预应力管桩在保定坝排涝泵站工程地基处理中运用研究

侯冠华

（芜湖市搏翔水利工程设计咨询有限公司，安徽 芜湖 241000）

0 引言

当前，排涝泵站建设工程项目越来越多，其地基处理施工也受到广泛关注，地基的稳定性决定了泵站安全运行，在必要情况下，需采用合适的手段进行地基加固，促进整个工程的顺利建设，确保排涝泵站功能的发挥。

1 研究意义

当前排涝泵站建设工程中，大都存在软土地基情况，这类地基的特点是力学性质颇差，实际承载力较小，不仅制约泵站建设工程的推进，同时，建成后泵站的运行安全也难以保障。如建筑物沉降量过大现象等。因此，对软土地基进行加固处理是很有必要的，其加固处理的目的是提升地基土承载力，满足实际工程建设的需求，保证建设的安全。当前，对软土地基的处理手段较多，包括换填法、水泥搅拌桩法、预应力管桩法以及挤密碎石桩法等，具体采用哪种方法需结合工程地质实际情况，本文主要研究了预应力管桩法在处理排涝泵站软土地基中的运用，该方法的优点在于单桩的承载力颇高，设计应用的范围较广泛，布桩时具有一定的灵活性，桩基直径可进行调整，能够充分发挥单根桩的承载效果，在施工时还具有速度快、简单易操作的特征，结合该方法特点分析其处理地基后承载力值，此次研究以保定坝排涝泵站工程建设项目为例，研究结果有助于帮助完善地基处理方案，推动工程建设[1]。

2 工程概况

保定坝排涝泵站所处位置为繁昌区孙村镇五联圩境内。该排涝站负责控制集雨的总面积约为15.68km2。站址坐落在黄浒河中游右岸，保定坝河口位置，西南方向为黄浒河，东方方向为山丘区，当地汛期涝水主要是使用泵站来抽排，现今存在的排涝工程由于设计标准较低，且建成年代颇早，导致排涝效果较差，许多机泵设备还存在老旧、性能下降情况，排涝能力较差，因而排涝受到阻碍。保定坝排涝泵站的设计标准采用10 年遇，其中水田采用最大3d 暴雨3d 排至作物耐淹水深，旱作物采用3d 暴雨3d 排干。设计排水流量每秒10.2m3，工程等别为Ⅲ等，中型工程，永久性主要建筑物级别为3 级，次要建筑物级别为4 级，临时建筑物级别为5 级。保定坝排涝泵主体位置的地基软土层比较厚，因而实际承载力较低，难以满足上部建筑结构的荷载要求，为了保证圩内的可持续发展，需采取一定措施对地基进行加固处理，本项目工程研究中采用预应力管桩方式[2]。

3 保定坝排涝泵站地基施工处理中预应力管桩的运用

3.1 桩基的处理方案

结合实际地基情况以及上部荷载的特征，涝泵站基础主要是位于软土层当中，因而不能够直接使用天然土层做地基，需采取预应力管桩处理手段，桩端要切实进入砂砾石层内。在排涝泵站的主厂房地基位置处，主要是采用规格为φ400 预应力混凝土管桩，管壁厚约为95mm，使用时为PHC 型B 组。为了确保桩基应用的合理性，需对单桩的承载力进行计算，首先是计算其竖向承载力，根据桩身周长、桩侧土层极限侧阻力的标准值以及桩端面积值来计算；其次是计算其加固后的复合地基承载力，根据单桩竖向承载力、桩的面积置换率及桩间土承载力特征值来进行计算。最后的计算结果中，预应力管桩单桩竖向承载力值为160kN，复合地基承载力标准值为115kPa，沿着顺水流的方向，在排涝泵站厂房地基布置10 排预应力管桩，排间距控制在2.1m，单排布置桩数为11 根，桩与桩之间间距约为1.7～2.1m，总共桩数为110 根，桩长的平均值为20m，通过对其厂房上部分结构桩位情况的地基应力计算，考虑到竖向荷载在施工期、完建期的不同工况，计算结果的竖向单桩最大荷载为132kN，地基承载力标准值为106kPa，均小于上述计算的标准值，因而可确认预应力管桩设计满足实际要求[3]。

