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水利工程论文深层水泥搅拌桩在大型泵站地基处理中的应用摘要太浦河泵站工程主泵房建基面在粉质粘土上,土力学强度较低,不能满足泵房对地基的强度和变形要求,必须进行地基处理。经过方案比选,主泵房地基采用水泥搅拌桩处理。检测结果表明,加固后的地基达到了预期的效果。关键词地基处理水泥搅拌桩单桩承载力单桩复合地基承载力1概述太浦河泵站位于江苏省吴江市太浦河上已建的太浦闸南侧,是太浦河工程的重要组成部分,其修建目的主要是解决枯水年份太湖水位较低时抽取太湖水向下游上海市供水300m3/s,以改善上海水质。主泵房内布置6台斜15°单机50m3/s的斜轴泵,底板长84.87m,宽(顺水流方向)40.45m,采用二机一缝的布置,泵房底板共分三块,单块底板长度为22.50m。进水侧底板底高程8.05m,出水侧底板底高程6.45m,底板厚2m。安装间布置在泵房的北端,在泵房的南端布置一座35kV变电站。主泵房建基面在粉质粘土上,土层物理力学指标较低,天然地基无法满足泵房上部结构对地基的强度和变形要求,必须进行地基处理。2工程地质条件场地区地层为巨厚(大于100m)第四纪河湖相、海相及沼泽相等沉积层,无活动断裂构造分布,区域地质构造稳定,地震基本烈度为Ⅵ度。场地区土层的物理力学指标见表1。泵房建基于⑤层土上,⑤层为灰色粉质粘土,标贯击数小于4,压缩系数0.38Mpa1,地基承载力标准值为105Kpa,且⑤层属高~中压缩性土,天然地基不能满足泵房上部结构对地基的强度和变形要求,由于软土厚度较大,不宜用换(填)土处理。同时对⑥层下伏软弱下卧层需进行强度及变形验算。表1地基土物理力学性质指标层号土层名称土层厚度m湿密度kN/m3天然孔隙比天然含水量塑性指数IP液性指数IL压缩模量MPa地基承载力标准值KPa③1粉质粘土0.43.120.00.7426.719.40.368.6255③2粉质粘土0.35.119.40.8430.514.40.689.4150③3砂壤土0.95.219.00.8832.39.214.4120④1轻砂壤土1.53.119.00.9033.418.9120⑤粉质粘土4.47.519.00.9434.813.91.075.3105⑤粉质粘土与粉质砂壤土互层18.80.9635.79.27.1110⑥粉质粘土4.06.520.50.6523.520.30.1013.7300⑦1重粉质粘土0.43.019.60.7727.713.50.512.62003泵房地基处理设计3.1地基处理方案泵房地基应力计算以二机一联段作为计算单元,经过计算,控制工况为完建工况,泵房在控制工况时基底应力最大值为198.9kPa,最小值为135.3kPa,平均地基应力为167.1kPa,超过⑤层土的地基承载力标准值。对⑤层土进行宽度修正以后的地基承载力标准值为128.96kPa,亦不能满足设计要求。⑤层下部为⑥层棕黄、灰绿色粉质粘土,该土层厚约5.2m,土质均一,呈硬塑状态,属中压缩性土,其地基承载力标准值为300kPa,是泵房基础较好的浅层持力层。设计考虑了三个方案进行技术和经济比较,方案一预制钢筋混凝土方桩方案方案二灌注桩方案方案三水泥搅拌桩方案。方案投资比较见表2。根据规范可知,水泥搅拌桩一般适用于软弱粘性土和粉性土地基,由于受搅拌机械搅拌能力的限制,一般不适用于地基承载力设计值大于120kPa的粘性土和粉性土,而⑤层灰色粉质粘土经宽深修正,其承载力设计值达128.96kPa,但经过室内水泥土试验,⑤层土经搅拌以后能达到很好的加固效果,可满足设计的要求。经过综合比较,方案三因其投资省、抗渗效果好以及能较好地适应地基变形等优点而被选为推荐方案。表2泵房地基处理方案比较表方案名称单位主要工程量投资万元预制钢筋混凝土方桩混凝土m31441.4268.0钢筋t282.8混凝土灌注桩混凝土m31950.8314.4钢筋t160.6深层水泥搅拌桩水泥搅拌桩m37729.4196.43.2地基处理设计水泥搅拌桩桩型采用双头搅拌桩(断面为2个直径0.7m搭接0.2m的复合桩),固化剂采用425普通硅酸盐水泥,水泥掺入量选用15,设计桩长6.5~8.1m,进入⑥层持力层0.5~1m。3.2.1水泥搅拌桩单桩竖向承载力标准值确定根据建筑地基处理技术规范(JGJ7991),单桩竖向承载力标准值按下列二式计算,并取其中的较小值。式中,η为强度折减系数为室内加固土试块的无侧限抗压强度平均值Ap为桩的截面积为桩周土的平均摩擦力qp为桩端天然地基土的承载力标准值α为桩端天然地基土的承载力折减系数Up为桩周长l为桩长。根据本工程的水泥土检测试验报告,水泥掺量为15,龄期为90天的水泥土无侧限抗压强度2.31MPa,桩长考虑伸入持力层0.8m1m,经计算,单桩竖向承载力标准值由摩擦桩控制322.8kN。