化家沟泵站局部地基采用木桩复合地基方案论证及设计施工

孟范兵,夏珊珊

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概述

化家沟泵站位于固镇县浍河左岸，采用堤后式布置及出水涵洞为穿堤建筑物，设计排涝流量为66.77 m3/s，总装机容量为3 360 kW(大(2)型)，泵站平面及纵剖面见图1。该泵站淤泥质重粉质壤土地基承载力不能满足设计承载力要求，原设计采用水泥土搅拌桩加固处理。在工程施工过程中，发现泵站站身局部地基受淤泥质土有机质含量高的影响，水泥土搅拌桩不能成桩，必须调整局部地基处理方式。

根据地质条件变化、工程进度总体安排及度汛等要求，适宜的地基处理方案不多。设计比较了开挖换填、预制混凝土管桩、木桩3种地基加固处理方案，前两个方案对工程施工总体影响较大，管桩方案还会产生站身底板地基均匀性问题。经过现场讨论与技术方案对比，认为对局部地基处理采用木桩处理方案相对适合现场条件。

图1 泵站平面及纵剖面示意

按100 a使用年限提出了木桩防腐设计要求，木桩复合地基设计达到规范规定的工程安全及耐久性要求。施工过程中严格控制质量，木桩复合地基检测结果合格。

2 工程建设情况

2.1 现场施工情况

工程于2019年10月12日开工建设，10月28日3台打桩机分部位进行水泥土搅拌桩施工，11月19日，站身西北角区域搅拌桩施工出现异常，11月21—22日对该区域搅拌桩钻芯取样抽检，发现桩体中下段约长1 m芯样缺失，现场暂停该区域搅拌桩施工，12月5日，补充勘察结论，判断不能成桩的原因为该区域淤泥质土有机质含量过高，有机质含量约10%～40%不等，最大达40%(见图2)。

图2 含有机质土样示意

当时现场施工基坑开挖降水难度大、大型设备进场困难、工作面狭小、度汛工期要求等困难。根据防汛要求，泵站必须于2020年4月30日前完成大堤复堤及泵房底板浇筑工作，据此节点倒排工期，须于2020年1月22日前完成所有地基处理作业并桩基检测合格。

施工单位就不同桩的采购及打桩机械设备进行了市场调研。钢筋混凝土预制管桩及木桩易于采购，小型钢筋混凝土桩需定制，至少需要60个工作日才能到位(不含春节假期)，周期较长，不利于工期。预制管桩及小型混凝土桩需采用DF-62型锤击打桩机，该型机械临近春节，租赁困难，木桩可采用450型振动锤打桩机，当地易于租赁。

2.2 原地基处理设计情况

1) 泵站地质情况

图3 泵房地质剖面示意

2) 原地基处理设计

为提高地基承载力，在站身斜坡段、压力水箱及涵洞底板以下采用水泥土搅拌桩复合地基进行处理。根据计算，水泥土搅拌桩置换率为20%，复合地基承载力为120 kPa；置换率为30.7%时，复合地基承载力为152 kPa。

水泥土搅拌桩布置：在泵站站身底板(主要在其斜坡段)部位，桩径为0.5 m，桩距为0.8 m，置换率为30.7%，水泥渗入比为18%，桩身进入下卧相对硬土层1.0 m，平均桩长为5.0 m；压力水箱及涵洞底板部位，桩径为0.5 m，桩距为1.0 m，置换率为20%，平均桩长为6.5 m。

3 局部地基处理变更方案比选

3.1 比选方案拟定

站身东侧大部分地基为强度较高的③层粘性土或③1层粘性土与砂性土互层上，承载力可满足要求。站身西侧及其余出水建筑物地基为淤泥质土，因承载力不足，均采用了水泥土搅拌桩加固。站身东侧不需加固处理的地基面积约占站身地基面积的65%，需进行加固处理的地基面积占站身地基面积的35%，这部分地基原设计采用水泥土搅拌桩加固，其中因有机质土层需变更地基处理方案部分的地基面积占站身地基面积的9%。泵站站身为整底板结构，同一底板下存在3种特性的地基，变更地基处理方式需重点考虑地基均匀性，以控制站身底板不均匀沉降、满足底板结构整体受力要求。为合理确定局部地基处理变更设计方案，根据泵站地基淤泥质有机质土特点，建筑物承载力及地基变形控制等要求，对局部地基处理变更方案进行比选。

