低强度素混凝土短桩在水工建筑物地基处理中的应用

摘 要：通过采用低强度素混凝土短桩解决实际工程为背景，从实用设计方法、施工工艺以及地基加固后的效果检测进行论述，证明采用该技术在水工建筑物地基处理的可行性，是值得推广应用的技术。

关键词：地基处理低强度素混凝土短桩应用

Low strength concrete short pile in foundation treatment of hydraulic structure in the application

(Bengbu City Water Conservancy Survey and Design Institute xuchang)

Abstract: through the use of low strength concrete short pile to solve practical engineering as the background, and discussed from test design method, construction technology and effect after reinforcement of foundation, proved that the technology feasibility in foundation treatment of hydraulic structure, is worthy of popularization and application of technology.

Key words: Foundation treatmentLow strength concrete short pilesappliance

中图分类号：TU471文献标识码： A

1、前言

水工建筑物很多建在低洼滩涂地或老河道处，淤泥、淤泥质土构成的软土地基比较普遍。由于这类地基土具有含水量大、压缩性高、流变性强、抗剪强度低等特性，使得地基承载力较小，易出现地基局部破坏和滑动；在外荷载作用下产生较大的沉降和不均匀沉降，以及较大的侧向变形，且沉降与变形持续的时间很长，甚至出现蠕变等，因此很难满足工程需要，一般不能直接作为天然地基使用。为满足水工建筑物地基设计要求，保证工程安全和正常使用就需对其进行地基处理。常用的方法主要有换填垫层法、强夯置换法、排水固结法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法、钢筋混凝土桩法等。本文将结合实例，介绍在中小型水利工程中有较强实用性的一种地基处理方法――低强度素混凝土短桩法。该方法施工简便、时效性强、技术可靠、经济性好，在实际运用中有较好的效果，可为类似地基处理提供一种新的思路和方案。

2、工程概况及地质条件

2.1工程概况

安徽省怀远县荆山湖行洪区茨淮新河右岸某小（1）型泵站，抽排设计流量为7.50m3/s，设计装机3台，单机功率为280kW，总装机840kW。泵站等级为小（1）型。设计采用湿室型泵房，正向进、出水布置型式。

2.2地质条件

站址处为已废弃老芡河闸，地势较低，闸上下游河道因冲刷淤积较为严重。从地质勘探资料揭示，土层主要特征从上而下简述如下：

②层淤泥质重粉质壤土(fak=60kPa)，流塑状，层厚1.90～1.60m，层底标高12.34～11.20m；

③1层重粉质壤土(fak=130kPa)，可塑状，层厚3.80～2.00m，层底标高12.04～9.41m；

③2层粉质粘土(fak=200kPa)，可塑～硬塑状，层厚10.30～4.30m，层底标高7.74～4.01m。

3、工程设计概要

工程设计时为消除安全隐患，对老闸圬工结构整体进行了拆除，并在原址处由西北向东南分别新建防洪闸、排涝穿堤涵洞、控制段、灌溉控制闸、泵室及压力水箱段、前池、进水闸等主要水工建筑物。新建水工建筑物底板高程除泵室为12.50 m、前池12.50 m~13.50 m、灌溉控制闸为16.40 m外，其余均为13.50m。主要水工建筑物天然地基均为②层淤泥质重粉质壤土。经稳定分析计算，天然地基承载力和变形均不能满足设计要求。此外，老闸拆除后基坑开挖面比新建穿堤建筑物底板超深达0.8～2.0m不等，需要进行回填。

4、地基处理方案选定

根据建筑物结构、荷载特点，地基土持力层埋深、强度情况及周边环境、施工机具的适宜性等情况，一般可选用的地基加固方案如下：

方案一：采用水泥土换填加固处理。首先对基坑开挖线范围内河道进行清淤，对所有水工建筑物底板以下淤泥质壤土进行挖除（需考虑安全超宽及扩散角影响部分），直至中等强度的重粉质壤土层，然后采用水泥土分层回填夯实至各建基面高程。

方案二：水泥土搅拌法加固处理。对基坑开挖线范围内河道进行清淤，对超挖部分采用粘土分层回填整平至各建筑物底板高程，然后采用水泥土搅拌法加固处理，形成柔性桩复合地基。

分析以上二种方案：1、水泥土换填法，由于换填土层本身仍具有一定程度的可压缩性，且工程施工过程中质量难以控制，一般该方案常用于换填厚度不大的地基处理。本工程各水工建筑物地基应力差别较大，回填土的厚度不等，最大换填度达到4.5m（灌溉控制闸），采用该方案是不合适的。2、水泥土搅拌法：强度增长速度较慢，承载力提高的幅度较小。若遇到树根、建筑垃圾等施工较难进行（本工地实验桩即难以打成），且存在搅拌均匀性差及成桩质量不稳定等问题。

经过研究，在放弃以上两种地基处理方案的情况下，设计人员结合本工程实际情况，提出了采用C15素混凝土短桩复合地基处理方案。因该桩承载力高、变形模量大、桩体质量容控制、施工方便快捷，可有效解决荷载较大水工建筑物不均匀沉降及地基承载力问题。为节省投资，对荷载较小，对沉降量要求不高的部位仍可采用水泥土换填处理。

5、低强度素混凝土短桩设计

5.1工作原理

低强度素混凝土桩的桩身材料主要为水泥、砂、石子，混凝土强度取C15以下，工作原理同CFG桩，主要是通过桩体、桩间土以及褥垫共同作用。由于具有高粘结强度，工作性能不同于散粒体组成的桩体，可以防止桩体产生侧向变形（蠕变）。在竖向荷载的作用下，桩体压缩变形小于周围土体的变形，致使压力逐渐随着地基土的变形而集中到桩体上，发挥了桩体的效应，通过调整混凝土强度等级和面积置换率改变地基的强度和变形特性。

