深層水泥攪拌樁在大型泵站地基處理中的應(yīng)用

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1、概述

    太浦河泵站位于江蘇省吳江市太浦河上已建的太浦閘南側(cè)，是太浦河工程的重要組成部分，其修建目的主要是解決枯水年份太湖水位較低時(shí)抽取太湖水向下游上海市供水300m³/s，以改善上海水質(zhì)。     主泵房內(nèi)布置6臺斜15°單機(jī)50m³/s的斜軸泵，底板長84.87m，寬（順?biāo)鞣较颍?0.45m，采用二機(jī)一縫的布置，泵房底板共分三塊，單塊底板長度為22.50m。進(jìn)水側(cè)底板底高程-8.05m，出水側(cè)底板底高程-6.45m，底板厚2m。安裝間布置在泵房的北端，在泵房的南端布置一座35kV變電站。     主泵房建基面在粉質(zhì)粘土上，土層物理力學(xué)指標(biāo)較低，天然地基無法滿足泵房上部結(jié)構(gòu)對地基的強(qiáng)度和變形要求，必須進(jìn)行地基處理。     2、工程地質(zhì)條件     場地區(qū)地層為巨厚（大于100m）第四紀(jì)河湖相、海相及沼澤相等沉積層，無活動(dòng)斷裂構(gòu)造分布，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，地震基本烈度為Ⅵ度。場地區(qū)土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。     泵房建基于⑤層土上，⑤層為灰色粉質(zhì)粘土，標(biāo)貫擊數(shù)小于4，壓縮系數(shù)0.38Mpa^-1，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為105Kpa，且⑤層屬高～中壓縮性土，天然地基不能滿足泵房上部結(jié)構(gòu)對地基的強(qiáng)度和變形要求，由于軟土厚度較大，不宜用換（填）土處理。同時(shí)對⑥層下伏軟弱下臥層需進(jìn)行強(qiáng)度及變形驗(yàn)算。 表1   地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo) 層號 土層名稱 土層 厚度 m 濕密度 (kN/m³) 天然孔隙比 天然含水量(%) 塑性 指數(shù) I_P 液性 指數(shù) I_L 壓縮模量 (MPa) 地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值(KPa) ③₁ 粉質(zhì)粘土 0.4~3.1 20.0 0.74 26.7 19.4 0.36 8.6 255 ③₂ 粉質(zhì)粘土 0.3~5.1 19.4 0.84 30.5 14.4 0.68 9.4 150 ③₃ 砂壤土 0.9~5.2 19.0 0.88 32.3 9.2   14.4 120 ④₁ 輕砂壤土 1.5~3.1 19.0 0.90 33.4     18.9 120 ⑤ 粉質(zhì)粘土 4.4~7.5 19.0 0.94 34.8 13.9 1.07 5.3 105 ⑤’ 粉質(zhì)粘土與粉質(zhì)砂壤土互層   18.8 0.96 35.7 9.2   7.1 110 ⑥ 粉質(zhì)粘土 4.0~6.5 20.5 0.65 23.5 20.3 0.10 13.7 300 ⑦₁ 重粉質(zhì)粘土 0.4~3.0 19.6 0.77 27.7 13.5 0.5 12.6 200
    3、泵房地基處理設(shè)計(jì)     3.1地基處理方案     泵房地基應(yīng)力計(jì)算以二機(jī)一聯(lián)段作為計(jì)算單元，經(jīng)過計(jì)算，控制工況為完建工況，泵房在控制工況時(shí)基底應(yīng)力最大值為198.9 kPa，最小值為135.3 kPa，平均地基應(yīng)力為167.1kPa，超過⑤層土的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值。對⑤層土進(jìn)行寬度修正以后的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為128.96 kPa，亦不能滿足設(shè)計(jì)要求。⑤層下部為⑥層棕黃、灰綠色粉質(zhì)粘土，該土層厚約5.2m，土質(zhì)均一，呈硬塑狀態(tài)，屬中壓縮性土，其地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為300kPa，是泵房基礎(chǔ)較好的淺層持力層。     設(shè)計(jì)考慮了三個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，方案一：預(yù)制鋼筋混凝土方樁方案；方案二：灌注樁方案；方案三：水泥攪拌樁方案。方案投資比較見表2。根據(jù)規(guī)范可知，水泥攪拌樁一般適用于軟弱粘性土和粉性土地基，由于受攪拌機(jī)械攪拌能力的限制，一般不適用于地基承載力設(shè)計(jì)值大于120kPa的粘性土和粉性土，而⑤層灰色粉質(zhì)粘土經(jīng)寬深修正，其承載力設(shè)計(jì)值達(dá)128.96kPa，但經(jīng)過室內(nèi)水泥土試驗(yàn)，⑤層土經(jīng)攪拌以后能達(dá)到很好的加固效果，可滿足設(shè)計(jì)的要求。經(jīng)過綜合比較，方案三因其投資省、抗?jié)B效果好以及能較好地適應(yīng)地基變形等優(yōu)點(diǎn)而被選為推薦方案。 表2    泵房地基處理方案比較表 方    案 名 稱 單 位 主要工程量 投資(萬元) 預(yù)制鋼筋混凝土方樁 混凝土 m3 1441.4 268.0 鋼筋 t 282.8 混凝土灌注樁 混凝土 m3 1950.8 314.4 鋼筋 t 160.6 深層水泥攪拌樁 水泥攪拌樁 m3 7729.4 196.4
