某供水工程净水间湿陷性地基处理

王毅凡 张汉 王嘉玺

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引言

西北某市给水系统主要由城市自来水供水，该市目前地表水厂1座，规划总规模8万m3/d，水源为水库地表水，一期工程2万m3/d，于2005年12月建成通水；二期工程3万m3/d，于2012年9月建成通水。因城市社会经济发展、人口增加及城市规划发展不断扩大，原有5万m³/d的供水能力已经不能满足该市未来5年的供水需求，因此需要扩大供水规模，实施净水厂三期工程。

工程概况

净水厂建设工程三期规模3万m³/d，包括取水泵站、输水管道、净水厂三部分工程，主要建设：取水泵站安装水泵、高锰酸钾投加间改造，净水厂内新建稳压配水井1座，粉炭接触池及配水井1座、三期净水间1座、三期清水池1座等，改造二期加氯间1座、加药间1座等。

工程地质条件及评价

拟建场地位于净水厂院内，拟建场区场地地形开阔较平坦，地面相对高差2.8m。地貌单元属黄土塬。

据勘探揭露，场区45m深度范围内地层主要由第四系全新统人工堆积填土、上更新统风积黄土、古土壤及中更新统风积黄土、古土壤组成。勘探深度范围内揭示的地层共12层，各层土的特征如下：

1）第四系全新统人工堆积（Q4s）①填土，以素土为主，局部夹有零星砖块，稍密，干燥，层厚0.4～3.6m，层底标高772.5～768.5m。

2）第四系上更新统风积堆积（Q3eol）②黄土：灰黄色，疏松，针状孔隙发育，硬塑，稍湿，层厚6.1～6.5m，层底标高768.1～764.4m。

3）第四系上更新统风积堆积（Q3eol）③古土壤：褐红色，团粒结构，具虫孔，稍湿，菌丝发育，可塑～硬塑，层厚0.9～1.1m，层底标高766.9～763.3m。

4）第四系中更新统风洪积堆积（Q2eol+pl）④黄土状土：浅灰黄色，湿，中密-稍实，针状孔隙发育，硬塑，层厚5.5～6.3m，层底标高757.8～760.8m。

5）第四系中更新统风洪积堆积（Q2eol+pl）⑤古土壤：浅棕红色，硬塑，稍湿。具针状孔隙，团粒结构，含白色菌丝体，底部有薄层钙质结核。层厚0.6～1.2m，层底标高760.1～756.6m。

6）第四系中更新统风洪积堆积（Q2eol+pl）⑥黄土状土：浅灰黄色，湿，中密-稍实，针状孔隙发育，可塑。层厚5.0～5.9m，层底标高754.2～752.1m。

7）第四系中更新统风洪积堆积（Q2eol+pl）⑦古土壤：浅棕红色，硬塑，稍湿。具针状孔隙，团粒结构，含白色菌丝体，底部局部有钙质结核。层厚1.0～1.5m，层底标高750.9～753.0m。

8）第四系中更新统风洪积堆积（Q2eol+pl）⑧黄土状土：浅灰黄色，湿，硬塑，垂直节理发育，局部含零星钙质结核。层厚2.0～2.2m，层底标高751.0～748.2m。

9）第四系中更新统风洪积堆积（Q2eol+pl）⑨古土壤：浅棕红色，硬塑，稍湿。团粒结构，含白色钙质网膜及零星钙质结核团块。层厚1.2～1.9m，层底标高749.5～746.3m。

10）第四系中更新统风洪积堆积（Q2eol+pl）⑩黄土状土：浅灰黄色，可塑，土质均一，湿，中密-稍实，针状孔隙发育，含少量钙质结核。层厚4.3～4.5m，层底标高741.8～743.0m。

11）第四系中更新统风洪积堆积（Q2eol+pl）⑾古土壤：浅棕红色，硬塑，可塑，具团粒结构，含白色钙质菌丝，层厚1.8～1.9m，层底标高741.1～740.0m。

12）第四系中更新统风洪积堆积（Q2eol+pl）⑿黄土状土：浅灰黄色，湿，中密-稍实，针状孔隙发育，硬塑。该层本次勘察未揭穿。

根据统计结果，结合场地各层土的野外特征，对各层土的物理力学性质评价如下：

①层素填土：压缩系数a_1-2=0.18～0.22MPa^-1，液性指数平均值 =-0.64，属中等压缩性土，坚硬状态，湿陷系数δ_s2.0介于0.078～0.092之间，湿陷性强烈，工程性能差。

②层黄土：压缩系数a_1-2=0.12～0.31MPa^-1，液性指数平均值 =-0.46，属中等压缩性土，坚硬状态，湿陷系数δ_s2.0介于0.001～0.130之间，湿陷性强烈，工程性能差。

③层古土壤：压缩系数=a_1-2=0.11～0.34MPa^-1，液性指数平均值 =-0.42，属中等压缩性土，坚硬状态，湿陷系数δ_s2.0介于0.003～0.058之间，湿陷性中等，工程性能较差。

④层黄土状粉质粘土：压缩系数=a1-2=0.07～0.34MPa-1，液性指数平均值 =-0.43，属中等压缩性土，坚硬状态，湿陷系数δs2.0介于0.002～0.105之间，具湿陷性，工程性能一般。

⑤层古土壤：压缩系数=a1-2=0.12～0.31MPa-1，液性指数平均值

=-0.06，属中等压缩性土，坚硬状态，湿陷系数δs2.0介于0.006～0.061之间，具湿陷性，工程性能一般。

⑥层黄土状粉质粘土：压缩系数=a1-2=0.06～0.41MPa-1，液性指数平均值 =-0.32，属中等压缩性土，坚硬状态，湿陷系数δs2.0介于0.003～0.083之间，具湿陷性，工程性能一般。

