沿海某大型項目回填區(qū)域地基處理方案比較與分析

呂 云 峰

(河南四建股份有限公司，河南 開封 475000)

沿海某大型項目回填區(qū)域地基處理方案比較與分析

呂 云 峰

(河南四建股份有限公司，河南 開封 475000)

以中國石油廣西石化裝置區(qū)20萬m2回填區(qū)域地基處理實際工程為例，介紹了擠密碎石樁復合地基加固方案、鋼筋混凝土樁基方案、高能級強夯加固地基處理方案及低能級強夯加樁基加固方案，并對四種地基處理的經(jīng)濟方案作了對比分析，最終確定出經(jīng)濟合理、技術(shù)先進的地基處理工藝，可供類似工程參考。

填土，強夯，碎石樁，經(jīng)濟分析，地基處理

1 概述

中國石油廣西石化1 000萬t/年煉油項目位于廣西欽州港起步工業(yè)區(qū)，地貌上屬于海蝕丘陵，大部分區(qū)域為低山丘陵和海叉。場地原為低矮丘陵，地形起伏較大，經(jīng)挖填平整后，場地開闊平坦,標高在6.70 m～11.50 m之間。煉油項目裝置區(qū)擬建裝置為：常減壓蒸餾裝置、連續(xù)重整裝置、重油催化裂化裝置、蠟油加氫裂化裝置、柴油加氫精制裝置、氣體分餾裝置、化學水處理站等裝置，總面積約41.65萬m2，其中回填區(qū)域面積約20萬m2，最大填土厚度達13.5 m，且該區(qū)域回填前未清淤，存在較厚的淤泥軟臥層，并含有有機質(zhì)。

裝置區(qū)各種塔器、反應器等設備屬于高、重或動荷載較大的重要工藝設備和重要的建(構(gòu))筑物，對地基基礎穩(wěn)定性、安全性要求很高。如何在既滿足這些關(guān)鍵設備及重要建(構(gòu))筑物基礎地基要求的同時，又兼顧一般性設備、建(構(gòu))筑物、管線敷設等各類淺基礎對地基的要求，是裝置區(qū)地基處理的關(guān)鍵所在。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)情況

根據(jù)勘察鉆探揭露，場地各巖土層分布及特征自上而下分述如下：①素填土：褐黃、淺黃、黃色，松散狀態(tài)，以砂巖、頁巖碎片為主，部分已形成粉砂。為新近堆填物。層厚0.3 m～13.5 m，平均厚度6.84 m,屬高壓縮性土。②淤泥：灰、灰黑色，軟塑～可塑狀態(tài)，含較多有機質(zhì)，具有臭味，局部夾少量植物根莖。層厚0.2 m～5.8 m，平均厚度1.80 m，屬高壓縮性土。③粉質(zhì)粘土：黃、灰黃、紅色，硬塑～可塑狀態(tài)，含較多鐵質(zhì)氧化物，局部夾較多粉砂。切面粗糙，干強度高，無搖震反應。層厚為0.2 m～8.5 m，平均厚度1.43 m，屬中等壓縮性。④頁巖：灰、灰黑色，堅硬狀態(tài)。強風化，局部含較多碳質(zhì)和少量絹云母，裂隙較發(fā)育，局部較軟，手捏形成粘土狀，層理較明顯，光滑，具有絲絹光澤。其間夾薄層泥質(zhì)粉砂巖。極軟巖，較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。揭露層厚0.6 m～11.9 m，平均層厚3.8 m，屬低壓縮性。⑤頁巖：灰、灰黑色，堅硬狀態(tài)。中等風化，局部含較多碳質(zhì)和少量絹云母，裂隙較不發(fā)育，基本被鐵質(zhì)氧化物充填。層理較明顯，光滑，具有絲絹光澤。其間夾薄層泥質(zhì)粉砂巖。極軟巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。最大揭露層厚12.0 m，屬低壓縮性。⑥泥質(zhì)粉砂巖：灰、灰黃、黃色，堅硬，強風化層，含較多鐵質(zhì)氧化物，裂隙發(fā)育良好，少量被鐵質(zhì)氧化物填充。層面與層面交界處夾泥，局部呈粉砂巖，夾薄層泥質(zhì)頁巖，局部有互層現(xiàn)象。屬極軟巖，破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。揭露層厚0.7 m～7.3 m，平均厚度5.1 m，低壓縮性。⑦泥質(zhì)粉砂巖：灰、灰黃、黃色，堅硬，中風化，含較多鐵質(zhì)氧化物，裂隙發(fā)育較差，部分被鐵質(zhì)氧化物填充。層面與層面交界處較軟，局部呈粉砂巖，夾薄層泥質(zhì)頁巖，局部有互層現(xiàn)象。屬極軟巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，厚度未揭穿，低壓縮性。

