王星星 賴慶文 廖光明 王文彬 艾道武

1.貴州省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 貴陽550002

2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 成都610065

1 工程概況

六盤水市九洞橋污水處理廠位于人民東路、鐘山大道、金水南路之間的地塊，廠區(qū)總占地面積為85038.24m2；設(shè)計污水處理規(guī)模為10 萬t／d，設(shè)計出水標(biāo)準(zhǔn)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［1］（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)，尾水排至水城河作為水城河補充水。

九洞橋污水處理廠主要污水處理構(gòu)（建）筑物包括：曝氣沉砂池、AAO-MMBR 生物池、二沉池、反硝化濾池、氣浮池、投藥消毒間、鼓風(fēng)機房、配電房等。

根據(jù)《六盤水市九洞橋污水處理廠巖土工程勘察報告》，擬建廠區(qū)原地形稍有起伏，后經(jīng)人工回填地形較平坦；污水廠周邊無邊坡滑移、泥石流等不良地質(zhì)構(gòu)造和抗震不利地段。場地內(nèi)巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育；除此外，尚有溶蝕裂隙、溶洞、溝槽、石芽等巖溶形態(tài)發(fā)育，屬于典型喀斯特地貌，對巖體完整性及其工程性能影響較大。該廠區(qū)內(nèi)巖土構(gòu)成及具體巖土特征參數(shù)自上而下如表1 所示，場地內(nèi)具有代表性的地質(zhì)剖面如圖1 所示。

圖1 代表性地質(zhì)剖面Fig.1 Representative geological profile

表1 巖土特征參數(shù)Tab.1 Geotechnical characteristic parameters

廠區(qū)設(shè)計地坪標(biāo)高為1781.00m，抗浮設(shè)防水位為1780.85m。各污水處理池基礎(chǔ)底板低于設(shè)防水位約1m～2m；水池結(jié)構(gòu)自重遠大于水池浮力的1.05 倍，主體結(jié)構(gòu)整體抗浮滿足；基礎(chǔ)底板較厚，經(jīng)計算通過構(gòu)造配筋能夠滿足局部抗浮設(shè)計；故結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計滿足要求。同時地下水位埋藏較淺，在進行地基處理方案選型中需分析地下水對地基方案的影響。

2 地基處理方案選擇

2.1 樁基礎(chǔ)

擬建場地若選用中風(fēng)化白云巖作為地基持力層，中風(fēng)化白云巖承載力特征值fak＝3000kPa，需采用端承樁基礎(chǔ)；樁徑約為1.2m，樁間距按7.5m×8.0m布置，需布樁數(shù)約為360 根，平均樁長約20m；樁基礎(chǔ)施工造價約為1100 萬元?？紤]場地內(nèi)巖溶形態(tài)極為發(fā)育，對成樁可能性及樁基適宜性的影響主要有：

（1）地基巖層中淺埋巖溶洞的發(fā)育，巖體及其基本質(zhì)量特征、基礎(chǔ)上部荷載大小直接影響樁基穩(wěn)定性。

（2）溶溝、溶槽分布不均勻，巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，使得基巖面起伏不平?；A(chǔ)置于巖層面隆起或斜面處時，有可能導(dǎo)致樁基礎(chǔ)滑移，基礎(chǔ)存在一定的安全隱患。

（3）采用樁基礎(chǔ)，以中風(fēng)化白云巖作持力層，應(yīng)對柱底應(yīng)力擴散范圍內(nèi)有淺埋巖溶洞隙進行鑿穿處理，確?；A(chǔ)具有足夠的嵌巖深度。處理好巖溶對樁基的影響后，采用樁基礎(chǔ)方案才有條件可行。

場內(nèi)巖溶洞隙不均勻性及連通性導(dǎo)致溶洞處理措施及費用不可預(yù)見性；同時場地水位較高，巖溶強發(fā)育，樁身較長，且局部土層、強風(fēng)化及破碎巖體較厚，容易塌孔，不便于施工。根據(jù)一期施工單位樁基礎(chǔ)施工經(jīng)驗現(xiàn)場成樁難度極大，影響工期，且施工人員安全保障度低；經(jīng)設(shè)計單位結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選用大直徑端承樁的基礎(chǔ)方案不適于本工程。