5.2复合地基承载力计算

低强度素混凝土桩复合地基承载力标准值应通过现场复合地基荷载试验确定，也可按下式进行估算：

其中：fsp―复合地基承载力标准值；m―面积置换率, m=Ap/A；Ap―单桩的截面积； A―单桩所分担的面积；fo―天然地基承载力标准值；α―桩间土的强度提高系数（建筑地基处理技术规范该值取1），α= fk/ fo；fk――加固后桩间土承载力标准值；β―桩间土的强度发挥度，对一般工程取0.9～0.95，对重要工程或变形要求高的取0.75～0.9； Rk―复合地基中的单桩承载力标准值，按建筑地基基础规范GB50007―2002取值。

5.3复合地基沉降计算

在荷载作用下复合地基的总沉降量包含两部分：加固区的变形量S1和下卧层变形量S2。加固区的变形计算采用复合模量法。该法将加固区中的桩和土体视为一种复合土体，将加固区土层分为n层，然后采用分层总和法计算。加固区土层变形量S1表达式为：

式中：ΔPi―第i层复合土上的附加应力增量；Hi―第i层复合土层的厚度。

加固区复合土的压缩模量Ecs通常近似采用面积加权平均法计算，即

Ecs=mEps+(1-m)Ess

式中：Ecs―桩体压缩模量；Ess―桩间土压缩模量；m―复合地基置换率。

下卧层土层变形量S2采用分层总和法计算，应力计算采用等效实体法，计算公式为：

Pb=P-2h/Bf

式中：Pb――下卧层上的荷载密度；P―复合地基上的荷载密度；h―加固区厚度；

B―荷载作用面密度；f―等效实体四周侧摩阻力密度。

5.4布桩及褥垫层设计

根据上述计算公式，对低强度素混凝土短桩进行设计，成果如下：

a、桩径，采用φ450mm直径桩；

b、桩距和平面布置，通过承载力校核验算，以及底板宽度情况、回填土高度、地基条件，采用1.2m间距，在泵室及压力水箱段、控制段、灌溉控制闸、穿堤涵洞及防洪闸处采用正方形进行布置；

c、桩长，本工程采用承载力较高的粉质粘土层作为桩端持力层，通过地基沉降、承载力计算，有效桩长采用4.0m、5.0m二种情况。

d、桩体强度及配比，桩体试块标准养护28d的强度应满足：

fcu≥3Rk/ Ap

式中Rk―单桩竖向承载力标准值；Ap――桩的截面积。

本工程桩体强度，按室内混凝土强度C15进行配比，粗骨料最大粒径不大于40mm，施工坍落度宜为30~55 mm，其中水泥采用P.O 32.5。

e、褥垫层，为避免板底形成渗流通道，本工程采用厚度为30cm水泥土作为褥垫层。

5.5 低强度混凝土桩施工工艺

桩基施工前需对基坑开挖线范围内进行清基处理，待淤泥及建筑垃圾清除后采用粘土分层回填夯实至底板设计高程，然后进行试验性施工，以复核地质资料及设备工艺是否适宜。由于本工程桩长较短，施工时可采用小型旋挖钻孔打桩机成孔，该施工机械简单、工效快（本工程350根桩7日内完成）。施工工艺如下：

a、测量放样，采用网格线方式进行桩的施工定位；

b、钻进成孔，一般应先慢后快，在钻进过程中，如发现钻杆摇晃或难钻时，应放慢进尺，当钻头到达设计标高时，来回提几次钻杆扫孔清渣。钻孔成桩施工时为避免相邻成孔孔体被破坏，可采用间隔成桩；

b、严格控制混凝土塌落度，如条件允许可采用商品混凝土，质量可以保证；

c、灌注混凝土至基础设计标高，并振捣密实，每根桩的混凝土投料量不得少于设计灌注量；

d、确认成桩符合设计要求后，盖好顶，移机至下一根桩继续施工。

5.6 低强度混凝土桩复合桩基检测

复合地基处理完毕后，进行了单桩复合地基静载试验和低应变试验检测。

a、分别在出水涵洞、控制段、压力水箱、泵室等部位共布置6根单桩复合地基静载试验，试验采用“慢速维持荷载法”逐级加载，在每级荷载作用下达到相对稳定标准后施加下一级荷载。6个试验点最大试验荷载在2倍设计荷载300kPa作用下沉降比均小于0.01，均未达到极限破坏状态，检测加固后单桩复合地基承载力能够满足设计要求，设计荷载时最大沉降为4.65mm。

b、本工程共抽取76根单桩进行低应变动力质量检测，检测桩身完整能满足要求。

试验结果表明选用低强度混凝土桩对该地基进行处理是成功的。

6、结语

通过对工程的计算分析、现场测试，对低强度混凝土桩复合地基有以下几点认识：

a、低强度混凝土桩复合地基具有承载力提高幅度大、变形模量大、沉降变形小的特点，用于基底应力大、地基变形要求高的水工建筑物是可行的；

b、低强度混凝土短桩用小型旋挖钻孔打桩机成桩，施工简便，由于不放钢筋笼，施工速度快，工期短，质量容易控制；

c、为确低强度混凝土短桩承载力有效发挥，桩端必须落在力学性能好的土层中。

参考文献

⑴杨涛柔性基础下复合地基下卧层沉降特性的数值分析岩土力学（2003）

⑵叶书麟 地基处理中国建筑工业出版社（1999）

⑶张雁低强度混凝土桩复合地基应用地基处理（1994）

⑷莫海鸿 基础工程中国建筑工业出版社（2003）

作者简介：徐厂，男，33岁，蚌埠市水利勘测设计院，工程师，主要从事水工结构设计专业工作。