2.2 水文地質(zhì)條件

工程場地屬上層滯水，水量較小，賦存于填土與淤泥層中，水位較低。以大氣降水補給為主，向低洼處排泄。主要分布在填方地段。水位變化幅度在2.0 m～3.0 m左右。

3 地基處理方案的經(jīng)濟可行性對比研究

場地中回填土主要由砂巖、頁巖和泥質(zhì)粉砂巖組成，厚度隨原地面標高與現(xiàn)地面標高的差值而異，由于原始地貌為海蝕丘陵，標高起伏較大，從而造成填土厚度極不均勻，回填土厚度從0.3 m～13.5 m不等。場地中回填土存在自重壓密性、濕陷性、低強度和高壓縮性。自重壓密性表現(xiàn)為：在自重和大氣降水下滲的作用下有自行壓密的特點，結(jié)合場地填土類型，自重壓密所需時間為5年～10年；濕陷性表現(xiàn)為：土質(zhì)疏松，孔隙率高，在浸水后會產(chǎn)生較強的濕陷，在地下水位高的地方，填土的濕陷性則不顯著；低強度和高壓縮性表現(xiàn)在回填土土質(zhì)疏松、密度差、固化程度低，所以抗剪強度低，承載力也低。而填土的壓縮性則很高，填土隨含水量的增加，其壓縮性會急劇增大。這種地基如不予以處理或簡單套用其他工程措施，不僅可能危害裝置和建筑物的正常使用與安全，而且勢必造成不必要的浪費。

為了遴選出比較適合本場地地質(zhì)情況，且經(jīng)濟可行、便于施工的地基加固方案，經(jīng)討論并結(jié)合現(xiàn)場實際和地質(zhì)情況，對以下四種方案進行研究對比。

3.1 擠密碎石樁復合地基加固方案

擠密碎石樁于19世紀30年代起源于歐洲，二次大戰(zhàn)后，蘇聯(lián)在這方面研究取得了較大成就，并廣泛的應用。我國于50年代引入該方法，其后在工業(yè)與民用建筑、交通、水利等工程建設中得到廣泛的應用。

該方法的加固機理是采用沖擊法或振動法下沉樁管，由于樁管下沉對填土周圍產(chǎn)生很大的橫向擠壓力，樁管就將地基中同體積的填土擠向周圍填土，使其孔隙比減小，密度增大，有效擠密范圍可達3倍～4倍樁直徑。

目前國內(nèi)外常用的成樁方法主要有振動成樁法和沖擊成樁法。振動成樁法按成樁工藝可分為一次拔管法、逐步拔管法、重復壓拔管法三類，沖擊成樁法按成樁工藝可分為單管法、雙管法兩類。

