季庄泵站厂房区湿陷性黄土基础处理效果试验分析

李 松

（山西省滹沱河坪上水利工程管理局 山西太原 030002）

1 工程概况

季庄加压泵站是山西省坪上应急引水工程的分水枢纽，位于定襄县季庄西北，厂房区主要有主厂房、副厂房和进水池组成。

该泵站主厂房长30 m、宽12 m，采用砖混，外包排架柱，单层布置。下部为现浇钢筋混凝土泵坑，长30.74 m、宽12.74 m，泵坑底板厚0.8 m。

副厂房位于主厂房出水管侧，长30 m、宽9 m，采用单层砖混结构，由中控室、空压机室、低压开关室、高压开关室、电容器室、值班室等组成。

进水池与消防池位于主厂房进水管侧，采用钢筋混凝土结构，长30.0 m，宽4.5 m，池中设计水深2.8 m，池顶混凝土盖板厚0.15 m。

2 复合地基处理

季庄泵站站址地面呈台阶状，基础发育地层属于第四系上更新统坡洪积物、淡黄色的低液限粉土，结构比较松散、硬朗，稍干。土颗粒较细且均匀、具大孔隙，夹杂低液限黏土、含细粒土透镜体以及表层发育根系等，厚度大于15.0 m。基础下部属于低液限黏土，夹杂低液限粉土透镜体。该厂区湿陷性黄土基础含水率 6.0%～14.5%，干密度 1.24～1.48 g/cm3，孔隙比 0.80～1.065，压缩系数 0.11～0.93 MPa-1，属于中高压缩自重湿陷性土质，湿陷等级为Ⅲ级，地基承载力为80～120kPa。

湿陷性黄土地基承载力特征值不能满足上部建筑物安全要求。本工程依据设计采用3∶7灰土挤密桩对湿陷性黄土基础进行了复合处理，以提高泵站厂房区地基承载力。泵站厂房区基坑开挖边坡为1∶0.75，挤密桩按照等边三角形布置，桩体直径为450 mm，桩距为1.4 m，处理范围至进水池、主厂房基础的底部外缘5.0 m，桩孔采用消石灰与土的比例为3∶7的灰土分层回填、分层夯实。桩顶以上再填筑厚度为0.5 m的3∶7灰土垫层至建基面。复合地基承载力设计值要求不小于120 kPa。灰土挤密桩的桩间相对位置见图1。

图1 3∶7灰土挤密桩桩间相对位置图

3 复合地基承载力试验

3.1 试验布置

承载力检测试验的目的是校验季庄泵站厂房区3∶7灰土挤密桩复合地基承载力能否满足设计要求。该试验加荷原理是利用千斤顶把上部压重转化为反作用力传递到承压板，再通过承压板将荷载传递到复合基础试验部位，荷载调节及反力系统包括千斤顶、荷载平台、承压板和配重。荷载调节装置选用500 kN液压式千斤顶；承压板选用边长为1.0 m、厚0.3 m的C30混凝土方形预制块；载平台选用组合钢梁，其中主梁为3根长5 m的25#工字钢平行布置，侧边梁为2根长3 m的25#工字钢；配重选用10根长3 m、宽0.5 m、厚0.4 m的预制混凝土块。

试验过程中用基准梁和百分表进行系统沉降观测。在承压板上两个正交直径方向对称安置4个百分表。安置的时候经万能表架固定在2根长6m的工字钢基准梁上。百分表的量程为50 mm、精度为0.01 mm。每次调节荷载前、后均读取并记录承压板沉的降量，30 min读记一次。观测1 h内的沉降量小于0.1 mm的时候增加至下一级荷载，每级荷载时间间隔不小于2 h。复合地基承载力试验装置示意图详见图2。

本试验在主厂房、副厂房和进水池各选取一个挤密桩体J1#、J2#、J3#点进行单桩复合地基荷载试验。选定好J1#、J2#、J3#点荷载试验位置后布设载重支撑、荷载平台和配重。在荷载试验位置铺设150 mm厚中粗砂找平，找平层上部平铺承压板。承压板底面高程同基础地面的设计高程一致。承压板与荷载平台之间安置液压千斤顶。试验过程中用液压千斤顶垂直施加荷载，压力表同步量测并记录，压力表量程为60MPa、精度为0.4级。本次试验最大荷载增加至340 kPa，每级增加荷载值为最大荷载值的1/10，具体分级值见表1。

