埋深较深，达4.5m，根据危大工程管理办法，属于超过一定规模的危大工程，需进行深基坑支护，同时基础底部距离③层粉细砂夹粉质粘土最近处为2.26m，如采用换填垫层法，需全部挖除②层粉质粘土（淤泥质粉质粘土）。考虑拟建场地周边作业空间有限，基坑拟采用钢板桩支护，平均超挖约2.5m换填，存在施工操作不便，支护费用大大增加，支护安全性降低的缺点，故排除此方案。

下文就预应力管桩、水泥土搅拌桩和CFG桩进行比选。

3.桩型比选。

通过对上部模型建模计算，地基承载力需满足pk 82KPa，故复合地基承载力设计按100KPa进行设计。水泥土搅拌桩设计桩径取d=0.6m，桩间距s=1.2m，桩长取l=4m，按正方形布桩，面积置换率为0.188，桩身水泥土无侧限抗压强度标准值取1.8MPa，根据下列公式计算：

单桩竖向承载力特征值取公式（3-1）、（3-2）小值为116KN。

复合地基承载力特征值根据下面公式：

计算可得水泥土搅拌桩复合地基承载力为97KPa。

CFG桩径取d=0.5m，桩间距s=1.5m，桩长取l=5m，按正方形布桩，面积置换率为0.116，桩体采用C20混凝土，根据公式（3-1）和（3-3），计算可得单桩竖向承载力特征值为124KN，CFG桩复合地基承载力为100KPa。

本提升泵房平面尺寸为18.8mx9.8m，底板每侧外挑600mm，基础总平面尺寸20.0mx11.0m。若采用水泥土搅拌桩复合地基，则需要180根桩，每根长4m，总桩长为720m，桩成本按320元/m3（含施工费）计算，共计约6.50万元；若采用CFG桩复合地基，则需要113根桩，每根长5m，总桩长为565m。CFG桩成本按730元/m3（含施工费）计算，共计约8.10万元。砂石褥垫层300mm后，按300元/m3计算，共计约2.0万元。由于池体自重抗浮不满足，考虑约750mm厚C20配重，价格按350元/m3计算，总配重费用约5.70万元。

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根据地勘报告，③层及④层土土层分布稳定，工程性能较好，可作为预应力管桩持力层。采用预应力管桩方案，若以④层粉细砂夹粉土作为桩端持力层时，桩需要穿越③层稍密状态粉细砂层，应进行试沉桩以确定沉桩参数，并在沉桩设备配备上留有一定余量。

通过对上部模型建模计算，选择PHC-400-AB95桩型，桩长为10m，以④层粉细砂夹粉土作为桩端持力层，单桩承载力特征值为450KN，桩间距约2.3m，总桩数45根。预应力管桩的成本主要包括主材、灌芯混凝土及施工费用，根据市场调查：PHC-400-AB95桩材料及压桩费用约230元/m；桩尖采用锥形桩尖，约110元/个；本工程中桩有抗拔要求，根据规范灌芯混凝土不小于3m，桩尖防腐要求灌注不小于500mm混凝土，材料按450元/m3，考虑部分连接用钢筋和封底钢板费用，预应力管桩方案总造价约为11.48万元。

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从工程造价上面来看，在不需要考虑抗浮的情况下，对于给排水工程中对地基承载力要求较低的结构，在地基承载力相近的情况下，与CFG桩和预应力管桩相比，采用水泥搅拌桩复合地基的成本最低。水泥搅拌桩复合地基比CFG桩节省费用约19%，比预应力管桩节约35%。当构筑物因埋深过深或地下水水位较高，抗浮稳定性依靠自身重力无法满足而需要采取抗浮措施时，由于采用配重抗浮的形式往往需要使用大量混凝土，使得复合地基方案成本大幅增加，经济性不佳。在这种情况下，水泥搅拌桩复合地基比预应力管桩贵约24%，CFG桩复合地基比预应力管桩贵约37%。

从现场施工工期角度分析，CFG桩和水泥搅拌桩同属于复合地基，根据地基处理规范，都需要进行试桩，成桩28d后进行静载实验；对于预应力管桩，根据桩基检测规范，成桩25d后进行静载实验。由于工程整体体量较小，工程桩施工工期直接差距较小，不与比较。因此，采用预应力管桩相对CFG桩和水泥搅拌桩在工期上差距不明显。

从施工条件角度，水泥搅拌桩和CFG桩桩机设备尺寸较小，运行荷载较小，对施工环境要求较低；管桩桩机一般尺寸较大，运行时荷载较大，在软弱地基上必须对地表进行硬化处理方可施工。对于本工程而言，本工程为现有污水厂提标工程，拟建场地位于厂区深处，不利于大型设备进出和操作，作业空间较小，一侧有现状管道经过，必须进行深基坑支护，管桩桩基施工困难。

4.小结。

通过桩型比选，本工程最终选择采用水泥搅拌桩复合地基方案，由于深基坑支护采用钢板桩支护，水泥搅拌桩同时可作为坑内土体加固的方法。目前该工程已顺利完工并通过验收，后期沉降检测结果也满足规范要求。

结语

在给水排水工程中，由于大部分均为储水构筑物结构，自身整体性较好，地基承载力要求较低，一般情况下地基承载力需求不大于160KPa，对小型结构常常100—120KPa即可满足。同时随着现阶段国家对环保要求的逐步提高，改革开放初期建设的大量项目由于原技术流程难以满足越来越高的排放要求，对原有厂区进行提标改造的工程越来越多。大量厂区由于历史原因布局不合理、管线复杂、施工条件较差，在这种情况下复合地基噪声小、无振动、污染低、施工空间要求低的优点得到体现。但是复合地基也存在工程质量受土壤和大气变化影响较大、主要为隐蔽工程，施工过程监控和质量控制难度较大、现阶段理论计算方法不完善，相关系数主要由经验而来等等缺点。随着工程建设的持续需求，复合地基处理技术日益受到重视，新材料、新方法层出不穷，施工也向着自动化、智能化不断发展。在实际工程中，应当根据现场实际情况，从节能环保、节约工期、便于施工等多个方面，选取合适的地基处理方法进行设计。