东部地区某泵站泵房基础设计

辛利春，赵 喆，胡世喜

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

1 工程概况

某泵站位于我国安徽省中南部，站区软弱土层厚度大，具有低承载力、高压缩性的工程特性，局部地层含有浅层天然气体，在上部荷载作用下将产生过大的沉降或不均匀变形，从而危及建筑物安全。淤泥质土层不易排水，固结缓慢，因沉降引起的安全问题较为突出。本文旨在通过对该泵站地基处理设计过程的阐述，为我国东部同类地区泵站泵房基础设计提供一些思路。

1.1 工程规模

工程项目所在地位于县城新规划的工业园区，总排涝面积15.5 km2，主要建筑物有排水沟、排涝泵站和水闸，排水沟总长30.6 km，其中某排涝泵站工程等别为Ⅲ等，泵站规模为中型，主要建筑物级别为3级，装机2 840 kW。

泵房采用堤后湿室型，上部为钢筋混凝土框架结构，下部为钢筋混凝土墩墙结构[1-2]。泵房采用一块大底板，底板顺水流向长19.0 m，垂直水流向宽24.70 m，平面上将泵室和出水段整体连接布置其上，立面上泵室段分为电机层、检修层、水泵层3层，出水段分为配电间、抽排出水流道2层。

1.2 工程地质

工程区地处扬子准地台下扬子台褶带南京凹陷褶皱束之无为凹陷区，区内地表广泛出露第四系松散堆积层，下伏地层为白垩系-第三系(K-R)基岩。根据工程区相关工程项目的地质勘察资料，勘探深度范围内揭露地层主要为第四系全新统粉质粘土、淤泥质粉质粘土及粉土、细砂，或粘性土与砂性土互层。

淤泥质粉质粘土、粉土、细砂，灰-青灰色，相间分布，具多个沉积韵律。上部夹薄层粘性土，下部夹少量极细砂，本层自上而下砂粒成分呈渐增趋势，强度也从松散-稍密。

除地表灰黄色粉质壤土层外，以上各层不同程度含有沼气，一般粘性土层中为产气层，砂性土层为储气层。产气层以软塑-可塑状的粉质粘土为主。除有限的地段外，一般沼气含量都不大。

按有关规范和技术要求[3]，并类比有关工程，推荐场地各土层湿密度、渗透系数、地基承载力标准值fk、压缩模量Es值、饱和快剪强度成果见表1。

表1 各土层物理力学性质推荐值表

2 基于实体建模的泵房稳定计算方法

进行泵房整体稳定计算时，应对泵房端部及流道下部空腔回填料密度值及泵房底板大体积混凝土体型作多次调整，使基底形心轴力矩值尽量减小，为使计算结果精确，可对泵房结构采用AutoCAD进行整体建模，机电设备则采用简化处理，假定设备构件在横截面轮廓范围内均质，纵轴方向对称，建基面形心及构件重心位置用CAD三维实体(面域)特性查询功能直接求出，其中水泵及电动机(包括水推力)近似按中心对称考虑。

泵房主体混凝土结构、轻质回填料、墙体、运行期及检修期进水室与流道水体采用CAD查询数据直接计算求得。机电设备、扬压力、水压力、土压力、风压力与浪压力根据相关规范[4-5]公式求得。各构件自重及扬压力简图见表2。

表2 各构件自重及扬压力计算简图汇总表

某排涝泵站泵房整体稳定计算内容包括完建期、设计运行期、校核洪水期、检修期的抗滑稳定安全系数、地基应力、基础底面不均匀系数和抗浮稳定安全系数。

经计算，泵房基础抗浮、抗滑均满足规范要求[2]。地基承载力计算结果见表3。地基经处理后的承载力须满足[R]≥110.41 kPa。

表3 地基承载力计算结果汇总表

3 泵站地基处理设计

经技术经济比较分析，泵房基础处理采用在安徽地区应用比较广泛的水泥土搅拌桩[6-9]，它是利用水泥作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质复合地基。采用该法加固地基可提高地基允许承载力，减少地基沉降量，并能提高抗振动液化能力。该法具有施工进度快、振动小、无噪音和基本无污染等优点，但选用这种地基加固方法时，应根据不同的地基土质情况，精心设计，精心组织试验和施工。在保证施工质量前提下，水泥搅拌法是比较经济、可靠、快速施工的地基加固方法[10]。

