談地基處理方案的合理確定

夏景和

(中國石化集團(tuán)洛陽石化工程公司，河南洛陽 471003)

0 引言

在工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)天然地基不能滿足建(構(gòu))筑對地基的要求時(shí)，就需要進(jìn)行地基處理，形成人工地基，以保證建(構(gòu))筑的安全和正常使用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建筑施工技術(shù)的不斷提高，地基處理的方法也越來越多，如樁基、復(fù)合地基等各種形式，但相對于某個(gè)具體工程，究竟采用哪種處理方法更經(jīng)濟(jì)，施工更方便，更環(huán)保、更安全可靠，就需要結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、自然條件、施工力量、工程工期等多方面因素綜合分析，統(tǒng)籌考慮，以最大限度地做到地基處理方案的先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、合理。

1 工程地質(zhì)條件

擬建場位于西安市郊，在原有廠區(qū)舊裝置之內(nèi)。根據(jù)生產(chǎn)需要，原油罐區(qū)共建有3萬m3外浮頂罐8座，及與此配套的管架、泵房等附屬設(shè)施。

根據(jù)業(yè)主提供的《巖土工程勘察報(bào)告》，罐區(qū)所在場地地勢平坦，地貌單元屬于渭河南岸Ⅰ級階地，地質(zhì)剖面顯示大體上共有6個(gè)土層，從上到下分別為：

①素填土，局部為表土，雜填土，以粘性土為主，黃褐色，硬塑，含植物根、磚瓦碎片、炭屑，成分雜亂，結(jié)構(gòu)松散。該層不宜作地基持力層;

②黃土狀土，以粉質(zhì)粘土為主，黃褐色～灰黃色，硬塑～可塑，夾粉砂薄層，地基承載力特性值為120 kPa，壓縮模量為8.0 MPa;

③細(xì)中砂層，以中砂為主，夾粉細(xì)砂和粉質(zhì)粘土透鏡體或薄層，級配均勻，含少量粘性土，稍濕，松散，地基承載力特征值100 kPa，壓縮模量為5.0 MPa;

④中粗砂，以中砂為主，夾粗砂、細(xì)砂透鏡體或薄層，含少量粘性土，稍濕，稍密，地基承載力特征值 250 kPa，壓縮模量13.0 MPa;

⑤中粗砂，以中砂為主，混粗砂，含少量粘性土，稍濕，中密，地基承載力特征值300 kPa，壓縮模量30.0 MPa;

⑥礫粗砂(未穿透)，地基承載力特征值350 kPa，壓縮模量35.0 MPa。

本場地土不液化，不具濕陷性，也無其他不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2 原油罐區(qū)地基處理方案比較

原油罐單罐計(jì)算容積31 560 m3(常溫常壓)，罐體直徑46 m，罐體高19 m，充水時(shí)最大重：G=309 500 kN，生產(chǎn)時(shí)最大重：G= 297 200 kN。僅按上部垂直荷載估算(不計(jì)基礎(chǔ)填土)，就需要地基承載力特征值至少200 kN/m2以上，才能滿足地基基礎(chǔ)強(qiáng)度及變形的要求。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告的描述，該罐區(qū)地基土為軟弱土層，工程性質(zhì)差，除表層耕土層不能用作持力層外，②，③層土的承載力均低于油罐需要的地基承載力，壓縮模量低，沉降量大，而且部分鉆孔中發(fā)現(xiàn)有1.0 m～2.500 m的淤泥質(zhì)粘土。從以上地質(zhì)報(bào)告分析，必須對地基土進(jìn)行加固處理，才能保證油罐的安全使用。

2.1 鉆孔灌注樁方案

樁徑600 mm(以下均按一個(gè)油罐計(jì)算)，以第⑤層土為樁尖持力層(進(jìn)入該土層1 m)，單個(gè)油罐按垂直力估算所需樁數(shù)，按3 d間隔布樁大約需352根。連同鋼筋混凝土樁承臺(tái)共計(jì)需要投資約192萬元。

優(yōu)點(diǎn)：受力明確，沉降小，質(zhì)量有保證，穩(wěn)妥，施工方便。缺點(diǎn)：投資巨大。

2.2 灰土墊層方案

以④層土為持力層，其上土層全部挖除，用3∶7灰土置換，要求壓實(shí)系數(shù)不小于0.93，地基承載力特征值可達(dá)到220 kPa，滿足油罐承載力要求。第④層土頂標(biāo)高大部分約在376.0 m，需換土H=6.2 m(其中有填土層3.82 m)，換土體積為12 000 m3，估算投資需要48萬元。

優(yōu)點(diǎn)：投資少，沉降在施工質(zhì)量好的前提下能保證。

缺點(diǎn)：由于換土厚度達(dá)6 m，施工受人為因素影響較大，質(zhì)量不好控制;而且如遇雨季則施工困難，工期長;從結(jié)構(gòu)穩(wěn)妥性上考慮，不如樁基可靠。