2.2 換填墊層

換填墊層法是指把基礎(chǔ)下部一定深度范圍內(nèi)的軟弱土層全部或部分挖去，然后換填性能較好的材料作為地基的持力層的一種地基處理方法。通過換填墊層處理提高地基承載力、減少沉降變形；適用于淺層軟弱土層及不均勻土層的地基處理；常用換填材料為級配碎石、礦渣、粉煤灰等。

考慮到場地內(nèi)地下水位埋藏較淺，水位頻繁變動導(dǎo)致?lián)Q填材料中級配顆粒被沖走而影響換填效果。同時，換填墊層的施工質(zhì)量控制要求高，需分層碾壓分層檢測合格后方可進行上一層鋪填，施工周期長、施工質(zhì)量無法保證；對沉降敏感、上部荷載大的生物池、濾池、二沉池等尺寸較大的構(gòu)筑物使用換填墊層的處理方案存在較大的質(zhì)量風(fēng)險。

設(shè)計中對一體化處理設(shè)備基礎(chǔ)、污泥池、污水回流井、檢測用房及門衛(wèi)室等基底反力荷載輕、單體尺寸小的污水處理輔助構(gòu)筑物采用換填墊層進行地基處理，既經(jīng)濟又能保證工程質(zhì)量。

2.3 沉管灌注樁復(fù)合地基

沉管灌注樁是剛性樁復(fù)合地基處理的一種，適用于黏性土、粉土、素填土等土層；剛性樁的樁體可采用鋼筋混凝土樁、素混凝土樁、預(yù)應(yīng)力管樁等剛性樁［2］。沉管灌注樁是目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的一種樁型，具有成樁速度快、施工周期短、設(shè)備簡單、無泥漿污染、場地整潔美觀的優(yōu)點［3］。

根據(jù)本工程現(xiàn)場鉆探揭露的地質(zhì)條件，考慮到該項目工期較緊，經(jīng)多方案地基處理比選并根據(jù)地勘報告對生物池、二沉池、反硝化濾池、氣浮池采用沉管灌注樁復(fù)合地基進行地基加固處理的方案成樁可行性較高。

3 地基處理設(shè)計

3.1 沉管灌注樁復(fù)合地基設(shè)計

荷載作用下，剛性樁與天然地基土體通過變形協(xié)調(diào)共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載作用。初步設(shè)計時，由樁周土和樁端土及樁身材料強度提供的單樁豎向抗壓承載力特征值按式（1）、式（2）計算，取計算結(jié)果的較小值［2］。

式中：Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值；Ap為單樁面積；up為樁的周長；n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi為第i層土的樁側(cè)摩阻力特征值；li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度；qp為樁端土地基承載力特征值，強風(fēng)化白云巖取500kPa；α為樁端土地基承載力折減系數(shù)，取1.0；fcu為樁體抗壓強度平均值，樁身混凝土強度等級為C25，fcu＝11300kPa；η為樁體強度折減系數(shù)，取0.33。

復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過復(fù)合地基靜載荷試驗或采用增強體靜載荷試驗結(jié)果和其周邊土的承載力特征值結(jié)合經(jīng)驗確定。初步設(shè)計時，可按下列公式估算［4］：

式中：λ 為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，本工程取1.0；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.65；fspk為復(fù)合地基承載力特征值；fsk為處理后樁間土承載力特征值，取108kPa；m為面積置換率，m＝d2＝0.060428。

樁徑d＝0.5m，樁間距S＝1.80m，呈正方形布置；僅考慮粉質(zhì)黏土取平均土層厚度為6m（計算側(cè)阻力有效樁長），樁側(cè)摩阻力特征值qsi＝20kPa；忽略淤泥層及素填土層側(cè)摩阻力實際平均樁長約為10m；由式（1）、式（2）計算的單樁抗壓強度特征值Ra分別為286kPa、731kPa，取特征值較小者Ra＝286kPa；由式（3）得處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk＝154kPa。

