某100萬(wàn)噸/年乙烯工程地基處理方案探討

Probe into 1，000，000 tons / year Ethylene Project Foundation Treatment Program of a Project Refining Plant

蔡書東CAI Shudong

摘 要:本文分析了擬建某100萬(wàn)噸/年乙烯工程場(chǎng)地的地質(zhì)條件，根據(jù)該工程多年的工程實(shí)踐，提出了乙烯工程場(chǎng)地幾種切實(shí)可行的地基處理方案，并進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞:乙烯工程; 樁基方案; 軟基處理方案

中圖分類號(hào):TU753.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1008-0422(2009)02-0130-03

1場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

1.1地形地貌情況

擬建某100萬(wàn)噸/年乙烯工程場(chǎng)地位于寧波盆地東北部、杭州灣喇叭口南岸新近圍墾而成的海涂地上，地勢(shì)較低，地形平坦開闊，地貌類型單一，屬第四系濱海淤積平原區(qū)。

乙烯工程西區(qū)位于威海路以北、運(yùn)焦路以西、緯零路建南側(cè)，填海圍成的4號(hào)和8號(hào)灘內(nèi)，自然地面標(biāo)高一般為2.6~3.5m，微向海方向傾斜，其中4號(hào)灘是七十年代圍海造陸而形成的濱海淤積平原，圍墾后曾一度成為蔬菜、桔子基地。8號(hào)灘為八十年代后期圍海造陸而形成，圍墾初期還與海水相通，閉氣時(shí)間相對(duì)較短，后成為蔬菜基地。

1.2區(qū)域地質(zhì)及區(qū)域穩(wěn)定性

擬建乙烯工程場(chǎng)地位于寧波斷陷盆地東北緣，區(qū)域構(gòu)造單元屬華南加里東褶皺系浙東南褶皺帶，地質(zhì)構(gòu)造形跡以斷裂為主，褶皺次之，不同展布方向和不同切割深度的斷裂相互交織，形成了本區(qū)特有的網(wǎng)格狀構(gòu)造格局，并控制了區(qū)內(nèi)的地質(zhì)作用和地震活動(dòng)。從現(xiàn)有地質(zhì)資料分析，尚未發(fā)現(xiàn)有較大的區(qū)域性斷裂從廠址區(qū)通過(guò)，因此，擬建乙烯工程場(chǎng)地本身不具備發(fā)生中、強(qiáng)破壞性地震的構(gòu)造條件，屬于較穩(wěn)定地塊。

據(jù)活動(dòng)性斷裂與歷史地震資料分析，鎮(zhèn)海-溫州活動(dòng)性斷裂和昌化-杭州灣活動(dòng)性斷裂是導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)的主要斷裂構(gòu)造。歷史上，北侖鎮(zhèn)海附近在1523年發(fā)生過(guò)4.75級(jí)地震， 1523年～2001年期間，發(fā)生過(guò)1.0～2.9級(jí)地震共9次，4.75級(jí)地震1次。擬建乙烯工程場(chǎng)地區(qū)域地震活動(dòng)總的特征是:震級(jí)小，強(qiáng)度弱，頻率低，且有一個(gè)比較穩(wěn)定的趨勢(shì)，近代地震均以弱震、微震為主，屬于相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。

根據(jù)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局于2001年2月2日發(fā)布的1/400萬(wàn)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)，確定擬建乙烯工程場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，相當(dāng)于地震基本烈度VII度。

1.3 地基土的構(gòu)成及工程地質(zhì)特征

擬建乙烯工程場(chǎng)地第四紀(jì)地層除早更新世地層缺失外，從中更新世至全新世地層發(fā)育齊全，厚度大，且分布比較穩(wěn)定，基底較為平坦，第四紀(jì)地層厚度一般為110~120m，從老到新是由一套陸相堆積-海陸交替堆積-海相堆積地層組成，自上而下共分8層31個(gè)分層。其中物理力學(xué)性質(zhì)好，壓縮性中等或偏低，比較適合于樁基作持力層的土層結(jié)構(gòu)有:

(1)③1層:粉砂

本層分布較為廣泛，僅局部地段缺失，厚度一般為1.5~8.0m，物理力學(xué)性質(zhì)總體較好，但厚度和性質(zhì)變化均很大，中等偏低壓縮性。

(2)③2層:含粘性土粉砂

本層分布較廣，厚度1.0~3.5m，物理力學(xué)性質(zhì)較好，中等壓縮性。

(3)③3層:含粘性土粉砂

本層分布較廣，厚度1.50~5.50m，物理力學(xué)性質(zhì)稍好，中等壓縮性。

(4)⑤1層:粉質(zhì)粘土

本層分布較廣，場(chǎng)地建南部缺失，厚度1.0~5.5m，物理力學(xué)性質(zhì)較好，中等壓縮性。

(5)⑤2a層:粉質(zhì)粘土

本層分布較廣，厚度1.5~5.8m，物理力學(xué)性質(zhì)較好，中等壓縮性。

(6)⑤2b層:粉質(zhì)粘土夾粉砂

本層分布較廣，厚度3.5~7.5m，物理力學(xué)性質(zhì)較好，中等壓縮性。

(7)⑥1層:粉質(zhì)粘土

本層僅局部分布于場(chǎng)地內(nèi)，厚度2.5~7.5m，物理力學(xué)性質(zhì)好，中等壓縮性。

(8)⑥2層:含粘性土粉砂

本層零星分布，厚度1.0~3.0m，物理力學(xué)性質(zhì)好，中等壓縮性。

(9)⑥4b層:粘質(zhì)粉土

本層在場(chǎng)地內(nèi)分布零星，厚度2.0~5.0m，物理力學(xué)性質(zhì)較好，中等壓縮性。

1.4不良地質(zhì)作用

擬建乙烯工程場(chǎng)地內(nèi)及附近地區(qū)不存在對(duì)工程安全有影響的巖溶、滑坡、崩塌、泥石流及地下洞穴等不良地質(zhì)作用。本工程主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象是軟土地基的強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差和不均勻沉降變形大等問(wèn)題，其行之有效的方法是采用樁基礎(chǔ)，將基礎(chǔ)置于深部良好的土層上。

1.5建筑場(chǎng)地類別

場(chǎng)地20m以淺地基土以淤泥質(zhì)土為主，其等效剪切波速Vse小于140m/s，場(chǎng)地覆蓋層厚度大于80m，一般為110~125m，參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)，場(chǎng)地土的類型劃分為軟弱場(chǎng)地土，建筑場(chǎng)地類別為IV類。

場(chǎng)地20m以淺有粉砂分布，根據(jù)飽和砂土的粘粒含量、標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)及波速測(cè)試成果，參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)，綜合判定粉砂在7度地震條件下一般不會(huì)發(fā)生液化。加之本工程大多采用預(yù)制樁基礎(chǔ)，打樁擠土對(duì)粉砂具有擠密作用，因此本工程可不考慮砂土地震液化的影響。

1.6地基土的固結(jié)狀態(tài)

土的變形是巖土工程中最具普通意義的問(wèn)題之一，作為支承工程結(jié)構(gòu)的地基，它們的變形都必須控制在一定的限度之內(nèi)，否則就會(huì)導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)的破壞或土體本身的失穩(wěn)，為確保巖土工程的安全，必須掌握土的變形特征，并據(jù)此控制巖土工程的設(shè)計(jì)與施工。根據(jù)浙江省勘察院勘察時(shí)所取得的高壓固結(jié)試驗(yàn)成果及多年來(lái)在該地區(qū)所結(jié)累的勘察經(jīng)驗(yàn)分析，本區(qū)淺部軟土在目前自然狀態(tài)下已完成固結(jié)，屬于正常固結(jié)土，陸相沉積的粘性土屬于輕度超固結(jié)土，砂土均屬于超固結(jié)土，海相沉積的一般粘性土層為正常固結(jié)土。

