復(fù)雜地質(zhì)條件下綜合地基處理技術(shù)的 研究與應(yīng)用

阮 虹 石長元 王曉峰 唐 丹 郭 嬌 錢俊豪

1.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041； 2.中冶賽迪建筑市政設(shè)計(jì)有限公司,四川 成都 610041

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步,在工程建設(shè)領(lǐng)域,地基處理技術(shù)不斷發(fā)展并被廣泛應(yīng)用。通常情況下,在國家能源儲備工程中,基于戰(zhàn)略的考量,基地選址受限較多,地質(zhì)條件比較復(fù)雜,地基處理難度大。本文以某儲備基地工程為例,針對厚度嚴(yán)重不均的Ⅳ級自重濕陷性黃土地質(zhì)條件,介紹了多種地基處理技術(shù)和地基基礎(chǔ)方案綜合應(yīng)用的技術(shù),突破了以往單一的處理方式,具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，為該類地區(qū)地基及基礎(chǔ)綜合處理提供了借鑒。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

某儲備基地工程建設(shè)10×104m3鋼制雙盤式外浮頂儲罐30座?；貓鰠^(qū)在大地構(gòu)造上位于祁連褶皺系祁連中部隆起之東部,區(qū)域上褶皺軸向和斷裂走向主要以NWW、NNW向?yàn)橹鳌M建場區(qū)次一級構(gòu)造單元隱伏基地隆起剖面圖見圖1。

圖1 場地隱伏基地隆起剖面圖

1.2 地層分布

原始自然地貌高低不平,上部土層為Ⅰ級非自重濕陷性場地至Ⅳ級自重濕陷性黃土場地,黃土層厚薄不均[1]?；靥钔梁穸茸兓笄伊W(xué)性質(zhì)不均勻,具濕陷性。黃土下部基巖為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖和強(qiáng)風(fēng)化千枚巖,基巖埋深不一,坡度有緩有陡。強(qiáng)風(fēng)化千枚巖,是比較好的地基持力層。3個(gè)臺階狀罐區(qū)的設(shè)計(jì)地坪距離巖石表面高度有深有淺,多數(shù)罐設(shè)計(jì)地坪下黃土厚度不均,約6～15 m,相鄰兩鉆孔巖石高差3～5 m或6～9 m,巖石坡度高低不平。部分罐設(shè)計(jì)地坪下黃土厚度較大,約5～23.7 m,巖石坡度較陡,巖石坡度起伏較大。另外罐區(qū)自然地坪起伏不平,使同一個(gè)罐地基土有挖方也有填方。有個(gè)別罐巖石有外露,同時(shí)還覆蓋≤4.5 m黃土,巖石埋深≤4.5 m,相鄰兩鉆孔巖石高差一般為2～3 m,巖石坡度較平緩。有個(gè)別罐巖石雖有外露或接近外露,但該罐的其他鉆孔顯示巖石埋深>4.5 m,即黃土厚約5～10 m,基巖傾斜度相當(dāng)大。場區(qū)各土層主要力學(xué)指標(biāo)和建議采用值見表1～2。

表1場區(qū)各土層主要力學(xué)指標(biāo)

層號土層名稱土粒比重GS含水量W/(%)濕密度ρo/(g·cm-3)孔隙比eo飽和度Sr/(%)孔隙度n/(%)液限WL/(%)塑限WP/(%)塑性指數(shù)IP(2)黃土2.708.81.530.92526.2647.8624.416.97.5(2)1黃狀粉土2.7010.71.451.09027.4151.5425.217.08.2(3)黃土2.7010.61.660.81037.3844.3525.017.47.6

1.3 地基土濕陷性

表2場區(qū)各土層主要力學(xué)指標(biāo)建議采用值

層號土層名稱直剪粘聚力C/kPa壓縮系數(shù)Es 0.1～0.2/MPa壓縮模量內(nèi)摩擦角φ/(°)承載力特征值fak/kPa(1)人工填土---70(2)黃土28.210.1415.0135(2)1黃土狀粉土26.980.3110.0120(3)黃土29.500.1120.0170(4)砂礫巖---400(4)1泥巖---400(4)2中等風(fēng)化砂礫巖---800(5)強(qiáng)風(fēng)化千枚巖---300(6)中等風(fēng)化千枚巖---1 000