根據(jù)地質(zhì)資料剖面圖，擬建場地內(nèi)生物池、二沉池、氣浮池、反硝化濾池、接觸消毒池、中間提升泵房等荷載大、平面尺寸長的主要污水處理構(gòu)筑物基礎(chǔ)下的地基采用沉管灌注樁復(fù)合地基處理方案。沉管灌注樁的平面布置及樁基礎(chǔ)的立面配筋如圖2、圖3 所示。

圖2 沉管灌注樁平面布置Fig.2 Plane layout of immersed cast-in-place piles

圖3 沉管樁立面配筋Fig.3 Reinforcement of immersed pile facade

沉管灌注樁布置間距，除反硝化濾池間距為1.70m×1.70m外；其余單體構(gòu)筑物均為1.80m ×1.80m；沉管樁的長度按實際，并應(yīng)按貫入度的入土深度控制樁長，樁端支承于強風(fēng)化巖；因場地內(nèi)巖石面起伏較大，當(dāng)樁頂離巖石面距離大于15m時，沉管樁的長度按15m樁長進行施工，當(dāng)樁端支承于強風(fēng)化面樁長小于6m 時，樁應(yīng)嵌入強風(fēng)化巖0.5m。按上述復(fù)合地基處理計算公式，計算可知處理后的地基承載力特征值滿足上部結(jié)構(gòu)荷載要求。

地基變形驗算按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［5］5.3.5 條進行基礎(chǔ)沉降計算，在PKPM 基礎(chǔ)設(shè)計模塊中輸入沉降計算相關(guān)地質(zhì)資料。經(jīng)計算二沉池標(biāo)準(zhǔn)組合下最大基底反力為110kPa ＜fspk＝154kPa，平均基底反力為80kPa。二沉池基礎(chǔ)底板沉降變形如圖4 所示，沉管灌注樁中心沉降變形最大為155.26mm，筏板最大沉降為123mm，位于二沉池底板基礎(chǔ)的右上角局部位置處；基礎(chǔ)底板平均沉降變形約為77mm，小于工藝設(shè)備安裝運行允許平均沉降變形125mm。不均勻沉降差引起的二沉池整體傾斜為（123-77）／42000 ＝0.0011 ＜0.004；二沉池地基經(jīng)處理后其復(fù)合地基承載力及沉降變形均滿足規(guī)范設(shè)計要求。

圖4 二沉池底板沉降云圖（單位：mm）Fig.4 Cloud chart of bottom plate settlement of secondary sedimentation tank（unit：mm）

各單體構(gòu)筑物地基處理計算結(jié)果如表2 所示，基礎(chǔ)底板平均沉降變形均小于工藝設(shè)備安裝運行允許平均沉降變形125mm，基礎(chǔ)平均地基反力均小于處理后的地基承載力fspk＝154kPa。處理后的復(fù)合地基各項計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表2 其他構(gòu)筑物沉管樁地基處理結(jié)果Tab.2 Results of foundation treatment for immersed pipe piles of other structures

3.2 換填墊層設(shè)計

考慮到地基處理的經(jīng)濟性及施工的便捷性，對一體化處理設(shè)備基礎(chǔ)、污泥池、污水回流井、檢測用房及門衛(wèi)室等平面尺寸小、結(jié)構(gòu)荷載輕的構(gòu)筑物采用換填墊層進行地基處理。換填材料采用級配良好的碎石，并進行分層碾壓合格后方可進入下道工序；換填厚度為1.2m，換填后的地基承載力為160kPa?；A(chǔ)換填墊層做法見圖5 所示，按規(guī)范［4］第4.2.2 條計算得最大荷載單體的軟弱下臥層的地基承載力pz＋pcz＝83kPa ＜faz＝95kPa；墊層地基的變形由墊層自身變形和下臥層變形組成，根據(jù)規(guī)范［5］5.3.5 條對換填墊層地基的變形進行計算得s＝35mm ＜77mm，平均沉降變形滿足規(guī)范要求。換填墊層設(shè)計時，需按地基規(guī)范6.2.2 條3 款考慮巖土界面上存在軟弱層（如泥化帶）對地基整體穩(wěn)定性的影響。根據(jù)地基規(guī)范第5.4.1 條對巖土界面采用圓弧滑動面法進行驗算，最危險的滑動面上產(chǎn)生的抗滑力矩MR＝148.6kN·m，滑動力矩MS＝94.5kN·m；MR／MS＝1.57 ＞1.2，即巖土界面處軟弱土層整體穩(wěn)定。