2.3 強(qiáng)夯方案

強(qiáng)夯法處理地基是在極短的時(shí)間內(nèi)，對地基土施加一個(gè)巨大的沖擊能，使土體發(fā)生一系列的物理變化，使得其承載能力提高，壓縮性降低，達(dá)到加固地基的作用。它具有施工簡便，節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)70年代起，就在我國得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

整個(gè)罐區(qū)采用3 000 kN·m能級強(qiáng)夯，單個(gè)油罐強(qiáng)夯面積為2 050 m2，按當(dāng)?shù)?001年合同價(jià)，3 000 kN·m能級約140元/m2計(jì)，需要投資29萬元。

優(yōu)點(diǎn)：投資少，沉降小，施工簡便。

缺點(diǎn)：強(qiáng)夯完成后，滯留時(shí)間長，不能馬上施工基礎(chǔ)，而且強(qiáng)夯后挖除的土層，由于土層堅(jiān)硬，不能做回填土使用，會(huì)額外增加費(fèi)用。另外如遇雨季，場地泥濘，大型機(jī)械難以進(jìn)場，施工困難。工程總承包項(xiàng)目部，根據(jù)整個(gè)工程的工期統(tǒng)籌考慮，不贊成該方案。

2.4 CFG樁方案

CFG樁是英文Cement Fly-ash Grave的縮寫，意為水泥粉煤灰碎石樁，由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，用各種成樁機(jī)械制成的可變強(qiáng)度樁。通過調(diào)整水泥摻量及配比，其強(qiáng)度等級在C5～C25之間變化，是介于剛性樁與柔性樁之間的一種樁型。CFG樁和樁間土一起，通過褥墊層形成CFG樁復(fù)合地基共同工作，適用于西安地區(qū)該裝置的地質(zhì)條件。

根據(jù)該廠以往工程的相近單體CFG樁復(fù)合地基檢測結(jié)果，當(dāng)面積置換率為0.087 8時(shí)，復(fù)合地基承載力特征值為250 kPa，可滿足油罐強(qiáng)度及沉降的要求。按φ400樁，樁距4d=1.6 m布樁，樁數(shù)543根，不做護(hù)樁(布樁圖省略)。

樁長：從砂墊層300厚下面起算，到⑤層土中粗砂，再下去1 m，長L=11 m左右。

V=0.785×0.42×11×543=750 m3，按西安地區(qū)當(dāng)時(shí)價(jià)格600元/m3～650元/m3(包括碎石墊層)，需要投資49萬元。

優(yōu)點(diǎn)：施工方便，工期短，沉降小。

缺點(diǎn)：投資較大。

2.5 振沖碎石樁方案

振沖碎石樁是利用一個(gè)產(chǎn)生水平振動(dòng)和施加垂直力的管狀設(shè)備，在軟土地基中成孔，再向孔內(nèi)分批填入碎石填料，同時(shí)將振動(dòng)設(shè)備沉至填料中進(jìn)行振實(shí)，在地基中形成密實(shí)的樁體。碎石樁在軟土地基中起到置換、排水、加筋和墊層的作用，該樁體和原來的地基構(gòu)成復(fù)合地基，從而減少地基的變形，提高土體抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)地基穩(wěn)定性。碎石樁處理軟土地基具有施工工藝簡單、成樁速度快、既不用鋼材，也不用水泥、工程造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，對于提高地基承載力，增強(qiáng)地基穩(wěn)定，減少基礎(chǔ)沉降和不均勻沉降，有著重要作用。

碎石樁在西安地區(qū)，特別是石化廠內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用多年，甲方有這方面的施工經(jīng)驗(yàn)，而且經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，已有很多經(jīng)碎石樁處理復(fù)合地基的成功案例。但在大型油罐方面，以往大都是鋼筋混凝土灌注樁或CFG樁復(fù)合地基，還沒有用碎石樁復(fù)合地基的嘗試。

2.5.1 復(fù)合地基承載力計(jì)算

設(shè)計(jì)荷載：充水時(shí)最大重G=309 500 kN，填土荷載：H=2.7 m。

q=309 500×1.1/π×23×23+2.7×19=256 kPa，取q= 260 kPa。即以承載力布樁時(shí)，復(fù)合地基的承載力特征值應(yīng)大于260 kPa。

設(shè)計(jì)振沖樁參數(shù)如下：振沖樁樁徑：1 100;樁長：平均樁長為6.5 m;樁距：S=2.3 m，正三角形布置;面積置換率：m=0.207。

復(fù)合地基的承載力特征值，可用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中式(6.2.8-1)來計(jì)算：

其中，fspk為復(fù)合地基的承載力特征值，按充水工況考慮，不小于260 kPa;fpk為樁體單位截面積承載力特征值，取700 kPa;fsk為樁間土承載力特征值，考慮到③層土細(xì)中砂的可加密性，樁間土承載力特征值取170 kPa;振沖法處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk可達(dá)280 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