⑦层古土壤：压缩系数a1-2=0.10～0.33MPa-1，液性指数平均值 =0.00，属中等压缩性土，硬塑状态，湿陷系数δs2.0介于0.003～0.059之间，具湿陷性。

⑧层黄土状粉质粘土：压缩系数a1-2=0.09～0.42MPa-1，液性指数平均值 =0.12，属中等压缩性土，硬塑状态，湿陷系数δs2.0介于0.003～0.038之间，具湿陷性。

⑨层古土壤：压缩系数a1-2=0.11～0.31MPa-1，液性指数平均值 =-0.05，属中等压缩性土，坚硬状态，湿陷系数δs2.0介于0.004～0.028之间，具湿陷性。

⑩层黄土状粉质粘土：压缩系数a1-2=0.11～0.21MPa-1，液性指数平均值 =-0.08，属中等压缩性土，坚硬状态，湿陷系数δs2.0介于0.004～0.008之间，不具湿陷性。

⑪层古土壤：压缩系数a1-2=0.12～0.33MPa-1，液性指数平均值 =0.01，属中等压缩性土，硬塑状态，湿陷系数δs2.0介于0.002～0.005之间，不具湿陷性。

⑫层黄土状粉质粘土：压缩系数a1-2=0.13～0.33MPa-1，液性指数平均值 =0.33，属中等压缩性土，硬塑状态，湿陷系数δs2.0介于0.001～0.014之间，不具湿陷性。

勘察场地属自重湿陷性场地，场区①～⑨层图土均具湿陷性。湿陷性土层分布深度21.0～23.0m。

根据勘探点地基湿陷量的计算结果，拟建场地各建筑物自重湿陷量计算值Δzs为309.2～664.2mm，总湿陷量的计算值Δs为594.4～1128.3mm。拟建场地湿陷类型为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅲ级（严重）～Ⅳ级（很严重）。

本工程净水间地基处理深度为17m，建筑地基为⑦层古土壤及以上土层，均具有不同程度的湿陷性。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》，净水间属于丙（乙）？类建筑。依据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）第6.1.1条、6.1.4条，6.1.5条，乙类建筑，当地基湿陷等级为Ⅲ级、Ⅳ级时，地基处理厚度不应小于6.0m、且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于150mm；

地基处理方案比选

常见的湿陷性黄土地基处理方案主要有：1.垫层法2.强夯法3.挤密法4.预浸水法。

净水厂净水间地基处理深度较深为17m，采用垫层法处理深度将达到基础底面下8.0m～11.5m，该方法处理施工虽较为方便，但处理厚度及基坑开挖深度均较大，地基处理及支护费用会较大。故不考虑。

采用预浸水法，在预浸水法结束后，短期内地基承载力会下降，无法满足建筑物对地基的要求，必须采用一定程度的地基处理方法。所以工程所需工序较为繁琐，工期较长，故不采用。

因此在挤密桩和强夯法间进行选取。

挤密桩是一种广泛应用的地基处理技术，灰土挤密桩在该净水厂二期工程已采用实施过。

强夯法采用动力压密，使用十几吨~几百吨的重锤从数十米的高度落下，对土体产生强烈的压密效果，从而消除土体的湿陷性。但普通强夯法施工时噪音较大，处理深层地基只能采用加大吊车起重能力和增大重锤重量等方式才能奏效。该工程附近存在居民生活区，采用普通强夯法产生的噪音和震动势必会对居民生活休息产生影响。项目部经过咨询研究，发现孔内深层强夯法（DDC）这一技术已在多处湿陷性地基处理实例中实施，该方法具有适用范围广，工程实例数百项，处理过各类疑难地基；具有高动能、超压强、强挤密的效果；处理深度深；地基处理后整体刚度均匀；造价低可就地取材；工期速度快，全机械化施工，受季节影响小，生产效率高；施工公害小（振动、噪音、空气污染等）等优点。

两种方案均技术成熟，均能达到设计要求，现对两种方案进行方案比对。

1. 灰土挤密桩法：

灰土挤密桩是采用带有管塞、活门或锥头的钢管打入孔内，形成钻孔，再往内加入灰土，进行分层夯实形成挤而密的桩体的一种地基处理方法。由于夯实机具的限制，挤密桩法处理地基的深度主要为5~15m。该工程地基处理深度高达17m，若需采用灰土挤密桩法，需要继续向下开挖2m，并对2m的土层进行换土垫层，从而整体开挖量及工程量有所增大，整体投资有所增加。

2. 孔内深层强夯法：

该方案采用旋挖法成孔，成孔后挖出的素土与灰土按照3：7比例进行拌合，将3：7灰土作为填料填入孔内，采用重锤冲击，填料前先进行孔底强夯，每填充一次进行一轮次强夯，使孔内的填料沿竖向压实紧固的同时，也对桩周土产生了横向的强力挤密效果。

经过相关研究表示，经过孔内深层强夯法施工后的复合地基基础承载力可以达到原有地基承载力的2-9倍。而普通灰土挤密桩法施工后的复合地基基础承载力特征值只可以达到原有的1.5-2.5倍。

根据综合比较，两种方案均能达到设计标准，方案一灰土挤密桩法投资较大，效果较差。而方案二孔内深层强夯法投资较少，施工规范且施工后地基承载力较高，故采用方案二。

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