表1 灰土挤密桩复合地基增加荷载分级统计

图2 复合地基承载力试验装置示意图

3.2 试验成果

该试验在厂房区J1#、J2#、J3#点的最大荷载均为340 kPa，最终沉降量分别为 13.59 mm、18.79 mm、12.68 mm，卸载后残余沉降分别为9.38 mm、14.67 mm、9.07 mm。通过绘制观察J1#、J2#、J3#的荷载P与沉降s关系的曲线（详见图3），均呈圆滑形，特征点并不明显，且无明显的沉降段。该试验压力-沉降曲线（P-s曲线）无比例界限，根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012），取s/b=0.008（其中s为静荷载试验承压板沉降量，b为承压板宽度）确定复合地基承载力特征值，J1#、J2#、J3#点沉降量为8 mm时对应的荷载值约为 220 kPa、180 kPa、270 kPa，但同时应满足地基承载力的特征值不应大于最大承载力的一半，本试验最大加载值均为340 kPa，三处试验点复合地基承载力特征值确定为170 kPa，大于设计要求承载力120 kPa。

图 2 J1#、J2#、J3#P-s曲线

4 土工试验检测

本次土工试验检测内容包括三七灰土挤密桩桩体压实度和桩间挤密密实度。

探井采用人工开挖和取样，在复合基础分散4个布设取土探井分别记为T1、T2、T3和T4，探井挖掘深度为有效桩顶标高以下9～10 m，探井自有效桩顶标高下部1.15 m开始，间隔1.0 m取试样一组，每组2个土样，其中在距挤密桩孔心2/3孔半径处取1个挤密桩桩体灰土样检测桩体夯实效果，在等边三角形布置的挤密桩三角形形心处取1个桩间素土土样检测桩体间挤密效果。

4.1 灰土挤密桩桩体夯实效果

三七灰土桩体试样通过土工轻型标准击实试验，确定最大干密度ρdmax为1.48 g/cm3、最优含水率ωop为13.8%。桩体试样干密度ρd及相应压实系数λc统计详见表2。

表2 厂房三七灰土桩体夯实主要技术参数

观察数据可知，该试验三七灰土桩体试样干密度ρd最小值位于试样T1点深1.15m处和T4点深3.15m处，最小干密度为1.34 g/cm3。最大值位于T2点深9.15 m处，最大干密度为1.63 g/cm3，干密度平均值为1.43 g/cm3；相应压实系数λc最小值为0.91，最大值为1.10，压实系数平均值为0.96。

4.2 灰土挤密桩桩间土挤密效果

通过土工轻型标准击实试验，确定灰土挤密桩桩间素土试样最大干密度ρdmax为1.72 g/cm3，最优含水量ωop为12.9%。桩间土试样干密度ρd及相应挤密系数ηc统计详见表3。

观察数据可知，灰土挤密桩桩间土样干密度ρd最小值位于试样T4点深1.15m处，最小干密度为1.50g/cm3。最大值位于T4点深7.15m处，最大干密度为1.73g/cm3，干密度平均值为1.57 g/cm3。相应挤密系数ηc最小值为0.87，最大值为1.01，挤密系数平均值为0.91。

表3 厂房桩间土挤密主要技术参数

湿陷性黄土基础干密度为1.24～1.48 g/cm3。根据土工试验结果，在季庄泵站厂房区按设计要求经三七灰土挤密桩复合地基处理的深度范围内，地基土的主要物理力学性质指标较处理前有较大提高，满足设计承载力要求。

5 结语

湿陷性黄土软基基础承载力较差，不能安全承载上部水工建筑物，本工程选用三七灰土挤密桩的方式对季庄泵站湿陷性黄土软基进行复合处理，并通过荷载及土工试验，确认了该复合地基承载力满足设计不小于120 kPa的要求，且物理力学性质指标较处理前有较大提高，也为以后类似湿陷性黄土软基基础的处理提供了参考依据。