樁基在古學水電站廠房基礎處理中的應用

鄧柏林 葉小波

【摘 要】本文就樁基在古學水電站廠房基礎處理中的應用進行了簡要闡述與分析。

【關鍵詞】樁基；水電站廠房；基礎處理；應用

1.概述

1.1 廠房工程地質條件

古學水電站廠址位于定曲河左岸卡日共村上游350m處一級階地上，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質，結構松散。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，結構較密實。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，結構中密～密實，夾有較少卵礫石。分布于現(xiàn)代河床深13.7m～42.0m處。

覆蓋層取樣試驗結果表明（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，屬級配不良的含細粒土礫，細顆粒料含量為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、固結灌漿或樁基礎等工程措施進行處理。

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、砂質板巖夾灰?guī)r，根據(jù)地面測繪素描、統(tǒng)計成果，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 。進廠公路位于廠房左側，通過與得榮至香格里拉公路連接進入廠區(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，副廠房位于主廠房右側，GIS樓緊靠副廠房右側并排布置。

1.3 主要工程地質問題

廠房基礎開挖至建基面后所揭露地質情況表明：廠下0+003.000向下游側為第三層沖洪積砂卵礫石覆蓋層，覆蓋層厚度向河床側逐步加深，廠房尾水平臺覆蓋層厚度為18-22m，下伏基巖為灰色鈣質、砂質板巖；廠下0+003.000向上游側為鈣質板巖、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)古學水電站廠房基礎及底板結構受力特點，其基礎處理方案如下：

方案一：柔性基礎處理方案

該方案的總體設計思路是允許廠房基礎發(fā)生變形，設計重點是考慮如何將基礎的不均勻沉降降低到允許范圍內(nèi)。為保證設計成果的可靠性，對廠房覆蓋層基礎面進行了原位淺層平板靜荷載試驗，通過試驗得到砂卵礫石覆蓋層基礎的承載力特征值及荷載-沉降關系線。依據(jù)基礎試驗成果并結合工程經(jīng)驗，制定如下基礎處理方案：對基巖部分開挖至底板建基面高程以下1m～3m，然后回填級配碎石，覆蓋層部分開挖至底板建基面后對表層進行碾壓處理。為驗證該方案的可行性，以試驗數(shù)據(jù)為基礎對廠房進行了三維有限元整體計算，通過計算得知廠房基礎豎向最大變形為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應力要求。

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)覆蓋層基礎進行處理，使廠房底板坐落在基巖與處理后的覆蓋層基礎共同形成的剛性基礎上，具體處理措施有如下三種方式：

1）灌漿處理

該處理方法設計思路是對覆蓋層基礎進行灌漿處理，從而提高基礎的剛度和均勻性。具體處理方法為對覆蓋層基礎采用高壓旋噴與低壓固結灌漿相結合的方式。

高壓旋噴灌漿按照間排距2m、灌漿壓力30MPa控制，由外向內(nèi)進行，在完成旋噴灌漿后對旋噴灌漿間隔區(qū)域采用固結灌漿，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

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

3）樁基礎處理

樁基礎由基樁和聯(lián)接于樁頂?shù)某信_共同組成。承臺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，基樁分為摩擦型樁和端承型樁。端承樁結構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硬巖層的地質條件。

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

根據(jù)廠房基礎覆蓋層較淺、底部具有堅硬巖層、廠房結構自重較大且對穩(wěn)定及沉降有較高要求的特點，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的承臺板，通過嵌入巖石內(nèi)的端承樁和樁基上部的承臺板形成整體樁基。

2.2 工程技術特點分析

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

b、剛性基礎處理方案底板結構受力明確，相關計算理論成熟，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）灌漿處理方式設計上可行，但由于在工程實施過程中受到施工材料、施工工藝以及施工質量因素影響較多，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，適應性好，機械化程度高、施工簡便等特點，同時設計也比較成熟。

2.3工程量及投資進行對比分析

2.4對比分析結論

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

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

3.樁基設計

3.1樁基設計流程

廠房底板基礎屬于端承型群樁，其設計原理與端承型單樁基本一致，因此在具體結構設計中按單樁進行計算，具體設計流程如下：

（1） 場地勘察，收集有關資料；

（2） 綜合勘察報告、荷載情況、使用要求、上部結 構條件等確定樁基持力層；

（3） 選擇樁材，確定樁外形尺寸和構造；

（4） 確定單樁承載力設計值；

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

（6） 根據(jù)樁的平面布置，初步擬訂承臺的輪廓尺寸及承臺底標高；

（7） 驗算作用于單樁上的豎向和橫向荷載；

（8） 驗算承臺尺寸及結構強度；

（9） 繪制樁和承臺的結構及施工詳圖。

3.2樁基設計成果

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

樁體混凝土強度等級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。

承臺板混凝土強度等級C25，厚1.5m；

抗沖切承載力12297 KN，大于樁身荷載7500 KN；

順水流向受剪承載力31946 KN，垂直水流向受剪承載力59329KN，均大于設計荷載，穩(wěn)定滿足要求。

在對廠房基礎進行樁基處理后，為驗證其可靠性，對廠房進行整體三維有限元計算復核，經(jīng)計算廠房基礎豎向最大變形為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應力要求，證明樁基處理方式合理，達到了預期效果 。

4.結論與展望

鑒于古學水電站廠房基礎的不均一性，為滿足廠房結構設計及安全運行要求，對剛性基礎處理及柔性基礎處理方案進行比選，最終選用剛性基礎處理方案中的樁基處理方式，經(jīng)設計計算滿足要求，達到了預期處理效果 。

本工程基礎處理按樁基設計，上部荷載由基樁與承臺組成的基礎共同承擔，實際上承臺下的地基土對上部荷載也具有分擔作用，因此可以進一步進行復合樁基的研究，這樣有利于充分利用基礎承載力，起到優(yōu)化樁基結構、節(jié)省工程投資的目的。