3.2 预应力管桩的施工工艺

3.2.1 桩位测放

预应力管桩在实际施工布置之前，需要做好充分的准备工作，首先是实施测量放线，精准把控建筑物控制点，做好校准，其桩点误差值不能够超过2cm，在进行施放之后还要进行复核，并做好相应定位测量的记录与报审，让甲方单位对桩位的精准度进行确认，与设计图纸进行对比，查看是否发生桩位偏移或是放置错漏情况。桩位的测放会直接影响到预应力管桩的承载特性，对最终地基处理的效果也有着深刻影响。

3.2.2 调整桩机及吊桩处理

实施压桩之前，需要对打桩机设备进行调整，主要采用经纬仪来优化调正，让导轨保持垂直状态，在进行压桩的过程中，也要保持定期检查桩机，始终控制其导轨的垂直度。在进行吊桩处理过程中，需保证操作严格遵循安全技术规程，吊臀位置的下方不可站人，压装机也要防止出现倾斜状况，避免预应力管桩从钢丝绳当中脱离而出。在桩机就位之前，需根据测得的桩位布置好地桩，桩位中心的定位使用圆钢筋进行，桩位置上需要画出圆形标记，以管桩的外直径参数为准画出圆形，待到桩机就位之后，将对准圆形标记实施吊起，将地桩作为中心，逐渐将管桩插入指定位置。在插桩完成以后，对桩机、桩身以及压桩油缸进行调整，保证三者处于同一直线。

3.2.3 压下节桩及接桩

管桩在压进初期时，需要将下节桩压入，保持低速压进，避免过快导致桩位偏移或遇到障碍物，给压桩方向造成影响，对于压入时遇到硬土层情况，则是要适当增加压柱力，有效穿过硬土层，避免桩身的拉应力过大，因此需实时把控压力值的变化。在接桩处理时，应当保证下节桩留出地表1cm 左右停止，然后将油缸提起检查下节桩是否存在损伤情况，对桩顶部的杂物进行清理，吊起上节桩与下节桩顶部进行对接，对接时需保证中心对其、周边对正，还要校正整体的垂直度，对于接桩的接触面要保证严丝合缝，确保平稳后就可进行桩焊接，采用的焊接形式为上下桩法兰外接边焊接，至少需要两名焊接技术人员，同时进行两边焊接，选择合适的焊条，保证焊接质量的达标性。焊接时先将四份点焊牢，再以对称为原则焊实，焊后接头需保证其自然冷却，约一分钟后再施加压力。除此之外，需尽可能控制接桩时间，不可时间过长，否则桩周围的土层可能会重新固结，导致沉桩的效果不佳，最后按照质量规定验收即可。

3.2.4 压桩至设计要求

将预应力管桩桩体焊接完成并做好垂直度校准之后，需对桩身表面涂抹防腐材料，随后继续进行压桩。在整个过程中都应当将每米压力值实时记录，保证施工参数的合理性，还有对高程值进行测量，从桩顶标高实时测量，控制桩的压入深度，送桩机设备要保证底面整洁及垂直度达标，最后将管桩压到设计标准即可。在停压时，需以压力值为标准实施停压，若是其压力值已经超长但压入深度仍未达到设计标准，则需做好记录。

3.2.5 桩措施

若出现桩顶标高与设计不相符情况，尤其是超出设计标高时，则需采用截桩手段，要想控制截桩后的管桩质量达标，一般不适用风镐工具或大锤工具强行截桩操作，而是采用专用工具来截割。截桩后还需等待一段时间才能就地基位置进行基坑开挖施工，保证桩身的完整度，还需在开挖过程中采取保护措施，确保分层、匀速开挖，避免侧压力过大而出现管桩变形情况。