1.4 地質(zhì)條件分析

罐區(qū)普遍存在同一個(gè)罐下原狀濕陷性黃土和回填土混雜,濕陷土的濕陷程度、厚度不一;同一個(gè)罐下的基巖性質(zhì)不同,有砂礫巖也有強(qiáng)風(fēng)化千枚巖,二者的極限端阻力不一樣;基巖埋深不一,基巖坡度有緩有陡,不少坡度起伏較大,個(gè)別罐下有基巖外露出設(shè)計(jì)地坪以上等情況。

2 地基處理

2.1 初步方案

通過對詳勘地質(zhì)資料的分析,基于儲罐荷載大(250 kPa),對不均勻沉降要求高,地質(zhì)條件復(fù)雜,原狀黃土含水率低、承載力低、濕陷性、黃土層較厚土層厚薄不等、濕陷土與回填土同時(shí)存在、土質(zhì)不均勻、基巖持力層坡度有緩有陡、不少坡度起伏較大等因素,本著安全經(jīng)濟(jì)、方便施工操作及監(jiān)測的原則,該儲備基地工程擬采用高、低能級強(qiáng)夯,強(qiáng)夯+鋼筋混凝土鉆孔擴(kuò)底灌注樁,強(qiáng)夯+灰土擠密樁復(fù)合地基以及天然地基等方式[6]。

2.2 強(qiáng)夯試夯情況

2.2.1 強(qiáng)夯試夯

按設(shè)計(jì)要求,強(qiáng)夯后地基承載力特征值≥250 kPa,黃土最深處壓縮模量≥25 MPa,在有效影響深度范圍內(nèi)完全消除濕陷性影響[7]。為保證強(qiáng)夯處理地基的效果,根據(jù)場地含水情況,強(qiáng)夯前對地基進(jìn)行預(yù)增濕處理[8]。根據(jù)不同覆土厚度和不同增濕方式在有代表性區(qū)域設(shè)置面積為24 m×24 m試夯區(qū)(1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū))[9]。各高能級試夯區(qū)情況見表3。

2.2.2 試夯檢測結(jié)果

各高能級試夯區(qū)檢測情況見表4。

表3高能級試夯區(qū)情況

高能試夯區(qū)強(qiáng)夯能級/(kN·m)覆土厚度/m區(qū)域增濕方式含水率改善情況1區(qū)16 00015挖方單孔3、4號探井含水率普遍<10 %,1、2號探井上部4 m含水率較高,下部土層含水量基本沒有改善2區(qū)12 00014填方單孔地膜上部4 m含水率較高,下部含水率偏低,下部土層含水量不均3區(qū)8 00011挖方單孔地膜7 m以下存在低含水率區(qū)域,下部土層含水量不均4區(qū)16 00016挖方打孔灌砂表層3 m土層含水率偏高,下部土層基本在設(shè)計(jì)含水率范圍內(nèi),含水率>10 %,強(qiáng)夯有效影響深度達(dá)14 m

表4各高能級試夯區(qū)檢測情況

試夯區(qū)布點(diǎn)方式濕陷系數(shù)壓縮模量平板載荷試驗(yàn)1區(qū)8 m×8 m<0.015離散性較大,部分>20 MPa不滿足設(shè)計(jì)要求2區(qū)8 m×8 m<0.015,但仍有未消除區(qū)域大部分<20 MPa出現(xiàn)大面積橡皮土3區(qū)8 m×8 m<0.015離散性較大,部分>20 MPa淺層平板載荷試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求4區(qū)8 m×8 m<0.015離散性較大,部分>20 MPa淺層平板載荷試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求

2.2.3 試夯結(jié)論

強(qiáng)夯地基處理后,粉土層各深度地基承載力估算值181～282 kPa；由于儲罐載荷較大覆土層范圍均為主要持力層[10]；通過載荷試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入判定強(qiáng)夯后表層承載力離散性較大[11],深層土承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求。綜合判定強(qiáng)夯后地基承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 樁基試驗(yàn)情況