综合考虑工程度汛要求和现场条件约束等因素，拟定以下3种比选方案。

方案一：水泥土换填方案。开挖底板下全部淤泥质土及有机质土，换填8%水泥土，换填深度为4 m左右。

方案二：木桩复合地基方案。木桩穿过淤泥质土及有机质土，进入③层粘性土或③1层粘性土与砂性土互层不小于1 m，桩顶设水泥土褥垫层，形成木桩复合地基。根据承载力计算，木桩布置间距为0.45 m，桩径不小于0.15 m，桩长为4～5 m。

方案三：预制管桩复合地基方案。考虑沉桩稳定和地基加固要求，管桩穿过淤泥质土及有机质土，进入③层粘性土或③1层粘性土与砂性土互层不小于2 m，桩顶设塑性砼褥垫层，形成管桩复合地基。按承载力计算，管桩布置间距为1.2 m，桩长为6 m，桩径为0.4 m。

3.2 方案比较

泵站局部地基处理变更是在工程施工过程中提出的，变更地基处理措施与现场施工存在交叉干扰，为优选方案，从以下5个方面进行综合比较。

1) 工程施工

换填方案对基坑安全及地基扰动影响较大，现场不具备施工条件。换填方案在基坑建基面以下需开挖约4 m深，至下部③1层中砂壤土层，击穿承压水，必须有可靠的工程措施控制地下水对基坑安全构成的威胁。若进一步降水对基坑周边影响增大(按1:10降水漏斗估算，基坑降水影响范围一侧约扩大40 m)。因临近浍河，基坑降水加深4 m，难度剧增。开挖换填施工，在淤泥质土中会产生高差约4 m的施工临空面，考虑边坡稳定要求宜采用缓坡(本地经验一般1:3)开挖，开挖上口线在换填范围外12 m左右，会对周边已施工的水泥土搅拌桩破坏较多。淤泥质边坡向临空面蠕变会在相应部位的水泥土搅拌桩体产生剪应力。按度汛工期要求，开挖时水泥土搅拌桩龄期未达90 d，不能达到其设计强度，开挖往往对搅拌桩伤害较大，影响搅拌桩质量。基于以上分析，认为换填方案弊大于利，不宜选择。

木桩因桩径小、质轻，专业成桩设备为小型机械，对场地要求不高，现场条件易满足施工要求，可与水泥土搅拌桩平行或错开施工，施工安排较为灵活，总体上不会影响工程施工进度。

预制管桩施工机具一般较大，现场条件难满足施工要求，需要加厚淤泥质土上的施工平台，对水泥土搅拌桩(当时4台设备正在施工)施工安排影响较大，进而会延长地基处理施工工期和工程总体进度。

2) 经济性

对钢筋混凝土预制管桩、木桩、水泥土换填3种方案分别进行经济技术比选(见表1)，从表1可知，3种方案可比投资相当。

3)地基均匀性

地基均匀性：换填水泥土方案最优，水泥土强度高，均匀性好，质量易保证。木桩与预制管桩复合地基均属于刚性桩复合地基，木桩、预制管桩与淤泥质土在强度、变形模量上差距较大，受力时桩土作用更多是桩基特性，与水泥土搅拌桩等复合地基的受力特性差异性较大。木桩因桩径小，柔韧性好，有刚性底板、褥垫层调整等作用，其在复合地基桩土共同作用上优于管桩。

表1 地基处理方案工程量及可比造价比较

站身局部变更地基处理方案，同一结构底板下有天然地基、水泥土搅拌桩复合地基和变更的处理地基，变更地基处理方案必须考虑同一结构下不同形式地基作用的均匀性及其对结构受力的影响。对此，通过以下不同地基形式的沉降分析，比较变更地基处理方案的优缺点。

① 站身天然地基沉降平均值计算

天然地基上建筑物的沉降变形按(1)式计算：

(1)

