多型复合桩地基在泵站工程特殊软土地基处理中的运用

史学哲

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230022）

1 安徽省软土地基特点及主要处理方式

安徽省境内软土地基主要是淤泥和淤泥质粘土，为河湖相沉积，在安徽省长江两侧圩区分布较为普遍，淤泥质土承载力特征值一般在50～90kPa左右。水工建筑物按功能和结构需要，底部通常采用筏板结构，对于中小型泵站，站身基底应力在90～140kPa 左右，相对于软土地基承载力而言，更需要采取措施避免地基破坏及较大的沉降变形。为此，一般采用桩基础和地基处理两种方案解决，其中桩基础对于规模不大的水工建筑物使用较少：一是相对造价较高，二是可能存在基础与地基沉降不协调，产生脱空现象导致地基渗透破坏。地基处理常规措施包括换填垫层、复合地基等，换填垫层法因受经济性和基坑安全性限制，一般换填深度不超过3.0m，对于深厚淤泥质土层以复合地基处理为主。

2 复合地基类型

复合地基根据成桩增强体的材料性质可以分为柔性散体材料桩（S 桩）、半刚性水泥土类桩（M 桩）以及刚性高强度类桩（C 桩）。S 桩因其分散透水特性，一般在有防渗要求的水利工程中较少使用。根据安徽省江南地区软土地基特性，采用水泥土搅拌桩复合地基处理的方式较为普遍，近年来随着工艺水平提高和工程投入的加大，预应力混凝土桩复合地基增强体使用也逐渐得到推广。

目前安徽省水工建筑物软基处理类型主要是单一的水泥土搅拌桩复合地基（少量为旋喷桩）和预应力管桩复合地基（个别工程设置一定数量的搅拌桩连续分隔墙，以增加软土侧限压力）。若地基存在多层软土，即不同深度存在相对硬土层，仅采用搅拌桩，较难穿透中间硬土层，在合理桩距下，因桩长难以达到设计值，或即便穿透，桩长过大，成桩质量难以保证，复合地基或仍存在承载力不足、沉降量过大的情况；若采用管桩复合地基，投资相对较大。因此，对于符合上述特征的软土地基，把两种桩型组合使用，既能减少搅拌桩用量，缩短工期，也能减少管桩数量，节约投资；既能利用低成本的搅拌桩提高上部软土承载力、减小淤泥质土的灵敏度，又可利用管桩高强度、低压缩的特点提高地基整体承载力、减小基础沉降量。本文以芜湖市区广福排涝泵站为例，介绍了多桩型复合地基的设计过程。

3 多桩型复合地基运用及效果

3.1 工程概况

芜湖市广福电力排灌站为重建泵站，位于芜湖长江大桥上游约800m 处长江右岸，排涝出水涵穿长江大堤。泵站为Ⅲ等中型工程，抽排流量为37.1m3/s，总装机3830kW。泵站采用两侧进水、正向出水，枢纽主要建筑物有进水闸（左右侧）、前池、站身、汇水箱排涝出水涵闸。

3.2 站身稳定复核结果

3.2.1 站身结构布置

广福泵站采用堤后式干室型泵室，设计装机6台，其中4 台1600ZLB 型机组对称布置于两侧，2台1000ZLB 型布置于泵站中部，机组在平面上呈一列式布置。泵房平面根据机组数量及流道长宽决定，总宽度30.0m，顺水流向总长16.6m；泵房立面根据部位和功能分层，泵室流道层底板底高程-2.00m，检修层顶高程9.0m，主厂房顶高程21.2m，则下部泵室高11.0m，上部厂房高12.2m。

3.2.2 站身地质条件

广福站站身地基上部是以②1层和②2层（淤泥质）重粉质壤土为主的全新统第四系冲积层（Qal4），软-流塑，中-高压缩性，②1层结构性主要为中灵敏性，局部极灵敏性；下部是以③1、③2和③3重（轻）粉质壤为主的第四系上更新统冲积层（Qal3），可-硬塑状，中等压缩性，其中③2层轻粉质壤土局部夹粘性土薄层，允许承载力为120kPa，属于相对软弱土层。已揭露站身地基底部为石英闪长岩。

