軟土地基上大型石化裝置基樁選型試驗(yàn)研究

華衛(wèi)君，莫鼎革

1.浙江省工程勘察院，浙江寧波315012

2.中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波315207

軟土地基上大型石化裝置基樁選型試驗(yàn)研究

華衛(wèi)君1，莫鼎革2

1.浙江省工程勘察院，浙江寧波315012

2.中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波315207

寧波某煉化項(xiàng)目位于新圍墾的海涂地上，該地區(qū)是典型的沿海軟土地基，工程地質(zhì)條件差，天然地基承載力低，沉降變形大，必須采用樁基礎(chǔ)才能滿足石化裝置對(duì)地基承載力及沉降變形的要求。文章在現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)3種樁型9根試樁的樁頂荷載-沉降數(shù)據(jù)以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：樁端位于砂土的鉆孔灌注樁的豎向承載力易受成樁質(zhì)量的影響，承載力大小離散性大，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的樁型。

軟土地基；基樁選型；載荷試驗(yàn)；石化裝置

0 引言

軟土地基具有天然含水量高、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)的速度、質(zhì)量與安全在很大程度上取決于地基處理質(zhì)量，如果地基處理不當(dāng)不僅浪費(fèi)資金，延誤工期，還將嚴(yán)重影響工程建成后的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

目前較為成熟的地基加固方法主要有樁基和軟基處理兩大類。其中軟基處理由于深度有限，一般只適用于荷載不大、對(duì)沉降變形要求不是很嚴(yán)的堆場(chǎng)及倉(cāng)庫(kù)室內(nèi)地坪等，而對(duì)于荷載較大、對(duì)沉降變形要求較高的建構(gòu)筑物，必須采用樁基礎(chǔ)。由于施工工藝、對(duì)土層的適用條件不同，選用同等樁長(zhǎng)、樁徑而樁型不同的基樁會(huì)產(chǎn)生不同的承載力，樁型選擇不當(dāng)將導(dǎo)致工程造價(jià)的提高和資源的浪費(fèi)，因此選擇合適的樁型顯得尤為重要。

1 工程概況

擬建工程位于浙江省寧波市，工程建設(shè)場(chǎng)地系由海涂地新近圍墾而成，成陸時(shí)間短，軟土層深厚，淺部無(wú)良好的天然地基持力層。為滿足石化裝置的建設(shè)需要，本工程擬采用樁基礎(chǔ)。

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，勘探深度范圍內(nèi)的地基土由上至下，依據(jù)地質(zhì)年代可分為8層，各土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 地基土分布及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 基樁選型由于樁基礎(chǔ)具有豎向承載力大、沉降變形小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在軟土地區(qū)被廣泛應(yīng)用，鎮(zhèn)海煉化也不例外。根據(jù)廠區(qū)一期、二期工程及國(guó)家石油儲(chǔ)備基地等建筑物的沉降變形觀測(cè)資料分析[1]，采用樁基處理后的建筑物沉降量一般可控制在3~5 cm以內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)使用要求。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的工程實(shí)踐，本區(qū)常用的樁型主要有鋼筋混凝土預(yù)制方樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁及鉆孔灌注樁三種。但不同的樁型，

其成樁工藝、施工周期、使用功能、工程造價(jià)上會(huì)有較大的差異，因此，在具體工程設(shè)計(jì)時(shí)，樁型的選擇顯得尤為重要[2]，必須綜合考慮建（構(gòu)）筑物的技術(shù)要求、樁的受力特征、經(jīng)濟(jì)性、場(chǎng)地施工環(huán)境條件等各方面的因素。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于水平力或抗拔力要求較大的高聳構(gòu)筑物，以采用實(shí)心的預(yù)制方樁或大直徑鉆孔灌注樁為宜，而對(duì)于承受豎向抗壓力為主的低層建筑物或小型設(shè)備基礎(chǔ)，宜采用較為經(jīng)濟(jì)的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了對(duì)各種樁型進(jìn)行準(zhǔn)確的承載力及經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了一系列的基樁靜載荷試驗(yàn)。所有試樁均采用③1層中密狀粉砂作為樁端持力層，其中混凝土預(yù)制方樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁采用錘擊法施工，樁的入土深度為18.3 m，樁端進(jìn)入持力層1.8 m；鉆孔灌注樁采用正循環(huán)法成孔，樁的入土深度為18.7 m，樁端進(jìn)入持力層2.2 m。試樁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，所有試樁入土后的休止期均達(dá)到28 d以上齡期。