根據(jù)不同巖性和基巖標(biāo)高共選定4個(gè)試樁試驗(yàn)區(qū)總計(jì)12根樁,試驗(yàn)樁樁徑800 mm干作業(yè)鋼筋混凝土鉆孔灌注樁[12]。通過低應(yīng)變檢測,12根試樁樁身完整全部為Ⅰ類樁;通過高應(yīng)變檢測,單樁豎向承載力特征值均>3 000 kN,滿足設(shè)計(jì)要求;通過載荷試驗(yàn)檢測,單樁豎向承載力特征值均大于3 000 kN,滿足設(shè)計(jì)要求。樁身完整性和單樁豎向承載力特征值均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 最終方案

2.4.1 采用處理方式

由于地基情況復(fù)雜,雖然采取了多種注水方式及保證措施,注水試驗(yàn)效果并不理想,無法達(dá)到預(yù)期效果。說明在特別復(fù)雜地質(zhì)條件下,在不能保證大面積注水成功的前提下,單純的強(qiáng)夯地基處理存在不確定性。同時(shí)由于場區(qū)平整前大部分地段位于緩丘區(qū),地勢西高東低、北高南低,下部基巖面起伏很大,局部存在基巖突變,即使通過強(qiáng)夯地基處理,對壓縮模量、濕陷性消除情況進(jìn)行改善,仍然存在不均勻沉降的可能。因此,為確保工程質(zhì)量和安全,統(tǒng)籌考慮工期因素,針對各罐不同的地質(zhì)情況,綜合應(yīng)用不同的處理方式。

2.4.1.1 天然地基

天然地基處理方式的設(shè)計(jì)思路來源于換填墊層法和“木桶”受力模型,混凝土擋墻相當(dāng)于桶壁,混凝土擋墻外側(cè)土層相當(dāng)于桶箍。該處理方式在國內(nèi)同類工程中首次使用,使用前仔細(xì)分析研究了其受力模型、受力特點(diǎn),計(jì)算了儲罐的側(cè)壓力、土的推力、擋墻底部的摩擦力以及風(fēng)和地震作用等產(chǎn)生的水平力,在此基礎(chǔ)上反復(fù)驗(yàn)算了基礎(chǔ)的抵抗能力[17];經(jīng)過多次優(yōu)化,擋墻由開始的外臺階式優(yōu)化為內(nèi)臺階式。經(jīng)專家論證認(rèn)為該處理方式能夠確保儲罐的安全，換填量減少約10 000 m3,土方開挖量減少約4 000 m3,縮短工期約30 d。

2.4.1.2 天然地基+樁基

4座儲罐基礎(chǔ)下部分巖石外露或接近外露,但另一部分覆蓋一定厚度的黃土層(黃土厚5～12 m),采用一半天然地基一半樁基的處理方式。具體方法是黃土層部分先低能級強(qiáng)夯再打樁做鋼筋混凝土承臺,承臺與天然地基進(jìn)行搭接,并在承臺內(nèi)設(shè)計(jì)部分錨拉鋼筋與天然地基進(jìn)行拉結(jié),巖石外露部分鑿掉至環(huán)墻底部標(biāo)高。

根據(jù)GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》“同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基”的規(guī)定,因場地土類型對抗震有利、開挖工程量浩大、施工難度大,設(shè)計(jì)時(shí)綜合計(jì)算風(fēng)荷載、地震作用等產(chǎn)生的水平力以及基礎(chǔ)的抵抗能力,豎向荷載由基巖和嵌巖樁基共同承擔(dān),水平荷載由承臺周邊回填土、基巖與承臺板的摩擦力、抗剪墩和嵌巖樁共同抵抗。該處理方式避免了石方爆破與重新回填、布樁等工序,縮短了工期,節(jié)約了投資[18]。

2.4.1.3 全部樁基

18座儲罐基礎(chǔ)下黃土層覆蓋厚度最深處超過10 m,底部基巖面高差也較大,巖石坡度較陡,采用全部樁基處理方式。該類儲罐基巖坡度為1∶7或1∶6,巖石坡度起伏變化較大,同一個(gè)儲罐地基土有挖方也有填方,且局部填方很厚。具體方法是將濕陷性黃土較厚、基巖埋深大、基巖坡度大的罐,先高能級強(qiáng)夯,再做樁基加鋼筋砼承臺，承臺上做鋼筋混凝土環(huán)墻基礎(chǔ)。