本次计算采用角点法，将2块地基近似简化为等效面积矩形模型，分别计算站身中心及边角沉降变形。站身底板平均基底应力为148 kPa，天然地基土层依次为：③1层砂壤土与粉质壤土互层，压缩模量Es为8.0 MPa，土层厚度为5 m；③重粉质壤土，压缩模量Es为6.0 MPa，土层厚度为1.5 m；③2层砂壤土、轻粉质壤土，压缩模量Es为10.0 MPa，厚度为7.5 m；④层重粉质壤土，压缩模量Es为13.0 MPa。

经计算，天然地基平均沉降量最大为7.0 cm，平均值为6.5 m。

② 水泥土搅拌桩复合地基沉降计算

水泥土搅拌桩复合地基设计，桩径为0.5 m，间距为0.8 m，桩长为5.0 m。

复合地基沉降由加固区复合土层压缩变形量S1和桩端下未加固土层的压缩变形量S2组成。S1、S2分别按式(2)(4)计算。

(2)

Espt=mEPt+(1-m)Esi

(3)

(4)

式中 Δpi为第i层土的平均附加应力增量，kPa；Li为第i层土的厚度，mm；m为复合地基置换率；Ψsi为复合地基加固区复合土层压缩变形量下计算经验系数；Espt为第i层土的复合土体压缩模量，kPa；Ept为第i层水泥土搅拌桩体压缩模量，kPa；Esi为第i层土压缩模量，kPa；Ψs2为复合地基加固区下卧土层压缩变形量下计算经验系数，本工程取1.3。

经计算，水泥土搅拌桩地基处理沉降量为S=S1+S2=5.6 cm。

③ 预制管桩复合地基沉降计算

淤泥质软土地基采用预制管桩处理，桩顶设塑性砼，形成管桩复合地基。管桩设计桩长为6.0 m，桩径为0.4 m，间距为1.5 m。刚性桩复合地基加固区复合土层压缩变形量S1及和桩端下未加固土层的压缩变形量S2分别按式(5)(4)计算：

(5)

式中Q为桩顶附加荷载，kN；L为桩长，mm；Ep为桩体压缩模量，C80管桩弹性模量为3.8×107kPa；Ap为单桩截面积,m2；Ψp为刚性桩体刺入系数，砂土为1.0，粉土为1.15，黏性土为1.30，本工程取1.2。

经计算，管桩地基处理沉降为S=S1+S2=2.6 cm。

④ 木桩复合地基沉降计算

淤泥质地基采用木桩处理，形成木桩复合地基。木桩桩径为0.15 m，间距为0.45 m，桩长为4.0 m。木桩沉降依然采用刚性桩复合地基沉降公式按式(5)(4)计算。

东北落叶松TC17-B弹性模量为1.0×107kPa；长期恒载工况下，弹性模量调整系数为0.8，设计年限100年及以上弹性模量调整系数为0.9，考虑木桩长期处于水下，材料细小，生长年限较短，本次设计木桩设计调整系数采用0.9×0.8=0.72。

木桩弹性模量Ep=0.72×1.0×107=0.72×107kPa，考虑木桩下部桩头削尖，刺入系数采用1.3。

经计算，木桩地基处理沉降为S=S1+S2=5.1 cm。

⑤ 水泥土换填地基沉降计算

地基持力层淤泥质土层采用水泥土换填，水泥掺入比为8%，压缩模量E=100 MPa，下卧层同原状地基，沉降采用天然地基沉降公式按式(1)计算，沉降计算值为4.6 cm。

⑥ 沉降差异性分析

从木桩、预制管桩复合地基沉降计算结果分析，站身底板下天然地基(③1层或③2层)、水泥土搅拌桩复合地基、木桩复合地基的沉降差异较小，对建筑物沉降控制、站身结构应力有利。本工程有机质土层若采用管桩复合地基，同一站身底板不同地基型式间计算沉降差大于3 cm，此沉降差会产生较大站身结构内力，易引起结构性破坏(分析见后)，不均匀沉降也会对机泵运行产生不利影响。

4) 耐久性比较

地基处理长期处于地下水环境，根据地质勘探报告，本工程区地下水对混凝土等无腐蚀性，水泥土一般也不会出现沙化，水泥土与管桩的耐久性不低于泵站结构的耐久性，而木桩的耐久性较管桩等混凝土结构要差，但做好木桩的材料选择、防腐设计、防腐处理控制，木结构可以达到本工程使用年限50 a耐久性要求。

