鄧柏林 葉小波

【摘 要】本文就樁基在古學(xué)水電站廠房基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要闡述與分析。

【關(guān)鍵詞】樁基；水電站廠房；基礎(chǔ)處理；應(yīng)用

1.概述

1.1 廠房工程地質(zhì)條件

古學(xué)水電站廠址位于定曲河左岸卡日共村上游350m處一級(jí)階地上，沿河呈長條形，階地較開闊，長183m，寬度17m～30m，呈條帶狀，高于河水面約3m左右，地勢較平坦，場地范圍內(nèi)均為第四系覆蓋，厚約26.2m～42m，根據(jù)鉆孔（ZK511、ZK513）資料，從上往下可分為3層：

a）耕植層：厚4.0m～5.0m，由深灰色粘土夾碎石組成，含有植物根莖和有機(jī)質(zhì)，結(jié)構(gòu)松散。分布于現(xiàn)代河床深0.0m～5.0m處。

b）沖洪積層：厚8.7m，為砂卵石、碎石夾漂塊石組成，結(jié)構(gòu)較密實(shí)。卵石、碎石及漂塊石巖性主要為灰?guī)r及少量玄武巖，分布于現(xiàn)代河床深5.0m～13.7m處。

c）沖積層：厚28.3m，由均勻的砂礫石夾少量卵石、碎塊石組成，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)，夾有較少卵礫石。分布于現(xiàn)代河床深13.7m～42.0m處。

覆蓋層取樣試驗(yàn)結(jié)果表明（見表1.1-1），不均勻系數(shù)Cu =1166.7～1800.0，曲率系數(shù)Cc =34.3～34.7，屬級(jí)配不良的含細(xì)粒土礫，細(xì)顆粒料含量為84%～90%，含量大于35%，存在產(chǎn)生流土破壞的可能性，建議持力層在一定范圍內(nèi)采取置換、固結(jié)灌漿或樁基礎(chǔ)等工程措施進(jìn)行處理。

覆蓋層下伏基巖地層巖性為三迭系中統(tǒng)曲嘎寺組第一段（T2q1）灰色鈣質(zhì)、砂質(zhì)板巖夾灰?guī)r，根據(jù)地面測繪素描、統(tǒng)計(jì)成果，廠區(qū)巖體中的節(jié)理裂隙可分為下列三組：

a）J1：280°/NE∠54°，灰?guī)r中發(fā)育節(jié)理，一組多條，間距15cm～20cm，長度大于15m，節(jié)理面張開無充填，較平直，面風(fēng)化為淺黃色；

b）J2：84°/SE∠80°，灰?guī)r中發(fā)育節(jié)理，一組2條，長度大于15m，張開1cm～10cm，局部張開15cm，充填碎石和粘土，節(jié)理面平直光滑，風(fēng)化為淺黃色；

c）J3：320°/SW∠78°，灰?guī)r中發(fā)育節(jié)理，間距2m，長度大于5m，張開1cm～5cm，節(jié)理面平直光滑，傾向坡外，面風(fēng)化為淺黃色。

1.2 廠房布置

廠區(qū)建筑物主要由主副廠房、GIS樓和尾水建筑物等組成 。進(jìn)廠公路位于廠房左側(cè)，通過與得榮至香格里拉公路連接進(jìn)入廠區(qū) 。主廠房尺寸53.3m×21.0m×40.2m（長×寬×高），主副廠房及GIS樓呈“一”字型并排布置，其中安裝間布置在主廠房左側(cè)，副廠房位于主廠房右側(cè)，GIS樓緊靠副廠房右側(cè)并排布置。

1.3 主要工程地質(zhì)問題

廠房基礎(chǔ)開挖至建基面后所揭露地質(zhì)情況表明：廠下0+003.000向下游側(cè)為第三層沖洪積砂卵礫石覆蓋層，覆蓋層厚度向河床側(cè)逐步加深，廠房尾水平臺(tái)覆蓋層厚度為18-22m，下伏基巖為灰色鈣質(zhì)、砂質(zhì)板巖；廠下0+003.000向上游側(cè)為鈣質(zhì)板巖、灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀337°～340°/SW∠77°～84°，巖層走向與廠房縱軸線夾角較小，呈陡傾角狀。

2.處理方案

2.1方案比選

根據(jù)古學(xué)水電站廠房基礎(chǔ)及底板結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，其基礎(chǔ)處理方案如下：