2地基處理方案設(shè)想

擬建乙烯工程場(chǎng)地毗鄰東海，軟土層深厚，淺部無(wú)良好的天然地基淺基礎(chǔ)持力層。土工試驗(yàn)及原位測(cè)試資料反映了本區(qū)軟土具有天然含水量高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、滲透性弱、承載力小、沉降變形大等特點(diǎn)。因此，在這種工程性質(zhì)很差的淤泥質(zhì)軟土地基上興建大型石化裝置，必須進(jìn)行地基加固處理。而工程建設(shè)速度的快慢及質(zhì)量與安全關(guān)鍵在于地基處理問(wèn)題，如果地基處理不當(dāng)不僅浪費(fèi)資金、延誤工期，并將嚴(yán)重影響工程建成后的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

目前鎮(zhèn)海地區(qū)較為成熟的地基加固方法主要有樁基和軟基處理兩大類。

2.1樁基方案

由于樁基礎(chǔ)具有豎向承載力大、抗水平能力強(qiáng)、沉降變形小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在鎮(zhèn)海煉化廠區(qū)被廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的工程實(shí)踐，常用的樁型主要有鋼筋混凝土預(yù)制方樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、鉆孔灌注樁，目前還有一種較新穎的樁型——預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁?，F(xiàn)將幾種樁型的優(yōu)劣比較如下:

2.1.1鋼筋混凝土預(yù)制方樁

鋼筋混凝土預(yù)制方樁具有樁身混凝土強(qiáng)度高、抗錘擊性能好、穿透土層能力強(qiáng)、適用于不同的荷載和不同埋深的持力層等優(yōu)點(diǎn)，質(zhì)量比較穩(wěn)定，施工技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)比較合理。對(duì)于乙烯工程的設(shè)備和設(shè)施荷載大小、沉降變形要求和場(chǎng)地的地層情況，無(wú)論是短樁還是長(zhǎng)樁基礎(chǔ)，均具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。短樁一般采用③層粉砂作為樁端持力層，而長(zhǎng)樁一般采用⑤層粉質(zhì)粘土作為樁端持力層。特別是廠區(qū)普遍使用的短樁方案，樁長(zhǎng)20m左右，單節(jié)樁，減少了接樁的時(shí)間和費(fèi)用，可以大大縮短打樁周期，加快工程建設(shè)進(jìn)度，確保工程質(zhì)量。不足之處是需在現(xiàn)場(chǎng)找一塊較大的場(chǎng)預(yù)制，需避開布置有地下管線的區(qū)域，并且在自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)時(shí)間需28天，制樁養(yǎng)護(hù)周期較長(zhǎng)。

2.1.2預(yù)應(yīng)力混凝土管樁

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與混凝土預(yù)制方樁相比，價(jià)格上略為便宜。但針對(duì)鎮(zhèn)海煉化乙烯工程的地層特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，存在以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)對(duì)于短樁方案，樁端持力層為粉砂層，靜壓沉樁施工困難，樁端難以進(jìn)入持力層，影響單樁承載力的發(fā)揮;而采用錘擊法沉樁工藝，因樁端阻力大，錘擊數(shù)高，樁身質(zhì)量容易受損，尤其是焊接部位有時(shí)出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象。

(2)對(duì)于長(zhǎng)樁方案，樁身要穿透性質(zhì)較好、厚度較大的粉砂層，難度將很大，容易造成斷樁、樁頂碎裂等質(zhì)量事故。

(3)目前管樁單節(jié)長(zhǎng)度最大為12m，必然存在接樁問(wèn)題，增加了施工周期。

(4)本工程場(chǎng)地位于地震烈度VII度區(qū)，構(gòu)筑物所承受的水平荷載較大，而管樁水平承載力及抗拔力相對(duì)較低，容易造成樁身剪切破壞。