5) 结构应力比较

本工程站身为整底板结构，处于3种不同的地基，地基沉降对底板结构应力反映较为敏感。为此，采用有限元方法对不同的局部地基处理变更方案的站身底板结构应力进行分析(见图4～5)。

图4 木桩复合地基结构应力云示意

图5 管桩地基结构应力云示意

① 木桩桩复合地基模型下的底板结构应力分布相对均匀，底板最大设计应力在设计强度范围内。

② 管桩复合地基模型下的底板结构应力分布，在地基处理方式变化界面处出现突变，地基出现拉应力，部分单元结构应力陡增，说明该分析模型下的底板结构应力较差，存在结构破坏风险。

3.3 地基处理变更方案

泵站地基含淤泥质有机质土范围较小，而站身地基应力(148 kPa)大，站身底板需坐落在3种地基上，局部地基处理变更方案的确定，需满足地基强度、地基均匀性的综合要求，结合工程现场施工条件及度汛要求，经上述综合分析比较，对局部有机质含量高软土地基采用木桩复合地基处理较为合适。

4 木桩复合地基设计及施工

4.1 木桩复合地基设计

根据《复合地基技术规范》，木桩竖向抗压承载力特征值Ra，取由桩周土和桩端土的抗力能提供的单桩竖向抗压承载力特征值Ra1和由桩体材料强度能提供的单桩竖向抗压承载力特征值Ra2二者中的较小值，刚性桩复合地基设计中应Ra2大于Ra1，以满足长期工作条件下，由于土体蠕变等因素造成桩土荷载分担比例增大，分别按式(6)(7)计算：

(6)

Ra2=ηfcuAp

(7)

式中Ra为单桩竖向抗压承载力特征值,kN；Ap为单桩截面积,m2；up为桩的截面周长,m；n为桩长范围所内所划分的土层数；qsi为第i层土的桩侧摩阻力特征值,kPa;li为桩长范围内第i层土的厚度,m;qp为桩端土地基承载力特征值,kPa；α为桩端土地基承载力折减系数，刚性桩复合地基α取1.0；fcu为桩体抗压强度平均值,kPa;η为 桩体强度折减系数，η可取0.34。

木桩复合地基承载力特征值fspk按式(8)计算：

fspk=βpmRa/Ap+βs(1-m)fak

(8)

式中fspk为复合地基承载力特征值，kPa;fak为桩间土地基承载力特征值，kPa；m为复合地基置换率置换率；βp为桩体竖向抗压承载力修正系数，本工程取1.0;βs为桩间土地基承载力修正系数，本工程取0.65。

木桩桩径为0.15 m，桩长为4.0 m，间距为0.45 m，局部木桩布置见图6所示。

东北落叶松TC17-B抗压强度为1.5×104kPa，考虑木桩长期处于水下，材料细小，生长年限较短，木桩设计调整系数为0.72。

木桩单桩承载力特征值为35.2 kN，复合地基承载力为160.5 kPa，满足设计要求。

说明：1.本次地基处理分别为水泥土搅拌桩、木桩、水泥土换填3种方式，其中水泥土搅拌桩桩径为0.5 m，水泥掺入比根据试桩结果确定，外加适量早强剂；木桩采用短松木桩，桩径大于15 cm，间隔为0.45 m；水泥土换填的水泥掺入比为8%，压实度不小于0.96；2.在施工过程中，水泥土双向搅拌桩及水泥土换填范围根据先导孔及现场情况可适当调整，搅拌桩深入硬土层不小于1.0 m，木桩深入硬土层不小于1.0 m；3.木桩采购时应注意木材质地，桩身不得有蛀孔、裂纹或其它足以损害强度之瑕疵，木桩选材采用短松木桩，使用前须防腐处理，使用分类为C4.2，防腐载药量及防腐投入须满足《防腐木材工程应用技术标准》(GB 50828—2012)桩长应略大于设计桩长；4.木桩顶部设C25砼垫层，木桩深入垫层200 mm，桩顶100 mm处铺设Φ12@200钢筋网。

4.2 木桩耐久性设计

化家沟泵站为大(2)型排涝泵站，主要建筑物结构使用年限为50 a，木桩基础需满足建筑物耐久性要求，设计使用年限50 a。从材料、结构上来说，木桩属于木结构，木桩耐久性设计主要在木桩材料选择、力学指标确定及木材防腐3个方面：