圖5 基礎(chǔ)換填墊層示意Fig.5 Schematic diagram of foundation replacement cushion layer

3.3 原有樁基礎(chǔ)利用

原一期建設(shè)的粗細格柵沉砂池結(jié)構(gòu)為樁基礎(chǔ)，已經(jīng)于2014 年施工完成（原設(shè)計各單體構(gòu)筑物基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，施工單位在施工細格柵池樁基礎(chǔ)時出現(xiàn)塌孔、溶洞處超灌混凝土、持力層深、樁長普遍大于30m、成樁困難、經(jīng)濟性差等問題，投資超預(yù)算），后因業(yè)主原因該粗細格柵池上部結(jié)構(gòu)未修建。二期擴建時，考慮到原設(shè)計的粗細格柵樁基礎(chǔ)已實施，為節(jié)約投資，業(yè)主想利用原設(shè)計基礎(chǔ)作為新建格柵池的基礎(chǔ)，為此在工藝設(shè)計時，在不影響結(jié)構(gòu)安全的情況下盡量使工藝平面與原設(shè)計工藝圖相一致，但仍有部分新建柱與樁基礎(chǔ)不重合，新建筏板基礎(chǔ)外輪廓尺寸與原始設(shè)計樁基礎(chǔ)平面相吻合，如圖6 所示。

圖6 沉砂池原有樁基布置Fig.6 The original pile foundation layout of the sand settling tank

本次粗細格柵設(shè)計充分考慮業(yè)主訴求，利用原有樁基礎(chǔ)作為粗細格柵池的基礎(chǔ)，面臨的問題有：1）需請第三方檢測機構(gòu)對原有樁基礎(chǔ)進行承載力和樁身完整性檢驗，影響工期；2）部分新建柱并未與原有樁基礎(chǔ)重合，需重新進行挖樁，現(xiàn)場施工困難。鑒于以上問題按照沉管灌注樁設(shè)計思路，在原樁基礎(chǔ)范圍內(nèi)鋪設(shè)500mm 厚級配良好的碎石，并按換填墊層的施工要求，以保證上部結(jié)構(gòu)能夠有較好的變形協(xié)調(diào)能力。級配碎石換墊層施工完成并檢測合格滿足承載力要求后，再進行新建格柵池筏板基礎(chǔ)施工。

4 單樁靜載荷試驗

通過沉管灌注樁靜載試驗，可確定樁的入土深度及合理的拔管速度和充盈系數(shù)。在相同的地質(zhì)條件下，試驗樁的數(shù)量不少于2 根；本工程結(jié)合地勘報告及構(gòu)筑物的重要性分別選擇生物池、反硝化濾池、二沉池、氣浮池基礎(chǔ)范圍內(nèi)有代表性場地及地質(zhì)情況復(fù)雜的位置布置試驗樁。反硝化濾池試驗樁布置如圖7 所示，沉管至設(shè)計標(biāo)高或至持力層后，根據(jù)沉管時地質(zhì)變化情況確定拔管速度并推算各種土層混凝土充盈系數(shù)不小于1；對于充盈系數(shù)小于1.0 的樁，應(yīng)全長復(fù)打，對可能斷樁和縮頸樁，應(yīng)進行局部復(fù)打。試驗樁施工完成后，根據(jù)試樁確定的施工工藝和參數(shù)進行沉管灌注樁的施工。

