浅谈水池桩基设计及问题处理

梅林昌

摘要：在石化建构筑物设计中，污水处理水池是比较常见构筑物。大型水池占地面积大，埋深在五六米范围内，特别是地处沿江沿海一带的化工厂污水处理水池，碰见地质条件差及地下水位高的情况，往往设计中既要考虑地基承载力不够，又要考虑水池自身抗浮不够等问题。而要考虑采用桩基处理原地基。因此，桩基在水池设计中的应用就比广泛，既要考虑满足地基承载力要求，同时还要满足抗浮抗拔要求。那么桩基设计的应用对做化工设计人员是一个比较重要课题。本文通过论述水池桩基的设计及现场碰见问题的解决方案，以解决水池地基处理满足实际情况及业主要求。

关键词：水池设计；地基承载力；抗浮；设计方法

一、引言

随着国家对环保要求越来越重视，化工厂区污水处理要求，各式各样的污水处理水池应运而生。但是，就目前来说，由于工期紧迫，化工厂区地理位置等等因素。所以在水池设计中地基往往不容易满足设计要求。预应力管桩在地基处理中也是比较常见的一种地基处理方式，地基处理后承载力高，施工工期短，不易引起不均匀沉降。但根据我国目前实际情况，往往是原石化厂区建厂比较早，现场以前可用数据丢失，国家规范不断更新，地勘单位地质勘探时间紧迫提供的地勘资料数据有误差，及设计人员经验有限，而造成设计人员计算桩基承载力及抗拔力，检测后达不到设计要求，造成二次施工耽误工期及增加经济成本。所以实际项目实施需通过施工工艺及试桩等措施，取得相关数据反馈设计人员，设计人员获得真实准确数据，合理设计桩基地基处理已达到最优、最经济方案。因笔者公司项目多为石化化工项目，故笔者主要就曾经碰见的相关项目做简要说明，建构筑物整体结构计算是通过世纪旗云水池及工具箱设计软件建模计算，相关节点参数查找部分图集，本文不做累述。现只做水池桩基部分设计及现场问题解决进行概述分析。

二、工程实例

本工程为武汉某一化工厂外排污水提标升级改造项目中的曝气生物滤池及臭氧氧化池。设计标高采用相对标高，地面标高为+0.000。曝气生物滤池宽20.3m长42m，西侧埋深1m东侧埋深0.5m池顶高出地面大于6m；臭氧氧化池宽9m长13.8m，埋深3.5m地上部分3.2m。抗震设防烈度为6度，地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地为Ⅲ类建筑场地。建筑场地不考虑地基土液化，地面粗糙程度B类，水池防水等级为二级，建筑结构合理使用年限为50年，池顶步道板活荷载为4.0kN/㎡，风荷载为0.35kN/㎡，荷载组合按照《建筑结构荷载规范》相关条文规范确定，主要型钢材料采用Q235B。楼梯踏步以混凝土板式楼梯为主，部分设置钢梯。水池地基为桩基基础，以水池0.5m底板做为桩基筏板，臭氧氧化池由于现场施工条件限制后变更为水下混凝土灌注桩，不做描述。曝气生物滤池为预应力管桩桩基，东侧桩顶标高-1.400；东侧桩顶标高-0.400。

三、桩基设计与分析处理

根据业主提供地勘，各层土层参数如下表：（施工前业主提供之前参照附近地勘设计）

基础设计及方案讨论阶段，根据地勘是打算做换填处理或者做水您搅拌桩地基处理，由于原厂区开挖土方无法找到弃土场，及原场地是将现有办公楼拆除，建筑垃圾基地平整，最终决定才预应力管桩桩基础，施工工艺采用静压设备施工。

桩基础是深基础中的一种，是由基桩和连接于基桩桩顶的承台共同组成。桩基础的作用是将上部结构的荷载，传递到深部较坚硬的、压缩性较小、承载力较大的土层上；或使软弱土层受挤压，提高地基土的密实度和承载力。以保证建构筑物的稳定性，减少地基沉降。按桩的施工方法不同，有预制桩和灌注桩两类。预制桩是在工厂或施工现场用不同的建筑材料制成的各种形状的桩，然后用打桩设备将其沉入地基土中。灌注桩是在设计桩位上先成孔，然后放入钢筋骨架，再浇筑混凝土而成的桩。灌注桩按成孔的方法不同，分为泥浆护壁成孔灌注桩、干作业钻孔灌注桩、沉管灌注桩等。

曝气生物滤池的桩基础设计采用预应力管桩，根据上游水专业提供的条件，及业主提供采购建议，采用直径Φ500的预应力管桩，桩长设计为27m，进入○5粉质粘土层，采用世纪旗云工具箱及《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）的5.3.8条计算，单桩承载力特征值不小于于790kn，按照750kn进行设计。采用世纪旗云水池模块计算，西侧单桩抗压计算：砼荷载为13821.3kn，水荷载为12277.5kn，总荷载为26097.8kn（均按照荷载规范考虑组合系数，活荷载按照满水等折算），抗浮计算排水荷载为2719.2kn小于砼荷载，故不需考虑抗浮；东侧单桩抗压计算：砼荷载为30872.4kn，水荷载为29475.6kn，总荷载为60348kn，抗浮计算排水荷载为6186.2kn小于砼荷载，也不需考虑抗浮，根据桩间距要求计算布置桩基，东侧为84根，西侧为35根，布置如下图：