2.1.3鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁對(duì)于采用基巖作為樁端持力層的巖石地基，單樁承載力大，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。但對(duì)于本工程場(chǎng)地的第四紀(jì)松散地層，由于存在孔壁泥漿和孔底沉渣等問(wèn)題，單樁承載力較低，因而造價(jià)相對(duì)較高，而且還存在施工進(jìn)度較慢、鉆孔排出泥漿污染現(xiàn)場(chǎng)、樁孔底清孔質(zhì)量和水下混凝土澆灌質(zhì)量較難控制、超灌量較難控制等缺點(diǎn)。所以該類樁型在鎮(zhèn)海煉化很少使用，只是在老廠區(qū)局部改造工程中，由于受施工場(chǎng)地條件的限制，預(yù)制樁打樁設(shè)備無(wú)法進(jìn)入，才采用鉆孔灌注樁方案。

2.1.4預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁

預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁是建設(shè)部新近正在推廣的一種樁型，建設(shè)部已于2006年12月19日發(fā)布了建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁》(JG 197——2006)。預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁已在上海的市政工程和房地產(chǎn)領(lǐng)域大量應(yīng)用，并在舟山和邦化學(xué)有限公司等工地得到應(yīng)用，反映較好。

與預(yù)應(yīng)力混凝土管樁相比，預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)同等承載力的情況下方樁比管樁體積小，擠土的影響小;

(2)空心方樁的四個(gè)休止角在土中產(chǎn)生的摩阻力大，抗震性能比管樁高;

(3)樁的外徑小，可以節(jié)省基礎(chǔ)承臺(tái)的尺寸，達(dá)到節(jié)省基礎(chǔ)砼的目的;

(4)方樁的連接端板采用Q235鋼板，物理化學(xué)性質(zhì)能保證，而管樁為了節(jié)省成本采用鑄鋼或舊船板等可焊性差的鋼板作為端板，化學(xué)成本不能保證，焊接性能無(wú)法保證。

預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁與鋼筋混凝土實(shí)心方樁比較有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)空心方樁比實(shí)心方樁節(jié)省材料，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋能充分利用鋼材強(qiáng)度高的性能，砼為C60~C80，比實(shí)心方樁的C40高許多，能提高樁身的抗壓強(qiáng)度;

(2)中間空心既節(jié)省了材料又減輕了樁身的自重，間接地提高了單樁的允許承載能力;

(3)空心方樁在工廠大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)，用蒸汽養(yǎng)護(hù)，大大縮短樁身的生產(chǎn)時(shí)間，一周就能出廠。既無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)占地，避免了與其他工序的沖突，又可及時(shí)供應(yīng)成品樁，無(wú)需設(shè)計(jì)院提前出制樁圖。

預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁與鋼筋混凝土預(yù)制方樁相比較，缺點(diǎn)是打樁過(guò)程中需接樁，增加了打樁時(shí)間和費(fèi)用。

2.2軟基處理方案

樁基礎(chǔ)質(zhì)量固然可靠，但與淺基礎(chǔ)相比造價(jià)仍然偏高，所以對(duì)于一些荷載不大、沉降變形要求不高的構(gòu)筑物(如堆場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)室內(nèi)地坪、水池等)來(lái)說(shuō)，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上顯得不甚合理。因此采取一種技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)又合理的有效措施僅對(duì)淺部軟土進(jìn)行加固處理，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

勘察資料表明，本工程場(chǎng)地內(nèi)的地基土為典型的高壓縮性軟土，軟土層厚15~20m，一般為18m左右，物理力學(xué)性質(zhì)差，承載力小。而堆場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)室內(nèi)地坪、水池等荷載分布面積大，附加應(yīng)力影響深度較深，軟土地基在附加應(yīng)力作用下沉降變形大，若直接采用天然地基淺基礎(chǔ)，其變形難以滿足設(shè)計(jì)和使用要求，可采取適當(dāng)措施對(duì)上部軟土地基進(jìn)行加固處理。