本次試樁加載反力裝置采用錨樁橫梁反力架，每根試樁的反力均由4根錨樁提供。靜載試驗(yàn)采用自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，其中分級(jí)加載、卸載過(guò)程中的荷載大小由油壓千斤頂及與之相連的壓力傳感器進(jìn)行測(cè)控，樁頂沉降則采用4只高精度電測(cè)位移計(jì)自動(dòng)測(cè)量記錄。試驗(yàn)方法執(zhí)行相關(guān)規(guī)范[3]，全部試樁均采用慢速維持荷載法，并加載至樁基極限破壞狀態(tài)。

2 各種樁型的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)

從試驗(yàn)所取得的Q-S曲線（見(jiàn)圖1~3）可以看出，所有試樁破壞特征明顯，表明地基土已經(jīng)達(dá)到剪切破壞狀態(tài)，因此，按照規(guī)范[4]所確定的單樁極限承載力及試樁成果見(jiàn)表2。

表2 單樁豎向抗壓極限承載力及經(jīng)濟(jì)比較

圖1 預(yù)制方樁荷載與沉降實(shí)測(cè)曲線

圖2 預(yù)應(yīng)力管樁荷載與沉降實(shí)測(cè)曲線

圖3 鉆孔灌注樁荷載與沉降實(shí)測(cè)曲線

3 各種樁型試驗(yàn)成果的分析比較

3.1 各樁型承載性能的分析對(duì)比

單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值是樁基設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，通過(guò)對(duì)圖1~3及表2的分析，不難看出，鋼筋混凝土預(yù)制方樁承載力最大，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁次之，鉆孔灌注樁最低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于樁周和樁端面積基本相近、樁端入土深度相同的混凝土預(yù)制方樁與預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，其單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值比較接近，單位表面積所獲取的承載力基本一致，反映了同樣都是預(yù)制樁的共同特性。而鉆孔灌注樁的承載力則明顯偏低，單位面積所獲取的承載力僅為預(yù)制樁的53%左右，經(jīng)綜合分析，認(rèn)為造成鉆孔灌注樁承載力偏低的主要原因是樁底沉渣過(guò)厚，由于本區(qū)樁端持力層為中密狀粉砂，該層粉砂為含水層，水量較大，且具有承壓性，承壓水頭標(biāo)高為2.0 m左右，鉆孔灌注樁在成孔過(guò)程中，樁端砂土在孔隙承壓水的作用下及鉆頭對(duì)砂土的擾動(dòng)，容易使樁端砂土松馳，加之沉渣的影響，導(dǎo)致樁端承載力不能充分發(fā)揮。另外，鉆孔灌注樁成孔時(shí)在孔壁形成的泥皮對(duì)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮也有一定的影響。

3.2 各樁型沉降特性的分析對(duì)比

從試樁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、荷載與沉降變形關(guān)系曲線可以看出，各類樁在極限荷載作用下，樁頂所對(duì)應(yīng)的總沉降量存在一定的差異，同為預(yù)制樁的鋼筋混凝土預(yù)制方樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，其樁頂平均沉降量分別為20.8 mm和19.0 mm，即20 mm左右，比較接近；而鉆孔灌注樁的樁頂平均沉降量為37.4 mm，一般達(dá)40 mm以上，是預(yù)制樁的2倍左右。從鉆孔灌注樁的單樁試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，三根試樁的樁頂沉降差異較大，這主要是由于樁端沉碴厚度不一致造成的，這也從另一個(gè)側(cè)面反映了鉆孔灌注樁成樁質(zhì)量難以控制的問(wèn)題。相比之下，預(yù)制樁成樁質(zhì)量穩(wěn)定，能有效控制建筑物基礎(chǔ)的絕對(duì)沉降和差異沉降。

從樁頂卸載后的回彈率測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，管樁的回彈率相對(duì)較高，鉆孔灌注樁的回彈率相對(duì)較低，表明管樁在樁頂荷載作用下樁身的彈性變形相對(duì)較大。

3.3 各樁型的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料，按照目前的市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行測(cè)算，混凝土預(yù)制方樁要取得9.8 kN承載力大致需要23.8元；預(yù)應(yīng)力混凝土管樁價(jià)格相對(duì)較低，約為17.3元/9.8 kN；鉆孔灌注樁經(jīng)濟(jì)性較差，約為54.4元/9.8 kN，價(jià)格是預(yù)制方樁的2.3倍，是預(yù)應(yīng)力管樁的3.1倍。