注：图中不同管桩图例为区分桩顶标高不在同一高度。

由于受到时间的约束，根据业主与监理协商，以此桩基础设计进行桩基施工，东侧北角第一根桩做试压，以静压设备读数作为试桩参考。这个过程具有相当的不性，结果显示待管桩压至设计标高，机械设备读数换算后单桩极限承载力不满足1500kn要求，只有1300kn。只达到设计计算结果85%，小于设计要求。经过仔细分析了勘察报告及与地勘单位沟通协商，而且与周边其他工程的地质报告对比，认为报告所提供的各土层特性基本准确，我们分析可能由于压桩机械的压桩速度偏快，而土层的粘聚力又偏小，故压桩时桩将土直接剪坏，引起压桩力偏低，随着时间推移土能恢复固结。单桩承载力能满足设计要求。当时给业主提出等15天后进行的静压堆载后，确定分析无误，再进行后续桩基施工，但由于工期紧迫，最后根据地勘土层情况及地勘院人员建议，加长原设计桩长，让桩端进入第○6圆砾层试压看结果，第二根桩基采用31m桩长试压，待静压设备压第2根桩至设计标高，根据静压设备读数换算为单桩极限承载力为2100kn，而且验算水池地板抗冲切满足要求。后设计变更，将水池原设计桩长改为31m施工。第一根27m处理办法为，桩顶连接一节5m桩顶压至设计标高。

此外，由于现场是将原办公楼拆除，建筑垃圾就地回填，桩基施工偏差必须严格控制，桩位的偏差都将产生很大的附加内力，而使基础设计处于不安全状态。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第7.4、7.5节相关要求。现场交底就与业主、监理及施工方意见统一，标高误差控制+2mm。桩位的水平偏差为最外边桩：1/3桩径或边长；中间桩：1/2桩径或边长，本工程管桩采用静压设备，桩顶标高完全能满足施工验收要求。而水平桩位误差通过现场小型挖机配合，将设计桩位处大块混凝土块预先清除。通过以上措施完全避免桩顶标高高出设计标高而需要劈桩，以及桩顶标高过低或桩位水平偏差过大需要补桩等问题，造成影响工期又浪费金钱的问题。大大提高了现场施工进度及质量控制。

通过合理有效的施工管理，曝气生物滤池单元预应力管桩13天全部施工完毕，期间检测单位（武汉中和工程技术有限公司）陆续进场，待静压桩施工完达到15天后，依据《建筑桩基检测技术规范》（JGJ106-2014）检测要求，对现场施工管桩进行检测。预应力管桩完整性全部为Ⅰ类，单桩极限承载力为1700kn。

四、结语

桩基施工由于地层的不可知性，经常会遇到很多异常情况，这就要求我们根据具体的情况，仔细分析，采用妥善的去解决各类现场问题：

1、桩基达到其极限承载力而无法压至设计标高。这里可能存在两种情况，其一是地质报告有误。其二则可能由于土层本身原因，譬如说饱和砂土产生的孔隙水压力使桩基根本无法压入，这就需要从施工措施上去解决。参见规范《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第7.5节及施工经验。

2、桩基施工时压桩力远低于设计承载力。应仔细分析了勘察报告的准确性，也可从周边其他工程的地质报告判断勘察报告无误，分析可能由于压桩机械的压桩速度偏快，而土层的粘聚力又偏小，故压桩时桩将土直接剪坏，引起压桩力偏低，随着时间推移土能恢复固结。在15天后进行的检测，证明判断的准确性，现场做试桩能提供数据给设计人员设计参考，一减少不必要经济损失，也从侧面强调了静载荷试桩的重要性。

3、桩基静载荷试验不合格。不能因为业主要求试桩与工程桩同时进行，而违背《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）相关规定及要求，避免造成不必要的数据错误分析结果。

4、管桩裂缝处理。预应力管桩以其强度高，制作周期短，比预制桩节省材料等优点在工程设计中受到普遍，但其也存在受剪能力差的不足之处。在工程实践中，由于垂直度偏差或挤土等原因经常会使管壁产生裂缝而影响质量。对此类桩可以采用了先纠偏再进行灌芯处理，使裂缝部位的传力通过灌芯部分混凝土传递，可通过静载荷试验检测桩基是否满足要求。这就要管桩在施工过程中注意垂直度的控制，因为管桩的抗剪能力较差，很容易破坏而引起不必要的损失。

桩基工程是一繁重而复杂的过程，我们设计人员一定要考虑到每一个环节，统筹兼顾，从各方面使之合理化。好的设计不仅仅是要保证建筑物安全，更要使设计经济合理。

参考文献：

[1]《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）.

[2]《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）.