    3.2地基處理設(shè)計(jì)     水泥攪拌樁樁型采用雙頭攪拌樁（斷面為2個(gè)直徑0.7m搭接0.2m的復(fù)合樁），固化劑采用425^#普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量選用15%，設(shè)計(jì)樁長6.5～8.1m，進(jìn)入⑥層持力層0.5～1m。     3.2.1水泥攪拌樁單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值確定     根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-91），單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下列二式計(jì)算，并取其中的較小值。                                            式中，η為強(qiáng)度折減系數(shù)；為室內(nèi)加固土試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值；Ap為樁的截面積；為樁周土的平均摩擦力；q_p為樁端天然地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值；α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)；Up 為樁周長；l為樁長。     根據(jù)本工程的“水泥土檢測試驗(yàn)報(bào)告”，水泥摻量為15%，齡期為90天的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度=2.31MPa，樁長考慮伸入持力層0.8m~1m，經(jīng)計(jì)算，單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值由摩擦樁控制=322.8kN。     3.2.2復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值確定及樁位布置     根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-91），復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值由下式計(jì)算：     式中，f_s,k為樁間天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值；β為樁間土承載力折減系數(shù)（本工程取0.1）；m為面積置換率。     經(jīng)計(jì)算，面積置換率m=41.2%時(shí)復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值=196kPa。根據(jù)泵房地基應(yīng)力分析，平均地基應(yīng)力 kPa <，最大地基應(yīng)力<1.2=235.2kPa，滿足規(guī)范要求。     布置水泥攪拌樁時(shí)考慮了群樁橫截面的重心和荷載合力作用點(diǎn)一致的原則，在泵房的上游側(cè)，樁中心間距為1.2m×1.4m，在下游側(cè)樁中心間距為1.2m×1.525m?？紤]泵房地基的抗?jié)B要求，上、下游側(cè)第一排水泥攪拌樁布置成連續(xù)壁狀，搭接0.2m，在主泵房地基外圍布置了應(yīng)力擴(kuò)散樁。樁位布置剖面圖見圖1。     在施工圖階段，對泵房集水井布置進(jìn)行了優(yōu)化。集水井由原來的大開挖方案優(yōu)化為水泥攪拌樁垂直支護(hù)方案，集水井采用垂直開挖，一方面節(jié)約了土建工程量，另一方面，臨近集水井的工作面由斜坡面改為水平面，方便了工程施工。     3.2.3下臥層地基驗(yàn)算     因水泥攪拌樁置換率較大且為摩擦樁型，因此按群樁作用的原理，對下臥層地基進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)將攪拌樁和樁間土視為一個(gè)假想的實(shí)體基礎(chǔ)，考慮假想實(shí)體基礎(chǔ)側(cè)面與土的摩擦力，驗(yàn)算假想基礎(chǔ)底面的承載力。加固地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值R_sp采用控制工況的平均地基應(yīng)力167.1kPa，實(shí)體基礎(chǔ)的水下容重取8.8kN/m³，經(jīng)計(jì)算假想基礎(chǔ)底面的應(yīng)力Pa =217.35kPa。

 

   