方案一：柔性基礎(chǔ)處理方案

該方案的總體設(shè)計(jì)思路是允許廠房基礎(chǔ)發(fā)生變形，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是考慮如何將基礎(chǔ)的不均勻沉降降低到允許范圍內(nèi)。為保證設(shè)計(jì)成果的可靠性，對廠房覆蓋層基礎(chǔ)面進(jìn)行了原位淺層平板靜荷載試驗(yàn)，通過試驗(yàn)得到砂卵礫石覆蓋層基礎(chǔ)的承載力特征值及荷載-沉降關(guān)系線。依據(jù)基礎(chǔ)試驗(yàn)成果并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，制定如下基礎(chǔ)處理方案：對基巖部分開挖至底板建基面高程以下1m～3m，然后回填級(jí)配碎石，覆蓋層部分開挖至底板建基面后對表層進(jìn)行碾壓處理。為驗(yàn)證該方案的可行性，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對廠房進(jìn)行了三維有限元整體計(jì)算，通過計(jì)算得知廠房基礎(chǔ)豎向最大變形為30.9mm，最小變形為10.8mm，即不均勻沉降差為20.1mm，大于允許沉降差，壓應(yīng)力最大值為0.65MPa，大于覆蓋層允許承載力300kPa， 不滿足廠房不均勻沉降及基礎(chǔ)應(yīng)力要求。

方案二：剛性地基處理方案

該方案通過對廠房底板范圍內(nèi)覆蓋層基礎(chǔ)進(jìn)行處理，使廠房底板坐落在基巖與處理后的覆蓋層基礎(chǔ)共同形成的剛性基礎(chǔ)上，具體處理措施有如下三種方式：

1）灌漿處理

該處理方法設(shè)計(jì)思路是對覆蓋層基礎(chǔ)進(jìn)行灌漿處理，從而提高基礎(chǔ)的剛度和均勻性。具體處理方法為對覆蓋層基礎(chǔ)采用高壓旋噴與低壓固結(jié)灌漿相結(jié)合的方式。

高壓旋噴灌漿按照間排距2m、灌漿壓力30MPa控制，由外向內(nèi)進(jìn)行，在完成旋噴灌漿后對旋噴灌漿間隔區(qū)域采用固結(jié)灌漿，灌漿壓力0.4MPa ，灌漿深度4m，形成完整的灌漿處理方式。

2）混凝土置換

該處理方法設(shè)計(jì)思路是將覆蓋層基礎(chǔ)用混凝土替換，具體處理方式為：首先在底板基礎(chǔ)面下游側(cè)形成混凝土連續(xù)墻并局部進(jìn)行灌漿處理，然后挖除覆蓋層并對上游側(cè)基巖面進(jìn)行錨噴支護(hù)處理，隨后回填混凝土形成整體基礎(chǔ)。

3）樁基礎(chǔ)處理

樁基礎(chǔ)由基樁和聯(lián)接于樁頂?shù)某信_(tái)共同組成。承臺(tái)的作用是將外力傳遞給各樁并將各樁連成一體共同承受外荷載，基樁作用在于穿越軟弱的壓縮性土層或水中，將樁所承受的荷載傳遞到地基持力層上。

根據(jù)受力特點(diǎn)，基樁分為摩擦型樁和端承型樁。端承樁結(jié)構(gòu)力通過樁基直接傳遞到持力層（巖層），適用于地面以下一定深度有堅(jiān)硬巖層的地質(zhì)條件。

摩擦樁結(jié)構(gòu)力通過樁身與土層的摩擦作用傳遞給土體，適用于結(jié)構(gòu)自重較輕，受力較小的建筑。

根據(jù)廠房基礎(chǔ)覆蓋層較淺、底部具有堅(jiān)硬巖層、廠房結(jié)構(gòu)自重較大且對穩(wěn)定及沉降有較高要求的特點(diǎn)，基樁選用端承樁。平面布置按照間排距5m，共布置3排20根端承樁，樁體最大長度21m，端頭深入持力層不小于1m，樁頂布置厚度1.5m的承臺(tái)板，通過嵌入巖石內(nèi)的端承樁和樁基上部的承臺(tái)板形成整體樁基。

2.2 工程技術(shù)特點(diǎn)分析

a、柔性地基處理方案的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)更多偏向于理論計(jì)算，不均勻沉降和整體穩(wěn)定計(jì)算成果不滿足要求，因此該方案不可行。

b、剛性基礎(chǔ)處理方案底板結(jié)構(gòu)受力明確，相關(guān)計(jì)算理論成熟，具有較好的可靠性，對該方案中的具體處理方式分析如下：

1）灌漿處理方式設(shè)計(jì)上可行，但由于在工程實(shí)施過程中受到施工材料、施工工藝以及施工質(zhì)量因素影響較多，因此具有不確定性。

2）混凝土置換方式其回填部位上游側(cè)基巖面為順向，傾角59°，回填部位最大高度為20m左右，施工過程中基坑內(nèi)邊坡穩(wěn)定、回填混凝土自身穩(wěn)定、基坑排水以及下游側(cè)混凝土防滲墻的穩(wěn)定存在問題，具有較大的施工難度。