3.2.2复合地基的承载力标准值确定及桩位布置根据建筑地基处理技术规范(JGJ7991),复合地基的承载力标准值由下式计算式中,fs,k为桩间天然地基土承载力标准值β为桩间土承载力折减系数(本工程取0.1)m为面积置换率。经计算,面积置换率m41.2时复合地基的承载力标准值196kPa。根据泵房地基应力分析,平均地基应力kPa,最大地基应力1.2235.2kPa,满足规范要求。布置水泥搅拌桩时考虑了群桩横截面的重心和荷载合力作用点一致的原则,在泵房的上游侧,桩中心间距为1.2m1.4m,在下游侧桩中心间距为1.2m1.525m。考虑泵房地基的抗渗要求,上、下游侧第一排水泥搅拌桩布置成连续壁状,搭接0.2m,在主泵房地基外围布置了应力扩散桩。桩位布置剖面图见图1。在施工图阶段,对泵房集水井布置进行了优化。集水井由原来的大开挖方案优化为水泥搅拌桩垂直支护方案,集水井采用垂直开挖,一方面节约了土建工程量,另一方面,临近集水井的工作面由斜坡面改为水平面,方便了工程施工。3.2.3下卧层地基验算因水泥搅拌桩置换率较大且为摩擦桩型,因此按群桩作用的原理,对下卧层地基进行验算。验算时将搅拌桩和桩间土视为一个假想的实体基础,考虑假想实体基础侧面与土的摩擦力,验算假想基础底面的承载力。加固地基的承载力标准值Rsp采用控制工况的平均地基应力167.1kPa,实体基础的水下容重取8.8kN/m3,经计算假想基础底面的应力Pa217.35kPa。其下⑥层土的地基承载力标准值Rk300kPa,经修正后的实体基础底面的地基承载力标准值R348.4kPa,Pa<R,可见在上部荷载作用下下卧土层承载力能满足要求。图1水泥搅拌桩布置剖面图3.2.4泵房基础地基变形验算泵房地基最终沉降量由复合土层的压缩变形值S1和桩端以下未处理土层的压缩变形值S2组成。S1按下式计算。式中,p为桩群体顶面的平均附加应力po为桩群体底面土的附加压力Eo为桩群体的变形模量为加固地基的深度。桩端以下未经处理土层的压缩变形值S2按下式计算式中,e1i、e2i为基础底面以下第i层土在平均自重应力及平均自重应力加平均附加应力作用下由压缩曲线查得的相应孔隙比hi基础底面以下第i层土的厚度。经计算,控制工况时S11.2cm、S28.22cm,泵房的最终沉降量S∞S1S29.42cm,小于有关规范建议的沉降量控制范围1015cm,满足地基的变形要求。4成桩试验试验的目的是为了进一步了解施工区域的水文地质条件对搅拌桩施工的影响程度,并确定如水泥浆的配合比、搅拌提升速度、复搅深度、注浆压力及电机工作电流等施工参数。4.1水泥土室内配合比试验通过水泥土室内配合比试验确定水泥土无侧限抗压强度与水泥掺入量及水灰比的关系。试验时,在实地取5层土样和拌和水,按水泥掺入比15、水灰比0.5、0.6、0.7分别制作70.770.770.7mm的标准水泥土试块,在标准养护室内养护7天后做水泥土试块抗压试验。试验结果如表21示。表中水泥土90d无侧限抗压强度根据经验公式qu,7(0.3~0.5)qu,90推算得到。由表21可知,三种不同水灰比的水泥土7d无侧限抗压强度都满足达到90d标准强度2.31Mpa的3050(0.691.16Mpa)的要求。表3水泥土无侧限抗压强度试验结果统计序号水灰比水泥掺入比7d强度qu,7(Mpa)qu,7/qu,90()10.5151.356.320.6151.251.930.7151.043.34.2成桩试验施工机械选用SJBII型深层水泥搅拌机,水泥掺入比αw15,水灰比按0.50、0.55、0.60、0.65分别进行试验。试验桩选择底板外的扩散桩,实际共做试验桩22根,最终确定搅拌桩的施工参数(1)水泥掺入比αw15,单桩水泥用量不小于200kg/m(2)浆液比重不小于1.755kg/l,水灰比约为0.65(3)喷浆提升速度不大于0.5m/min,预搅下沉速度0.6~0.7m/min(不大于2m/min)(4)喷浆口喷浆压力0.4~0.6Mpa(5)桩尖标高按进入持力层6土层的深度不小于30cm(可根据工作电流的变化判断是否已进入持力层)且不得高于▽13.1m控制。5深层搅拌桩施工5.1施工机具及配套机械共采用6台SJBII型深层搅拌机同时施工,每台搅拌机配置灰浆搅拌机、灰浆泵、电气控制柜、自动流量计各一台及其他辅助设备。5.2施工工艺(1)定位搅拌机就位、对中(2)预搅下沉启动搅拌机电机,放松卷扬机钢丝绳,使搅拌机沿导向架切土下沉(3)制备水泥浆待搅拌机开始下沉即可开始按成桩试验确定的配合比制备水泥浆(4)喷浆提升搅拌机下沉到达最大深度后,开启灰浆泵开始喷浆搅拌提升第一次喷浆量应控制在单桩总浆量的50左右(5)重复搅拌下沉(6)重复喷浆搅拌提升搅拌机提升到桩顶标高时,浆液应若有剩余,可在桩身上部11.5米范围内重新搅拌喷浆不得出现搅拌头未到桩顶,浆液已喷完的现象(7)上下往返复搅一次(8)关闭机械(9)重复上述步骤,开始下一根桩施工。6施工质量控制与检验
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