3.2.3 泵站稳定计算

考虑作用在站身的荷载主要有：自重、静水压力、扬压力、土压力和其他荷载。根据泵站各运行工况下的荷载组合，站身在非运行期上下游低水位时基底应力最大，σmax=122.8kPa，σmin=113.6kPa。建基面以下淤泥质重粉质壤土承载力仅75kPa，标贯击数1.4 击，根据《泵站设计规范》（GB50265-2010）规定“标准贯入击数小于4 击的粘性土地基和标准贯入击数小于或等于8 击的砂性土地基均不得作为天然地基”。

3.3 地基处理设计

按照稳定复核结果，站身筏板基础直接坐落于淤泥质重粉质壤土层上可能会产生地基剪切破坏导致站身倾覆、下沉，或者产生较大的沉降（差）导致泵站无法正常运行。因此须调整站身基础型式或进行地基处理，使得上部荷载作用于坚实地基上。考虑采用桩基础易产生地基脱空而需另行考虑围封截渗措施，根据经验一般采用复合地基。

广福站站身地基上部层软土层厚度约8.0m，与下部③2层软土间隔有厚约2.0m 的③1层重粉质壤土，符合存在多层软土的地基特征。设计分别采用水泥土搅拌桩、管桩以及长、短桩结合的多桩型复合地基（采用水泥土搅拌桩和预应力管桩作为增强体）进行比较，桩顶设置0.4m 厚埋石混凝土垫层。

水泥土搅拌桩复合地基：地基上部软土分布属水泥搅拌桩属于适宜深度，水泥（质量）掺入比18%，搅拌桩直径为0.6m，桩距1.0m，桩端进入③1重粉质壤土1.0m，平均桩长8.0m。

预应力管桩复合地基：采用预应力高强混凝土管桩（PHC 桩），直径为0.4m，桩距2.5m，桩底以进入③3重粉质壤土层1.0m，平均桩长15.5m。

多桩型（长、短桩）复合地基：管桩和搅拌桩间隔布置，预应力管桩直径为0.4m，桩距3.0m，平均桩长15.5m；搅拌桩直径为0.6m，桩距1.5m，平均桩长8.0m。多桩型布置如图1。

图1 多桩型复合地基布置图

图2 单桩竖向静载荷试验曲线图

单一桩型复合地基承载力特征值按下式计算：

多桩型（长端桩）复合地基承载力特征值按下式计算：

式中：m—桩的面积置换率；λ—单桩承载力发挥系数；β—桩间土的承载力系数；αp—桩端端阻力发挥系数。

单桩承载力特征值按下式计算：

桩身强度应满足下式要求：

地基各土层桩基设计参数见表1。

根据《芜湖镜湖区广福电力排灌站桩基承载力及桩身质量检测报告》，水泥搅拌桩和预应力管桩单桩承载力特征值分别为110kN 和460kN，相应的单桩竖向静载荷试验曲线见图2。根据单桩承载力计算的复合地基承载力及各型复合地基特性表见表2。

根据理论计算和多个工程沉降观测数据可知，水泥土搅拌桩复合地基因其提高各层土的承载力压缩模量有限，基础沉降值较大，若施工质量控制不严，泵站后期产生有害沉降的可能性较大；管桩复合地基虽然大幅降低基底沉降，但因表层淤泥质土灵敏度高，受管桩施工扰动，土体可能产生与基础脱空的情况。多桩型复合地基既能解决承载力和沉降量的问题，又能充分固化上部软土，避免软土与地基沉降不协调。

表1 地基各土层桩基设计参数表

表2 各型复合地基特性及工程量投资比较表

4 结语

根据软土地基特性选择适合的复合地基处理方式，能达到节约投资、节省工期的作用。经案例工程站身地基处理方案比较，采用半刚性桩（M 桩、短桩）和刚性桩（C 桩、长桩）联合使用，分别利用各桩型优点达到提高基底软土承载力的目的。M桩利用其经济性优势，固化表层淤泥质软土，提高淤泥质土压缩模量、降低灵敏度；C 桩利用强度和长度优势，使基础间接坐落于底部承载力较高土层，提高加固土层压缩模量，减小上部建筑沉降量■