本地區(qū)技術(shù)較為成熟且比較適合本工程的軟基處理方法主要有預(yù)壓法和水泥攪拌樁法。

2.2.1預(yù)壓法

預(yù)壓法通常選用堆載預(yù)壓法，即利用排水固結(jié)法的原理，通過(guò)在地表上施加壓力，使地基土中的水份排出，從而達(dá)到提高地基土強(qiáng)度、減少工后沉降之目的。由于本區(qū)軟土厚度大、含水量高、滲透性差，為了增加排水效果，縮短工期，應(yīng)在軟土中設(shè)置豎向排水通道，目前常用的是塑料排水帶。堆載預(yù)壓排水固結(jié)法比較經(jīng)濟(jì)，但工期長(zhǎng)，沉降變形大，堆載預(yù)壓需要有大量的堆載材料，并且考慮土體的強(qiáng)度增長(zhǎng)和穩(wěn)定要求，需分級(jí)加載，時(shí)間較長(zhǎng)。

根據(jù)鎮(zhèn)海煉化廠區(qū)以往的地基處理經(jīng)驗(yàn)，采用塑料排水板超載預(yù)壓法處理倉(cāng)庫(kù)地坪效果比較理想。同時(shí)由于荷載分布面積較大，附加應(yīng)力影響深度較深，為了加快地基的固結(jié)速率，縮短堆載預(yù)壓時(shí)間，減少工后沉降，因此排水板處理深度不能太小，應(yīng)盡量打穿軟土層進(jìn)入粉砂層，使之形成雙向排水;埋設(shè)時(shí)宜將塑料排水板露出地面50cm，同時(shí)在場(chǎng)地上預(yù)鋪一層50cm左右厚的砂墊層。排水板的具體直徑、排列方式及間距和長(zhǎng)度等應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及工期和荷載大小等設(shè)計(jì)要求而定。

2.2.2水泥攪拌樁法

水泥攪拌樁法是利用水泥作為固化劑，通過(guò)特制的深層攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和水泥強(qiáng)制拌和，利用水泥和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理-化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)復(fù)合地基。采用水泥攪拌樁法處理后的復(fù)合地基，其沉降變形與其它軟基處理方案相比大大減少，因此，該法可用于倉(cāng)庫(kù)、廠房的室內(nèi)地坪及輕型附屬設(shè)施建筑物基礎(chǔ)的地基加固。水泥攪拌樁法具有無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音、無(wú)側(cè)向擠土、無(wú)環(huán)境污染、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、工期短、見(jiàn)效快等特點(diǎn)，但因處理深度有限，當(dāng)軟土層厚度大時(shí)，工后期仍有一定的沉降量。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上分析比較，鎮(zhèn)海煉化100萬(wàn)噸/年乙烯工程各類化工生產(chǎn)裝置的反應(yīng)器、塔、容器、壓縮機(jī)、加熱爐等關(guān)鍵設(shè)備和部位以采用質(zhì)量可靠的混凝土預(yù)制方樁較為合理，管廊、變配電室、罐區(qū)等部位可采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁或預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。

而對(duì)于一些荷載不大、沉降變形要求不高的構(gòu)筑物(如堆場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)室內(nèi)地坪、水池等)，如工期不緊的，可采用堆載預(yù)壓法處理地基，但對(duì)于北區(qū)的聚烯烴成品倉(cāng)庫(kù)地坪，考慮到堆載預(yù)壓的擠土作用，為避免對(duì)原有20萬(wàn)噸/年聚丙烯成品倉(cāng)庫(kù)的不良影響，建議采用水泥攪拌樁法處理。

整個(gè)乙烯工程的樁基處理工程量比較大，總體設(shè)計(jì)中估算約有70000根樁，除了鋼筋混凝土預(yù)制方樁已通過(guò)招標(biāo)確定了價(jià)格以外，其他成品樁也可通過(guò)類似框架協(xié)議的招標(biāo)方式確定供貨商，使成本最低，并有很好的可追溯性。

參考文獻(xiàn):

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[2] 浙江省工程勘察院.鎮(zhèn)海煉化100萬(wàn)噸/年乙烯工程樁基靜載荷試驗(yàn)報(bào)告，2005.

[3] 中華人民共和國(guó)建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁，2006.