1) 设计木桩为抗压构件，根据其强度及弹性模量设计值要求，确定桩木强度等级为TC17，组别为B，由此查得桩木可选用耐腐蚀性强东北落叶松。

2) 木桩设计所采用的力学指标主要为强度和弹性模量，在木桩复合地基计算中，按规范100 a及以上设计使用年限对指标进行了折减。

3) 根据地质勘察报告，该区域地下水对钢筋混凝土无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。根据地下水揭露情况显示，木桩常年淹没于地下水之下，本工程木桩的使用分类为C4.2。C4.2使用条件下，本工程木桩采用ACQ( 铜胺(氨)季铵盐)木材防腐剂，防腐处理后，木材防腐载药量≥9.6 kg/m3，防腐剂透入度≥95%，采用此防腐设计指标能保证木材耐久性指标满足设计使用年限要求。

4.3 木桩施工

1) 木桩材料

桩基木材选用东北落叶松木，含丰富松脂，能很好地防止地下水和细菌对其的腐蚀，采购桩长为6 m，小头径不小于15 cm。木材等级为Ⅰ等，斜率≤5%，连接受剪面上不允许有裂纹，无虫眼。外观质量满足规范要求。

2) 防腐

本工程采用ACQ( 铜胺(氨)季铵盐)木材防腐剂，分2遍进行防腐处理。

第1遍防腐处理采用浸泡法：由木材供应厂家在其工厂专用防腐设备中进行浸泡。将ACQ与水按3%进行配制在容器内，将松木浸泡于容器中，浸泡时间为12 h；第2遍防腐处理采用喷洒法：木材进入施工现场后现场处理，将ACQ防腐剂按1：3与水进行配制，采用喷雾器将防腐剂喷在木桩表面，待晾干后即可施工。

ACQ防腐剂为淡蓝色液体，处理木材后的颜色为浅咖啡色，略带氨味，抗流失性强，不降低木材强度，通过ACQ处理的木材在常温环境下可延长其使用寿命增加5倍以上。

经自检和监理抽检，木材防腐载药量≥9.6 kg/m3，防腐剂边材透入率≥95%。

3) 沉桩施工

木桩采用挖掘机配合人工进行桩位定位，采用日立450型振动锤打桩机打进，控制桩身垂直度≤1.5%，桩头入硬土层深≥2 m，顶部采用30 cm厚C25钢筋混凝土嵌固桩头，使其连成整体，共同发挥承载作用。

4.4质量检测

木桩施工过程中，木桩防腐载药量及透入度通过施工单位自检、监理复检的方式控制其防腐处理质量，检测均合格。木桩施工完成后，经第三方进行了抽检。

1) 木桩单桩承载力检验

在施工场地随机选择3根单桩进行竖向抗压荷载试验，最大试验荷载为75 kN，试验成果见表2。

由表2可知，单桩极限承载力≥75 kN，在单桩承载力特征值37.5 kN作用下，相应桩顶沉降量为7.6～8.7 mm，满足设计要求。

表2 单桩竖向抗压静荷载试验成果

2) 单桩复合地基承载力检验

随机选择3根单桩复合地基进行垂直静载荷试验，承压板面积等于1根单桩所承担的处理面积，采用边长为450 mm×450 mm正方形钢质承压板，厚度为 50 mm，单桩复合地基试验成果见表3。

表3 单桩复合地基静荷载试验成果

由表3可知，单桩复合地基的极限承载力≥325 kN，在复合地基承载力特征值162 kN作用下，相应桩顶沉降量为3.9～4.5 mm，相对沉降为0.008～0.01，满足设计要求。

3) 加固效果分析

局部地基采用木桩加固后，单桩承载力特征值达到37.5 kN，复合地基承载力特征值达到162 kN，满足设计要求。

5 结语

本工程在施工过程中因局部软土有机质含量高，调整了局部地基处理方案，采用木桩复合地基处理。木桩复合地基设计和论证结果能满足设计规范相关要求，在水利工程中，做好木桩的防腐、提高其耐久性，木桩可用于处理厚度不大于5 m的有机质含量高软弱土地基。