3.3 预应力管桩的加固效果

3.3.1 开展现场试验

预应力管桩在施工完成后需对其围封加固的效果进行研究，主要是将复合地基土的承载力特征值充分获取，在现场开展对应的荷载试验，判断其加固后的荷载效果，其试验结果如表1、表2 所示。

表1 单桩竖向抗压静载试验结果

根据表1、表2 结果分析可发现，根据试验规程对桩基进行逐级增压，并持续加载到设计值的2.0 倍时，末级荷载对应的地基沉降量以及完全卸载后的地基残余沉降量均较小，回填率均在20%以上。以上情况表明，试验点地基受压尚未进入极限状态，单桩承载力及复合地基承载力特征值均有少许余量。由此可见，保定坝排涝泵站的地基运用预应力管桩可得到良好加固效果[4]。

表2 单桩复合地基静载试验结果

3.3.2 加固效果的数值模拟

对预应力管桩对地基加固效果实施数值模拟分析，整体泵站地基土层结构中包含着人工填土、粉砂、淤泥质土、粘性土、砂砾石以及粉土等，为了对数值模拟模型进行简化，根据土层的性质，主要将研究项目地基的土层划分为四种，包括人工填土、淤泥质土、粉质壤土以及砂砾石，再结合实际设计的桩间距值与桩长度值进行模型构建，主要分析预应力管桩运用后，其上部分施工与后续运行中各项参数的变化，包括桩间土变形、管桩变形以及桩土应力比的变化。各个地层的力学参数如表3 所示。

表3 各地层力学参数计算结果

3.3.3 数值模拟的计算结果分析

根据对排涝泵站主体的施工期间及施工完成之后预应力管桩、桩间土沉降情况的监测，发现其进行泵站施工与运行使用阶段，预应力管桩及桩间土的沉降量都一直处于逐渐增大状态，进行施工过程中的沉降量变化速率较稳定，因此施工节奏是均匀的，会随着上部荷载的增大而增加沉降量。但待到施工完成之后，其沉降量的速率会下滑，沉降一段时间后会逐步趋于稳定状态。在实际施工的初期阶段，管桩沉降与桩间土沉降的差值不大，这是由于上部分主体结构荷载值颇小，而施工的不断推进之后，泵站的荷载也会变大，逐渐超过桩间土的承载力，因而桩间土的变形也会更明显，速率增加，两者的沉降差值也会加大，在最终泵站施工完成时刻，预应力管桩与桩间土沉降的差值会最大，在运行泵站后，桩间土会逐渐固结，因此沉降差值也会逐渐缩小。

对预应力管桩与桩间土之间的承受荷载比值进行分析，即研究桩土应力比值，该项参数值越大则表明两者承受荷载的差值越大，在排涝泵站的施工阶段与完工阶段时，桩土应力比值的变化情况如下：开始进行泵站施工后，由于其上部荷载处于一个逐步增加的状态，而初期阶段荷载是比较小的，一般要小于桩间土的承载力，因而预应力管桩和桩间土承受荷载值基本相等，应力比也较小，但在上部荷载增加情况下，当其超过了桩间土的承载力，预应力管桩荷载值与桩间土荷载值拉大差距。在完工阶段，上部荷载会趋向于稳定，而桩间土也开始固结，承载力会比较强，因而其应力比也会开始下降。

4 结语

综上所述，保定坝排涝泵站工程地基具有软土层较厚的特点，因此其承载力无法切实保障上部建筑结构的安全，可采用预应力管桩方法进行地基加固处理，形成桩土复合结构，提高实际承载力值。由本文分析可知，在管桩施工完成后，对其现场开展荷载试验，发现其承载力可达到泵站建设的设计要求，上部泵站实际施工过程中，桩土沉降差会逐渐增大，但施工完成后沉降差值又会减小，其应力比值也是先上升后下降，整体来看，预应力管桩法在其地基加固处理中的应用具有可行性。