    其下⑥層土的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值R_k=300kPa，經(jīng)修正后的實(shí)體基礎(chǔ)底面的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值R=348.4kPa，Pa＜R，可見在上部荷載作用下下臥土層承載力能滿足要求。

 

圖1  水泥攪拌樁布置剖面圖     3.2.4泵房基礎(chǔ)地基變形驗(yàn)算     泵房地基最終沉降量由復(fù)合土層的壓縮變形值S₁和樁端以下未處理土層的壓縮變形值S₂組成。S₁按下式計(jì)算。     式中，p為樁群體頂面的平均附加應(yīng)力；p_o為樁群體底面土的附加壓力；E_o為樁群體的變形模量；為加固地基的深度。     樁端以下未經(jīng)處理土層的壓縮變形值S₂按下式計(jì)算：     式中，e_1i、e_2i為基礎(chǔ)底面以下第i層土在平均自重應(yīng)力及平均自重應(yīng)力加平均附加應(yīng)力作用下由壓縮曲線查得的相應(yīng)孔隙比；h_i基礎(chǔ)底面以下第i層土的厚度。     經(jīng)計(jì)算，控制工況時(shí)S₁=1.2cm、S₂=8.22cm，泵房的最終沉降量S_∞=S₁+S₂=9.42cm，小于有關(guān)規(guī)范建議的沉降量控制范圍10~15cm，滿足地基的變形要求。     4、成樁試驗(yàn)     試驗(yàn)的目的是為了進(jìn)一步了解施工區(qū)域的水文地質(zhì)條件對攪拌樁施工的影響程度，并確定如水泥漿的配合比、攪拌提升速度、復(fù)攪深度、注漿壓力及電機(jī)工作電流等施工參數(shù)。     4.1水泥土室內(nèi)配合比試驗(yàn)     通過水泥土室內(nèi)配合比試驗(yàn)確定水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量及水灰比的關(guān)系。試驗(yàn)時(shí)，在實(shí)地取5層土樣和拌和水，按水泥摻入比15%、水灰比0.5、0.6、0.7分別制作70.7×70.7×70.7mm的標(biāo)準(zhǔn)水泥土試塊,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)7天后做水泥土試塊抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2-1示。表中水泥土90d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式q_u,7=（0.3～0.5）q_u,90推算得到。由表2-1可知，三種不同水灰比的水泥土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都滿足達(dá)到90d標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度2.31Mpa的30~50%（0.69~1.16Mpa）的要求。 表3   水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì) 序號 水灰比 水泥摻入比 7d強(qiáng)度q_u,7 （Mpa） q_u,7/q_u,90 （%） 1 0.5 15% 1.3 56.3 2 0.6 15% 1.2 51.9 3 0.7 15% 1.0 43.3       4.2成樁試驗(yàn)     施工機(jī)械選用SJB-II型深層水泥攪拌機(jī)，水泥摻入比α_w=15%，水灰比按0.50、0.55、0.60、0.65分別進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)樁選擇底板外的擴(kuò)散樁，實(shí)際共做試驗(yàn)樁22根，最終確定攪拌樁的施工參數(shù)：     （1）水泥摻入比α_w=15%，單樁水泥用量不小于200kg/m；     （2）漿液比重不小于1.755kg/l，水灰比約為0.65；     （3）噴漿提升速度不大于0.5m/min，預(yù)攪下沉速度0.6～0.7m/min（不大于2m/min）；     （4）噴漿口噴漿壓力0.4～０.6Mpa；     （5）樁尖標(biāo)高按進(jìn)入持力層6土層的深度不小于30cm（可根據(jù)工作電流的變化判斷是否已進(jìn)入持力層）且不得高于▽-13.1m控制。     5、深層攪拌樁施工     5.1施工機(jī)具及配套機(jī)械     共采用6臺SJB-II型深層攪拌機(jī)同時(shí)施工，每臺攪拌機(jī)配置灰漿攪拌機(jī)、灰漿泵、電氣控制柜、自動(dòng)流量計(jì)各一臺及其他輔助設(shè)備。     