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)[11]、《复合地基技术规范》(GB/T 50783-2012[12]、《地基处理手册》(第三版)[3]及其他规范[13-14]、教材[15]，利用“理正地基处理计算软件”对泵房水泥土搅拌桩复合地基进行设计计算[16]。

1)单桩竖向承载力特征值计算

(1)

Ra=ηfcuAp

(2)

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；up为桩的周长，m；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa，本处采用地勘报告中提供数据参与计算；lpi为桩长范围内第i层土的厚度，m；αp为桩端端阻力发挥系数，取为0.5；qp为桩端端阻力特征值，本处采用地勘报告中第⑥层数据，500 kPa；Ap为桩的截面积，m2；η为桩身强度折减系数，干法可取0.20～0.25，湿法可取0.25，本工程采用湿法，取0.25；fcu为与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块，边长为70.7 mm的立方体在标准养护条件下90 d龄期的立方体抗压强度平均值，kPa，根据周边工程经验，采用2 000 kPa。

2)复合地基承载力特征值计算

(3)

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；λ为单桩承载力发挥系数，取为1.0；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为桩的截面积，m2；β为桩间土承载力发挥系数，取为0.4；fsk为处理后桩间土承载力特征值。

3)搅拌桩复合土层的沉降计算

(4)

Esp=mEp+(1-m)Es

(5)

式中：s1为搅拌桩复合土层的压缩变形量，mm；pz为搅拌桩复合土层顶面的附加应力值，kPa；pzl为搅拌桩复合土层底面的附加应力，kPa；l为搅拌桩复合土层厚度，mm；Esp为搅拌桩复合土层的压缩模量，kPa；Ep为搅拌桩的压缩模量，可取(100～200)fcu，kPa；本工程取100fcu；Es为桩间土的压缩模量，kPa。

4)分析成果及结论

泵站复合地基计算成果汇总于表4。承载力计算与地基沉降计算简图分别见图1、图2。经计算，泵房基础水泥土搅拌桩桩径为0.6 m，桩间距为1.1 m，桩底深入⑥层至少0.9 m，桩长8.0 m，正方形布置，面积置换率为0.234，单桩承载力为141 kN，修正后复合地基承载力特征值为256 kPa，可以满足泵房的地基承载力要求。地基处理后，最大沉降量为117 mm，满足泵站设计要求。

图2 泵站基础沉降计算简图

4 水泥土搅拌桩基本施工工艺及注意事项

1)施工工艺流程。桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机→正循环钻进至设计深度→打开高压注浆泵→反循环提钻并喷水泥浆→至工作基准面以下0.3 m→重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度→反循环提钻至地表→成桩结束→施工下一根桩。

2)本工程施工注意事项。水泥土搅拌桩对土质中有机质含量、含水量比较敏感，桩基施工时，可能会导致浅层天然气沿桩周逸出，在水气联合作用下，桩周边软土层被扰动，甚至发生管涌，持续的冒气会造成桩周身的一部分或大部分为水气所包围，丧失其摩擦作用，并影响桩的自身稳定，施工时须引起高度重视。

桩基施工时，泵站基坑开挖深度较深，存在边坡稳定问题，一般支护措施难以保证施工安全，建议加强排水、确保桩基施工安全。

5 结 语

泵站基础无论是软塑-流塑状的淤泥质土层或上部松散的粉土层，触变性都较大，易受扰动，强度指标低，固结程度很差，抗剪强度、承载力均低，严重影响地基的稳定性，存在抗滑稳定问题。

该类地区泵站在基础开挖中会不同程度地遇到粉土或细砂层，砂层上部粘土层保留厚度过小，地下水可能渗出，不利于开挖边坡稳定，需要采取降排水措施。

在设计过程中，本着地基处理方案技术可行，造价经济，工期合理的原则，首先可根据拟定的机电设备选型成果及泵房结构尺寸进行泵房基底面应力计算，并进行泵房整体稳定计算，以论证其抗滑、抗浮是否满足规范要求，进而提出对地基承载力的基本要求，并在此基础上拟定可行的基础处理方案。