六盤水某污水廠地基處理設計與分析

王星星 賴慶文 廖光明 王文彬 艾道武

1.貴州省建筑設計研究院有限責任公司 貴陽550002

2.四川大學建筑與環境學院 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，廠區總占地面積為85038.24m2；設計污水處理規模為10 萬t／d，設計出水標準達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》［1］（GB 18918—2002）一級A標準，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（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、鼓風機房、配電房等。

根據《六盤水市九洞橋污水處理廠巖土工程勘察報告》，擬建廠區原地形稍有起伏，后經人工回填地形較平坦；污水廠周邊無邊坡滑移、泥石流等不良地質構造和抗震不利地段。場地內巖體節理、裂隙發育，巖體破碎，地質構造較發育；除此外，尚有溶蝕裂隙、溶洞、溝槽、石芽等巖溶形態發育，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。該廠區內巖土構成及具體巖土特征參數自上而下如表1 所示，場地內具有代表性的地質剖面如圖1 所示。

圖1 代表性地質剖面Fig.1 Representative geological profile

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

廠區設計地坪標高為1781.00m，抗浮設防水位為1780.85m。各污水處理池基礎底板低于設防水位約1m～2m；水池結構自重遠大于水池浮力的1.05 倍，主體結構整體抗浮滿足；基礎底板較厚，經計算通過構造配筋能夠滿足局部抗浮設計；故結構抗浮設計滿足要求。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

擬建場地若選用中風化白云巖作為地基持力層，中風化白云巖承載力特征值fak＝3000kPa，需采用端承樁基礎；樁徑約為1.2m，樁間距按7.5m×8.0m布置，需布樁數約為360 根，平均樁長約20m；樁基礎施工造價約為1100 萬元?？紤]場地內巖溶形態極為發育，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育，巖體及其基本質量特征、基礎上部荷載大小直接影響樁基穩定性。

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

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

場內巖溶洞隙不均勻性及連通性導致溶洞處理措施及費用不可預見性；同時場地水位較高，巖溶強發育，樁身較長，且局部土層、強風化及破碎巖體較厚，容易塌孔，不便于施工。根據一期施工單位樁基礎施工經驗現場成樁難度極大，影響工期，且施工人員安全保障度低；經設計單位結合現場實際情況，選用大直徑端承樁的基礎方案不適于本工程。

2.2 換填墊層

換填墊層法是指把基礎下部一定深度范圍內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。

考慮到場地內地下水位埋藏較淺，水位頻繁變動導致換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筑物使用換填墊層的處理方案存在較大的質量風險。

設計中對一體化處理設備基礎、污泥池、污水回流井、檢測用房及門衛室等基底反力荷載輕、單體尺寸小的污水處理輔助構筑物采用換填墊層進行地基處理，既經濟又能保證工程質量。

2.3 沉管灌注樁復合地基

沉管灌注樁是剛性樁復合地基處理的一種，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、預應力管樁等剛性樁［2］。沉管灌注樁是目前國內應用較為廣泛的一種樁型，具有成樁速度快、施工周期短、設備簡單、無泥漿污染、場地整潔美觀的優點［3］。

根據本工程現場鉆探揭露的地質條件，考慮到該項目工期較緊，經多方案地基處理比選并根據地勘報告對生物池、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 地基處理設計

3.1 沉管灌注樁復合地基設計

荷載作用下，剛性樁與天然地基土體通過變形協調共同承擔上部結構荷載作用。初步設計時，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為樁長范圍內所劃分的土層數；qsi為第i層土的樁側摩阻力特征值；li為樁長范圍內第i層土的厚度；qp為樁端土地基承載力特征值，強風化白云巖取500kPa；α為樁端土地基承載力折減系數，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，取0.33。

復合地基承載力特征值應通過復合地基靜載荷試驗或采用增強體靜載荷試驗結果和其周邊土的承載力特征值結合經驗確定。初步設計時，可按下列公式估算［4］：

式中：λ 為單樁承載力發揮系數，本工程取1.0；β為樁間土承載力發揮系數，取0.65；fspk為復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；僅考慮粉質黏土取平均土層厚度為6m（計算側阻力有效樁長），樁側摩阻力特征值qsi＝20kPa；忽略淤泥層及素填土層側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）得處理后復合地基承載力特征值fspk＝154kPa。