通過(guò)對(duì)比分析不難看出，單純從經(jīng)濟(jì)上考慮，采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁最為經(jīng)濟(jì)，預(yù)制方樁次之，而鉆孔灌注樁經(jīng)濟(jì)性則較差。

4 樁型選擇的綜合分析

根據(jù)試樁結(jié)果，并結(jié)合工程特點(diǎn)、場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及環(huán)境條件，經(jīng)過(guò)綜合分析比較，得出如下結(jié)論：

（1）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)，而且質(zhì)量比較穩(wěn)定，施工技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)較為合理。對(duì)于本區(qū)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。特別是廠區(qū)普遍使用的短樁方案，采用③層粉砂作為樁端持力層，樁長(zhǎng)20 m左右，為單節(jié)樁，減少了接樁的時(shí)間和費(fèi)用，可以大大縮短施工周期，加快工程建設(shè)進(jìn)度，確保工程質(zhì)量。

（2）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)地上部以軟土為主的第四紀(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)量較難控制等缺點(diǎn)。

（3）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。但對(duì)于抗震設(shè)防烈度7度地區(qū)，建筑物所承受的水平荷載較大，而管樁的水平承載力及抗拔力恰恰較低，容易造成樁身剪切破壞。針對(duì)該地區(qū)的地質(zhì)條件及工程特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，管樁的適應(yīng)性相對(duì)較低，但對(duì)于荷載不是很大的低矮建筑物及小型泵基礎(chǔ)，還是具有較好的經(jīng)濟(jì)性的。但從技術(shù)上考慮，石油化工裝置多數(shù)為高聳建筑物，對(duì)地基的沉降變形十分敏感，對(duì)樁基礎(chǔ)的抗拔力和抗水平力要求高，而管樁雖然具有較高的抗壓性能，但抗拔力和抗彎性能均較差，在水平力作用下極易發(fā)生斷樁事故，往往不能滿足石油化工裝置高聳建筑物的設(shè)計(jì)要求。因此，針對(duì)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及工程特點(diǎn)，鋼筋混凝土預(yù)制方樁在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上具有較大的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中。

5 結(jié)論

基于現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合長(zhǎng)期以來(lái)該地區(qū)的工程實(shí)踐，對(duì)混凝土預(yù)制方樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁及鉆孔灌注樁進(jìn)行了客觀的分析比較，綜合場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及工程特征分析，認(rèn)為鋼筋混凝土預(yù)制方樁綜合性價(jià)比最高，且質(zhì)量容易控制；鉆孔灌注樁綜合性價(jià)比最差，且成樁質(zhì)量不易控制。

[1]華衛(wèi)君，唐宏康．鎮(zhèn)海煉化擴(kuò)建800萬(wàn)噸/年煉油工程新建裝置樁基靜載荷試驗(yàn)報(bào)告[R].寧波：浙江省工程勘察院，2001.

[2]許國(guó)平.軟土地基上多高層建筑樁基的選型與設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，1999（12）：36-40.

[3]J GJ 106-2003，建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[4]J GJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

LoadTestsforTypeSelectionofFoundationPileofLargeScale Petrochemical EquipmentonSoftFoundation

Hua Weijun1，Mo Dingge2
1.Zhejiang Engineering Prospecting Institute，Ningbo 315012，China
2.Sinopec ZhenhaiRefining&ChemicalCompany，Ningbo 315207，China

A refinery project is located in the new reclaimed tideland in Ningbo，which is the typical coastal soft soil foundation with low bearing capacity and large settlement deformation，so pile foundation must be used to meet the requirements of foundation bearing capacity and the settlement deformation of the equipment. Based on the field load tests，the analysis and comparison on the load-settlement data of 9 piles（divided into 3 kinds）as well as the technical and economic indexes are conducted.The results show that the vertical bearing capacity of the bored grouting piles with its tip in sand are affected more easily by the pile quality，and theirbearing capacities have a large discrete range；the prestressed concrete pipe-piles are most economical.

soft soilfoundation；type selectionof pile foundation；load test；petrochemicalequipment

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.010

華衛(wèi)君（1963-），男，浙江臺(tái)州人，高級(jí)工程師，2010年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）土木工程專業(yè)，主要從事巖土工程勘察及試驗(yàn)研究等工作。

2014-09-20