5.2施工工藝     （1）定位：攪拌機(jī)就位、對中；     （2）預(yù)攪下沉：啟動(dòng)攪拌機(jī)電機(jī)，放松卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩，使攪拌機(jī)沿導(dǎo)向架切土下沉；     （3）制備水泥漿：待攪拌機(jī)開始下沉即可開始按成樁試驗(yàn)確定的配合比制備水泥漿；     （4）噴漿提升：攪拌機(jī)下沉到達(dá)最大深度后，開啟灰漿泵開始噴漿攪拌提升；第一次噴漿量應(yīng)控制在單樁總漿量的50%左右；     （5）重復(fù)攪拌下沉；     （6）重復(fù)噴漿攪拌提升：攪拌機(jī)提升到樁頂標(biāo)高時(shí)，漿液應(yīng)若有剩余，可在樁身上部1~1.5米范圍內(nèi)重新攪拌噴漿；不得出現(xiàn)攪拌頭未到樁頂，漿液已噴完的現(xiàn)象；     （7）上下往返復(fù)攪一次；     （8）關(guān)閉機(jī)械；     （9）重復(fù)上述步驟，開始下一根樁施工。     6、施工質(zhì)量控制與檢驗(yàn)     6.1施工質(zhì)量控制     （1）基礎(chǔ)底面以上至少留有50cm厚的土層，以保證噴漿攪拌至少高出基礎(chǔ)底板底面高程50cm；     （2）施工期間應(yīng)控制地下水位高程低于操作面2米以上；     （3）預(yù)攪充分，以利于土和水泥漿均勻攪拌；     （4）嚴(yán)格按預(yù)定配合比配置水泥漿液，并定期抽查；     （5）保證足夠的注漿壓力；必須使用自動(dòng)流量計(jì)控制實(shí)際噴漿量；     （6）控制噴漿攪拌提升速度，段漿量（l/m）要均勻；     （7）考慮到樁頂與基礎(chǔ)底板接觸部分受力較大，因此對樁頂1~1.5米范圍應(yīng)加強(qiáng)攪拌，確保樁頭的均勻密實(shí)；     （8）連鎖樁施工時(shí)，相臨樁的施工間隔不得超過24小時(shí)。     6.2質(zhì)量檢驗(yàn)     （1）輕便觸探試驗(yàn)     按2%的比例共做了40組樁身7天強(qiáng)度的輕便觸探試驗(yàn)，試驗(yàn)指標(biāo)N10擊數(shù)100mm都在30擊以上，大于原狀土平均擊數(shù)14.6擊的兩倍，表明攪拌樁的現(xiàn)場強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。     （2） 靜載荷試驗(yàn)     采用慢速荷載維持法共做了7組單樁靜載荷試驗(yàn)和6組單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：（1）單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于667KN，大于設(shè)計(jì)要求的660KN；（2）單樁復(fù)合地基承載力大于設(shè)計(jì)要求的最大加荷量380Kpa。 表4    單樁靜載荷試驗(yàn)成果匯總表 序號 最大加載量 （KN） 最大沉降 （mm） 回彈量 （mm） 回彈率 （%） 極限承載力（KN） 1 660 17.06 5.15 30.19 ≧660 2 660 24.47 8.23 33.63 ≧660 3 660 9.03 3.49 38.65 ≧660 4 660 8.34 3.99 47.84 ≧660 5 660 39.33 6.74 17.14 ≧660 6 660 61.91 11.16 18.03 ≧660 7 792 19.16 5.61 29.28 ≧792 表5     單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)成果匯總表 序號 最大加載量 （KN） 最大沉降 （mm） 回彈量 （mm） 回彈率 （%） 極限承載力（KN） 1 700 17.50 8.20 46.86 ≧700 2 640 13.90 6.45 46.40 ≧640 3 700 12.31 5.91 48.01 ≧700 4 700 24.27 7.11 29.30 ≧700 5 640 37.36 8.52 22.44 ≧640 6 640 9.04 7.21 79.76 ≧640       注：1、底板上、下游單樁承載面積分別為1.4m×1.2m和1.525m×1.2m，設(shè)計(jì)要求最大加載量為380Kpa，經(jīng)換算得上下游最大加載量分別為640KN和700KN；       7、結(jié)束語     太浦河泵站目前為國內(nèi)總流量最大的斜軸伸泵泵站，水泥攪拌樁經(jīng)單樁和復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求，施工期初步觀測表明，地基沉降在允許范圍以內(nèi)，可見水泥攪拌樁的地基處理方式是合適的、可行的，同時(shí)對地基承載力設(shè)計(jì)值比較大的粘性土和粉性土，可通過加強(qiáng)施工成樁試驗(yàn)，合理調(diào)整施工機(jī)械和有關(guān)參數(shù)，加強(qiáng)水泥用量的計(jì)量，可以確保水泥攪拌樁的質(zhì)量?？傊?，水泥攪拌樁在太浦河泵站工程中的成功應(yīng)用，為今后的類似工程提供了借鑒。