3）樁基礎(chǔ)處理方式具有承載力高、穩(wěn)定性好、沉降量小而均勻，抗震能力強(qiáng)，適應(yīng)性好，機(jī)械化程度高、施工簡便等特點(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)也比較成熟。

2.3工程量及投資進(jìn)行對比分析

2.4對比分析結(jié)論

根據(jù)以上分析成果，從工程技術(shù)難度和工程投資綜合考慮，柔性基礎(chǔ)處理方案不可行。

剛性基礎(chǔ)處理方案中：混凝土置換方式投資較大且存在一定施工難度，樁基礎(chǔ)處理方式與灌漿處理方式投資基本相當(dāng)，但樁基礎(chǔ)處理方式具有機(jī)械化程度高，施工質(zhì)量較易控制的優(yōu)點(diǎn)，因此最終選用樁基礎(chǔ)處理方式。

3.樁基設(shè)計(jì)

3.1樁基設(shè)計(jì)流程

廠房底板基礎(chǔ)屬于端承型群樁，其設(shè)計(jì)原理與端承型單樁基本一致，因此在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中按單樁進(jìn)行計(jì)算，具體設(shè)計(jì)流程如下：

（1） 場地勘察，收集有關(guān)資料；

（2） 綜合勘察報(bào)告、荷載情況、使用要求、上部結(jié) 構(gòu)條件等確定樁基持力層；

（3） 選擇樁材，確定樁外形尺寸和構(gòu)造；

（4） 確定單樁承載力設(shè)計(jì)值；

（5） 根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載情況，初步擬定樁的數(shù)量和平面布置；

（6） 根據(jù)樁的平面布置，初步擬訂承臺(tái)的輪廓尺寸及承臺(tái)底標(biāo)高；

（7） 驗(yàn)算作用于單樁上的豎向和橫向荷載；

（8） 驗(yàn)算承臺(tái)尺寸及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

（9） 繪制樁和承臺(tái)的結(jié)構(gòu)及施工詳圖。

3.2樁基設(shè)計(jì)成果

根據(jù)以上計(jì)算流程，以廠房底板作用于承臺(tái)板上均布荷載300kPa、樁基最大深度21m為條件進(jìn)行計(jì)算，主要成果如下：

樁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，樁徑1.5m、間排距5.0m、主筋配28Φ25鋼筋，5倍樁徑范圍內(nèi)箍筋采用φ10@100 加密。單樁豎向承載力特征值為10333KN，大于單樁豎向荷載7500KN；水平承載力特征值為1803 KN，大于最大水平推力1042 KN，其穩(wěn)定滿足要求。

承臺(tái)板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，厚1.5m；

抗沖切承載力12297 KN，大于樁身荷載7500 KN；

順?biāo)飨蚴芗舫休d力31946 KN，垂直水流向受剪承載力59329KN，均大于設(shè)計(jì)荷載，穩(wěn)定滿足要求。

在對廠房基礎(chǔ)進(jìn)行樁基處理后，為驗(yàn)證其可靠性，對廠房進(jìn)行整體三維有限元計(jì)算復(fù)核，經(jīng)計(jì)算廠房基礎(chǔ)豎向最大變形為0.233mm，最小變形為0.083mm，即不均勻沉降差為0.14 mm， 小于允許沉降差1.149 mm； 壓應(yīng)力最大值為0.2MPa，小于基巖允許承載力1.5MPa， 滿足廠房不均勻沉降及基礎(chǔ)應(yīng)力要求，證明樁基處理方式合理，達(dá)到了預(yù)期效果 。

4.結(jié)論與展望

鑒于古學(xué)水電站廠房基礎(chǔ)的不均一性，為滿足廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行要求，對剛性基礎(chǔ)處理及柔性基礎(chǔ)處理方案進(jìn)行比選，最終選用剛性基礎(chǔ)處理方案中的樁基處理方式，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算滿足要求，達(dá)到了預(yù)期處理效果 。

本工程基礎(chǔ)處理按樁基設(shè)計(jì)，上部荷載由基樁與承臺(tái)組成的基礎(chǔ)共同承擔(dān)，實(shí)際上承臺(tái)下的地基土對上部荷載也具有分擔(dān)作用，因此可以進(jìn)一步進(jìn)行復(fù)合樁基的研究，這樣有利于充分利用基礎(chǔ)承載力，起到優(yōu)化樁基結(jié)構(gòu)、節(jié)省工程投資的目的。