根據(jù)有關(guān)相似施工試驗數(shù)據(jù)，回填土地基經(jīng)擠密碎石樁加固后，形成的復合地基承載力可從100 kPa提高到133 kPa～167 kPa，平均承載力僅提高50%。根據(jù)裝置區(qū)回填土層的厚度，碎石樁長按10 m計，碎石樁按直徑0.4 m計，碎石樁間距為1.5 m，該地基處理費用高達200元/m2～300元/m2，也就是平均每提高10 kPa需要費用50元。裝置區(qū)回填土區(qū)域面積為20萬m2，如果采用這種方法處理，將地基承載力提高到200 kPa，則需要約5 000萬元投資，何況經(jīng)該方法處理后的地基也僅僅只能滿足淺基礎的地基處理要求，對于高重設備、動荷載大或關(guān)鍵重要設備及承載力要求較高的建(構(gòu))筑物的地基仍需要采用灌注樁基礎，這樣兩項工藝相加，費用更高、工期更長。

3.2 鋼筋混凝土樁基方案

由于廠區(qū)填方區(qū)填土固結(jié)時間短，結(jié)構(gòu)疏松且存在大孔(空)隙，強度很低，其下部還存在厚度不均的淤泥軟臥層。如果采用樁基，結(jié)構(gòu)松散的回填土及其負摩阻力將占單樁承載力的一半強度，如果按10 000根樁計算，將有一半樁長白白打入地下不能發(fā)揮作用，從而造成極大的浪費，也很不經(jīng)濟，而且工藝及公用工程管線、一般性設備、道路等淺基礎的地基處理如果也采用樁基將更增加額外工程費用。同時，松散結(jié)構(gòu)的素填土也存在成樁困難及工期長、工程質(zhì)量不易控制等特點。

3.3 高能級強夯加固地基處理方案

高能級強夯法施工具有經(jīng)濟易行、效果顯著、設備簡單、施工便捷、質(zhì)量容易控制、適用范圍廣、節(jié)省材料、施工周期短、不改變土壤結(jié)構(gòu)等特點，特別適合大面積地基處理。尤其8 000 kN·m以上的高能級強夯，其處理深度可以達到11 m～15 m，并能完全消除濕陷性，大大提高承載力特征值和壓縮模量，可作為一般建(構(gòu))筑物和油罐天然地基。

雖然高強夯法地基處理具有很多優(yōu)點，但面對復雜的上部荷載，尤其高重、關(guān)鍵設備及動荷載大的設備或承載力要求高的重要建(構(gòu))筑物還必須輔以樁基。根據(jù)煉廠裝置區(qū)裝置設備及建(構(gòu))筑物的具體情況，裝置區(qū)主要設備和建(構(gòu))筑物地基仍需選用樁基。因此，如果僅僅是為了消除回填土濕陷性和滿足淺基礎地基的要求，費用要低很多的低能級強夯同樣也能實現(xiàn)(8 000 kN·m～10 000 kN·m強夯，南方市場價在125元/m2～180元/m2；3 000 kN·m在40元/m2以內(nèi))，而且經(jīng)高能級強夯處理后的土層，因其密實度和壓縮模量的成倍提高也將會增加成樁費用。

3.4 低能級強夯加樁基加固地基處理

回填土地基采用低能級(2 000 kN·m)強夯處理，可將地基承載力從150 kPa提高到250 kPa左右，按40元/m2加固費用計算，平均每提高10 kPa需要費用4元，成本遠遠低于碎石擠密復合地基，僅此一項就可節(jié)約4 000多萬元。

通過擠密碎石樁復合地基加固、直接采用鋼筋混凝土樁基、高能級強夯加固地基處理和低能級強夯加樁基加固地基處理四種方案進行技術(shù)、經(jīng)濟等的研究對比，最終確定選用低能級強夯的地基處理方案。