根據地質資料剖面圖，擬建場地內生物池、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筑物基礎下的地基采用沉管灌注樁復合地基處理方案。沉管灌注樁的平面布置及樁基礎的立面配筋如圖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；其余單體構筑物均為1.80m ×1.80m；沉管樁的長度按實際，并應按貫入度的入土深度控制樁長，樁端支承于強風化巖；因場地內巖石面起伏較大，當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，當樁端支承于強風化面樁長小于6m 時，樁應嵌入強風化巖0.5m。按上述復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構荷載要求。

地基變形驗算按照《建筑地基基礎設計規范》［5］5.3.5 條進行基礎沉降計算，在PKPM 基礎設計模塊中輸入沉降計算相關地質資料。經計算二沉池標準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的右上角局部位置處；基礎底板平均沉降變形約為77mm，小于工藝設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；二沉池地基經處理后其復合地基承載力及沉降變形均滿足規范設計要求。

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）

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

表2 其他構筑物沉管樁地基處理結果Tab.2 Results of foundation treatment for immersed pipe piles of other structures

3.2 換填墊層設計

考慮到地基處理的經濟性及施工的便捷性，對一體化處理設備基礎、污泥池、污水回流井、檢測用房及門衛室等平面尺寸小、結構荷載輕的構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換填墊層做法見圖5 所示，按規范［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，根據規范［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范要求。換填墊層設計時，需按地基規范6.2.2 條3 款考慮巖土界面上存在軟弱層（如泥化帶）對地基整體穩定性的影響。根據地基規范第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定。

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

3.3 原有樁基礎利用

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

本次粗細格柵設計充分考慮業主訴求，利用原有樁基礎作為粗細格柵池的基礎，面臨的問題有：1）需請第三方檢測機構對原有樁基礎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重合，需重新進行挖樁，現場施工困難。鑒于以上問題按照沉管灌注樁設計思路，在原樁基礎范圍內鋪設500mm 厚級配良好的碎石，并按換填墊層的施工要求，以保證上部結構能夠有較好的變形協調能力。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。在相同的地質條件下，試驗樁的數量不少于2 根；本工程結合地勘報告及構筑物的重要性分別選擇生物池、反硝化濾池、二沉池、氣浮池基礎范圍內有代表性場地及地質情況復雜的位置布置試驗樁。反硝化濾池試驗樁布置如圖7 所示，沉管至設計標高或至持力層后，根據沉管時地質變化情況確定拔管速度并推算各種土層混凝土充盈系數不小于1；對于充盈系數小于1.0 的樁，應全長復打，對可能斷樁和縮頸樁，應進行局部復打。試驗樁施工完成后，根據試樁確定的施工工藝和參數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

根據檢測單位對試驗樁的靜載荷試驗數據整理可得反硝化濾池、生物池復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計承載力特征值的2 倍時，均未達到破壞標準。因此，處理后的復合地基承載力及單樁承載力均滿足設計要求。

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

圖9 生物池復合地基荷載-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→樁基設備進場安裝調試→測量放線定位→樁基設備就位→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 沉管灌注樁施工現場Fig.10 Construction site of immersed cast-in-place pile

沉管灌注樁成樁過程中應符合：1）施工前應按設計要求在室內進行配合比試驗，施工時應按配合比配置混合料；2）沉管灌注樁成樁施工拔管速度應勻速，宜控制在1.5m／min～2m／min，遇淤泥或淤泥質土時，拔管速度應取低值；3）樁頂超灌高度不應小于0.5m，成樁過程中，應抽樣做混合料試塊，每臺機械一天應做一組3 塊試塊，進行標準養護并應測定其立方體抗壓強度；4）挖土和截樁時應注意對樁體及樁間土保護，褥墊層鋪設宜采用靜力壓實法。當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。

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

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

6 結語

廠區建（構）筑物地基處理施工于2023 年3月底完成，基礎及上部主體結構于5 月底完成；6 月完成閉水試驗，合格后進行設備安裝調試，8月污水廠正式投產運行。目前，基礎承載力滿足要求，沉降變形觀測遠低于規范允許值，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計分析有以下幾點總結：

1.巖溶發育的場地內其巖體完整性對地基基礎工程影響較大，基礎設計時應結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，處理后的復合地基承載力為154kPa，單樁承載力為280kN，均能滿足上部結構荷載要求。

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