深層水泥攪拌樁在大型泵站地基處理中的應(yīng)用

申請免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

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。同時對⑥層下伏軟弱下臥層需進(jìn)行強(qiáng)度及變形驗算。 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     3.1地基處理方案     泵房地基應(yīng)力計算以二機(jī)一聯(lián)段作為計算單元，經(jīng)過計算，控制工況為完建工況，泵房在控制工況時基底應(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)計考慮了三個方案進(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)計值達(dá)128.96kPa，但經(jīng)過室內(nèi)水泥土試驗，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     水泥攪拌樁樁型采用雙頭攪拌樁（斷面為2個直徑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“水泥土檢測試驗報告”，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)計算，面積置換率m=41.2%時復(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)行驗算。驗算時將攪拌樁和樁間土視為一個假想的實體基礎(chǔ)，考慮假想實體基礎(chǔ)側(cè)面與土的摩擦力，驗算假想基礎(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，實體基礎(chǔ)的水下容重取8.8kN/m³，經(jīng)計算假想基礎(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)計算，控制工況時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     試驗的目的是為了進(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     通過水泥土室內(nèi)配合比試驗確定水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量及水灰比的關(guān)系。試驗時，在實地取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。試驗結(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)度試驗結(jié)果統(tǒng)計 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     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。試驗樁選擇底板外的擴(kuò)散樁，實際共做試驗樁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、自動流量計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，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     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；必須使用自動流量計控制實際噴漿量；     （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；     （8）連鎖樁施工時，相臨樁的施工間隔不得超過24小時。     6.2質(zhì)量檢驗     （1）輕便觸探試驗     按2%的比例共做了40組樁身7天強(qiáng)度的輕便觸探試驗，試驗指標(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)計要求。     （2） 靜載荷試驗     采用慢速荷載維持法共做了7組單樁靜載荷試驗和6組單樁復(fù)合地基靜載荷試驗。試驗結(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)計要求的660KN；（2）單樁復(fù)合地基承載力大于設(shè)計要求的最大加荷量380Kpa。 表4    單樁靜載荷試驗成果匯總表 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，滿足設(shè)計要求，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，同時對地基承載力設(shè)計值比較大的粘性土和粉性土，可通過加強(qiáng)施工成樁試驗，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。