經(jīng)過低能級強夯處理的地基目的是滿足管架、普通建筑及道路豎向等的基礎地基要求，關(guān)鍵的廠房、框架、設備和動設備等仍需采用樁基。采用低能級強夯加固后的回填區(qū)域地基，在不增加樁基施工難度的基礎上，一方面消除了地基的濕陷性，另一方面增加了樁的側(cè)摩阻力和地基的水平剛度，可顯著提高樁的承載力(根據(jù)有關(guān)試驗數(shù)據(jù)可提高承載力約為50%)，明顯改善樁的受力性能，也有利于其他形式的基礎施工并增加基礎的穩(wěn)定性。假如裝置區(qū)需要打入5 000根灌注樁，經(jīng)低能級強夯處理后在承載力不變情況下可節(jié)約成本(按φ800 mm/18 m灌注樁每米直接費800元計算)約3 600萬元，拋卻強夯可以直接作為一般性建筑的地基的優(yōu)點，扣除強夯費用(按40元/m2計，20萬m2費用為800萬元)，仍可節(jié)約樁基投資2 800萬元。經(jīng)過各方案經(jīng)濟對比分析，對聯(lián)合裝置區(qū)最終采用低能級強夯的地基處理方案。

4 強夯檢測評價

為了解聯(lián)合裝置區(qū)采用低能級強夯加固的處理效果，對本場地進行了夯前、夯后平板靜載荷試驗、動力觸探試驗和多道瞬態(tài)面波檢測。本次試驗共進行了8組平板靜載荷試驗，24點重型動力觸探試驗和24點平板靜載荷試驗。最大加載量按設計要求，取大于2倍承載力特征值，荷載板的面積均為2.0 m2。重型動力觸探試驗夯前、夯后各12點，試驗深度10 m～20 m(至原巖面)。多道瞬態(tài)面波測試夯前、夯后各12點，測試深度10 m～20 m。

通過圖1可看出本區(qū)域動探深度范圍內(nèi)強夯前后土層密實狀態(tài)都有明顯改善，大部分動探擊數(shù)提高了10%以上，最高達到200%，可以判斷本區(qū)淺部地層強夯加固效果明顯。

綜合重型動力觸探、多道瞬態(tài)面波測試和平板載荷試驗可得如下結(jié)論：夯后地基承載力特征值基本在200 kPa以上，壓縮模量均大于20 MPa，有效加固深度達到6.0 m。檢測結(jié)果證明該方案選擇合理，加固效果顯著，達到了預期目的。

5 結(jié)語

1)地基處理方案選擇合理與否，將關(guān)系到后期整個工程的造價、質(zhì)量和進度。本文通過以上技術(shù)、經(jīng)濟的對比和篩選，最終確定對裝置區(qū)回填區(qū)域先采用低能級強夯處理，然后再根據(jù)設備、廠房及荷載等具體情況和其重要性采用合適的樁基處理的地基處理方案。2)地基處理效果與土壤含水率、土的回填質(zhì)量等有密切關(guān)系?？刂坪猛馏w的含水量和回填質(zhì)量，不僅可取得更好的加固效果，而且可避免因二次處理造成時間和經(jīng)濟上的浪費。3)在大面積強夯施工檢測中，應因地制宜，合理搭配檢測手段，選用瑞雷波進行面波檢測，動力觸探單點復核，關(guān)鍵點靜載試驗確定地基承載力的綜合檢測方法是經(jīng)濟、有效、可靠的檢測手段。

[1] 王鐵宏.全國重大工程項目地基處理工程實錄[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[2] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 王鐵宏，水偉厚.高能級強夯工程應用與發(fā)展述評[A].第九屆土力學與巖土工程學術(shù)會議論文集[C].2003:723-728.

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On comparison and analysis of foundation treatment schemes at backfill regions of some large-scale coastal programs

Lv Yunfeng

(HenanSijianCo.,Ltd,Kaifeng475000,China)

Taking the foundation treatment projects at 200 000 square meters at petrochemical plant areas of Guangxi in Petrochina as the example, the paper introduces compacted gravel pile composite foundation consolidation scheme, reinforced concrete pile foundation scheme, high energy dynamic compaction consolidation scheme, and low energy dynamic compaction and pile foundation scheme, undertakes the comparative analysis of the four foundation treatments, identifies the economic, reasonable and advanced foundation treatment crafts, so as to provide some reference for similar projects.

backfill, compaction, gravel pile, economic analysis, foundation treatment

2015-04-25

呂云峰(1975- )，男，工程師

1009-6825(2015)19-0048-03

TU472

A