圖7 濾池試驗樁布置Fig.7 Layout of filter test piles

根據(jù)檢測單位對試驗樁的靜載荷試驗數(shù)據(jù)整理可得反硝化濾池、生物池復(fù)合地基試驗樁的荷載-沉降曲線，如圖8、圖9 所示。所有試驗樁荷載加至設(shè)計承載力特征值的2 倍時，均未達到破壞標(biāo)準(zhǔn)。因此，處理后的復(fù)合地基承載力及單樁承載力均滿足設(shè)計要求。

圖8 濾池復(fù)合地基荷載-沉降曲線Fig.8 Load displacement curve of filter composite foundation

圖9 生物池復(fù)合地基荷載-沉降曲線Fig.9 Load displacement curve of biological pool composite foundation

5 地基處理施工

沉管灌注樁施工工藝步驟如下：場地平整及地上障礙物清理→樁基設(shè)備進場安裝調(diào)試→測量放線定位→樁基設(shè)備就位→樁管和樁尖就位→靜壓沉管→終止壓管→放置鋼筋籠→澆灌混凝土→拔管→移機→單樁施工完畢。場地內(nèi)施工完成的沉管灌注樁如圖10 所示。

圖10 沉管灌注樁施工現(xiàn)場Fig.10 Construction site of immersed cast-in-place pile

沉管灌注樁成樁過程中應(yīng)符合：1）施工前應(yīng)按設(shè)計要求在室內(nèi)進行配合比試驗，施工時應(yīng)按配合比配置混合料；2）沉管灌注樁成樁施工拔管速度應(yīng)勻速，宜控制在1.5m／min～2m／min，遇淤泥或淤泥質(zhì)土?xí)r，拔管速度應(yīng)取低值；3）樁頂超灌高度不應(yīng)小于0.5m，成樁過程中，應(yīng)抽樣做混合料試塊，每臺機械一天應(yīng)做一組3 塊試塊，進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護并應(yīng)測定其立方體抗壓強度；4）挖土和截樁時應(yīng)注意對樁體及樁間土保護，褥墊層鋪設(shè)宜采用靜力壓實法。當(dāng)樁間土含水量較小時，也可采用動力夯實法。褥墊層夯填度不大于0.9。

基礎(chǔ)換填墊層施工需注意：1）墊層應(yīng)分層進行密實度檢驗，在施工結(jié)束后進行承載力檢驗；2）高填方地基應(yīng)分層填筑，分層壓（夯）實、分層檢驗，且處理后的高填方地基應(yīng)滿足密實和穩(wěn)定性要求：3）壓實、夯實地基應(yīng)進行承載力、密實度及處理深度范圍內(nèi)均勻性檢驗，壓實地基的施工質(zhì)量檢驗應(yīng)分層進行。

為了掌握各建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)沉降變形情況，基礎(chǔ)施工完成后可在基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)上設(shè)置沉降觀測點；在施工及使用期間須對基礎(chǔ)進行沉降觀測，使其平均沉降量小于規(guī)范允許值。

6 結(jié)語

廠區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理施工于2023 年3月底完成，基礎(chǔ)及上部主體結(jié)構(gòu)于5 月底完成；6 月完成閉水試驗，合格后進行設(shè)備安裝調(diào)試，8月污水廠正式投產(chǎn)運行。目前，基礎(chǔ)承載力滿足要求，沉降變形觀測遠低于規(guī)范允許值，運行效果較好。通過對六盤水九洞橋二期污水處理廠地基處理與設(shè)計分析有以下幾點總結(jié)：

1.巖溶發(fā)育的場地內(nèi)其巖體完整性對地基基礎(chǔ)工程影響較大，基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)結(jié)合地勘報告進行多方案比選。

2.本工程沉管灌注樁間距為1.8m，呈正方形布置，平均樁長10m，處理后的復(fù)合地基承載力為154kPa，單樁承載力為280kN，均能滿足上部結(jié)構(gòu)荷載要求。

3.換填墊層用于污泥池、污水回流井等小型構(gòu)筑物地基處理既能保證結(jié)構(gòu)安全又經(jīng)濟可靠；粗細格柵池充分利用原有樁基礎(chǔ)，可有效減少基礎(chǔ)處理費用。