以油罐中心為圓心，漸變間距(從中心到外邊逐漸變疏)，近似為正三角形布樁。由于碎石樁是非剛性樁，所以在外圈做2排保護(hù)樁，共計(jì)樁數(shù)S=486根，取490根。樁長從砂墊層300厚下面起算，到④層土粗中砂，平均樁長6.50 m。碎石樁用量：

碎石樁用量約為3 025 m3。按120元/m3計(jì)(包工報(bào)料)，需投資36.30萬元/座。

優(yōu)點(diǎn)：施工方便，投資省;缺點(diǎn)：沉降相對較大。

2.5.2 原油罐沉降計(jì)算

采用分層總和法，按SH/T 3068-95石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中7.2.3公式計(jì)算(過程從略)。

計(jì)算沉降值：中間處S=186 mm，邊緣處S=88.2 mm，沉降差Δ=97.8 mm，平均S=137.1 mm。

按油罐直徑φ=46 m，沉降差允許值［Δ］=0.004φ=0.004× 46 000=184 mm，現(xiàn)沉降差可以滿足規(guī)范要求。

2.6 幾種地基處理方案對比(僅對一個(gè)油罐)

地質(zhì)處理方案對比見表1。

表1 方案對比一覽表

通過表1可以看出，五種地基處理方案中，碎石樁方案施工方便，質(zhì)量有保障，而且投資較省，其投資僅是灌注樁方案的19%，是CFG樁方案的73%。按整個(gè)原油罐區(qū)8個(gè)油罐計(jì)算，可節(jié)省總投資1 200萬元。經(jīng)與有關(guān)人員共同商定，最終采用碎石樁處理復(fù)合地基方案。振沖法施工速度快，質(zhì)量容易控制，是一種有效、簡便、經(jīng)濟(jì)的地基加固方法。

3 碎石樁復(fù)合地基的施工和質(zhì)量檢驗(yàn)

3.1 碎石樁復(fù)合地基的施工

碎石樁由北京某公司施工，采用ZCQ-30型振沖器，施工后樁頂鋪設(shè)碎石墊層，厚度為30 cm。碎石材料采用未風(fēng)化的干凈礫石或軋制碎石而成，級配采用20 mm～40 mm自然級配，含泥量不大于5%。松裝容重不小于1.5。具體施工參數(shù)由施工單位參照有關(guān)規(guī)范、規(guī)程確定。

3.2 碎石樁復(fù)合地基質(zhì)量檢驗(yàn)

振動(dòng)碎石樁的檢驗(yàn)與評價(jià)分為兩個(gè)方面：

1)碎石樁的施工質(zhì)量，如樁位偏差、樁徑、樁體密實(shí)度等;

2)復(fù)合地基的功效，如承載力、沉降量等是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

一般常用單樁荷載實(shí)驗(yàn)和樁體動(dòng)力觸探試驗(yàn)，對功效的檢驗(yàn)則有單樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)、多樁復(fù)合地基大型荷載試驗(yàn)、樁間土的荷載試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探等。

1)復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值采用單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定，試驗(yàn)按JGJ 79-91建筑地基處理技術(shù)規(guī)范附錄一“復(fù)合地基載荷試驗(yàn)要點(diǎn)”進(jìn)行。

2)埋設(shè)沉降觀測點(diǎn)，振沖碎石樁施工完后進(jìn)行觀測。觀測時(shí)間為一年，并根據(jù)觀測資料的分析，預(yù)測后期沉降和最終沉降。

該罐區(qū)油罐基礎(chǔ)經(jīng)檢測，處理后復(fù)合地基承載力均達(dá)到或超過了設(shè)計(jì)要求?；A(chǔ)施工完成投產(chǎn)后，經(jīng)一年的沉降觀測，沉降在施工完后的三個(gè)月后就已趨于穩(wěn)定，總沉降量較小(平均為121 mm，小于設(shè)計(jì)計(jì)算量)，各觀測點(diǎn)沉降較均勻。說明經(jīng)振沖碎石樁處理后，沉降能很快完成，且無差異沉降。從樁體完成施工后(2002年11月)到現(xiàn)在，主體工程沒有發(fā)現(xiàn)明顯的不均勻沉降或傾斜跡象，裝置運(yùn)行平穩(wěn)。實(shí)踐證明，用碎石樁處理軟土地基上建造大型油罐是成功的。

4 結(jié)語

在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，必須在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，根據(jù)當(dāng)?shù)氐鼗临|(zhì)的特點(diǎn)、施工工期、施工難易程度、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素，進(jìn)行多方面的分析對比，在多種可選擇的地基處理方法中，篩選出質(zhì)量有保證，工期最短，投資最省的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。地基方案的合理確定和優(yōu)化設(shè)計(jì)，是結(jié)構(gòu)工程師的一項(xiàng)基本任務(wù)。

［1］ SH/T 3068-2007，石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ JGJ 79-91，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.