由于大部分樁基樁身長度較短,無法作為提供反力的錨樁,為達(dá)到抽檢的效果,根據(jù)要求不能提前指定樁號,這使得單獨(dú)做錨樁也存在困難。同時(shí)由于當(dāng)?shù)匾劳袟l件較差，試驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足,采用堆載方式全部試驗(yàn)需要時(shí)間較長。根據(jù)JGJ 106-2003《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》,經(jīng)計(jì)算分析,在樁基檢測中采用高應(yīng)變輔助檢測法進(jìn)行承載力檢測。

2.4.1.4 強(qiáng)夯

1座儲罐部分基礎(chǔ)下黃土覆蓋層厚度5～10 m,土層厚度相對均勻,回填土相對不厚,采用增濕+高能級強(qiáng)夯的方式處理[19]。具體方法是先進(jìn)行高、低能級強(qiáng)夯,然后進(jìn)行檢測，合格后再進(jìn)行計(jì)算預(yù)抬高尺寸,最后直接做鋼筋混凝土環(huán)墻基礎(chǔ)。

通過仔細(xì)分析強(qiáng)夯和同類工程強(qiáng)夯數(shù)據(jù),論證了大型儲罐基礎(chǔ)強(qiáng)夯處理的適用范圍以及預(yù)增濕強(qiáng)夯法地基處理方案。如果儲罐的地基土層相對均勻，厚度適中,基巖坡度平緩,地基土含水率合適,預(yù)增濕效果較好,運(yùn)用強(qiáng)夯技術(shù)是合適的[20]。但對復(fù)雜地質(zhì)條件下厚度嚴(yán)重不均的高等級濕陷性黃土,如存在預(yù)增濕注水工程量大、預(yù)增濕均勻難度大、控制難度大等不確定性因素,單純的強(qiáng)夯很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對于地基覆土較淺且基巖起伏較小情況,通過周密的預(yù)增濕技術(shù)措施,加上設(shè)計(jì)和施工控制措施到位,強(qiáng)夯能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4.2 未采用方式

2.4.3 最終方案匯總

最終地基處理方案匯總見表5。該儲備基地工程通過綜合應(yīng)用多種地基處理技術(shù)和基礎(chǔ)處理方式,節(jié)省工程投資4 600萬元。

表5最終地基處理方案匯總表

罐號地基處理方案土層厚度/m基巖最大坡度/(%)備注G-11001強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁12.90～17.2014.3填土分布少G-11002強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁10.10～15.0014.0填土分布少G-11003強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁3.20～8.8020.0填土分布少G-11004強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁8.30～13.6010.4填土最大厚度2.2 mG-11005強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁6.60～15.9019.6填土分布少G-11006強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁4.40～11.7020.2填土分布少G-11007強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁7.90～14.7015.6填土最大厚度5 mG-11008普夯+鋼筋混凝土灌注樁5.40～9.5010.8填土最大厚度3 mG-11009天然地基2.60～7.0010.9填土分布少G-11010強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁5.90～13.0013.4填土最大厚度4.1 mG-11011強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁8.20～14.0018.9填土最大厚度6.2 mG-11012強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁1.80～11.6038.5填土最大厚度5.6 mG-11013天然地基1.50～5.0011.8填土分布少G-11014天然地基+鋼筋混凝土灌注樁1.10～10.8024.1填土分布少G-11015天然地基+鋼筋混凝土灌注樁0～14.3037.3填土最大厚度4 mG-11016天然地基4.20～7.0011.8填土最大厚度4.6 mG-11017天然地基1.00～6.8015.3填土最大厚度1.7 mG-11018天然地基+鋼筋混凝土灌注樁0.60～12.0042.5填土最大厚度4.8 mG-11019強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁15.50～20.2020.8填土分布少G-11020強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁8.20～15.5018.7填土最大厚度3.7 mG-11021強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁8.50～16.7025.1填土分布少G-11022強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁18.20～26.3025.4填土分布少G-11023強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁15.80～19.7013.9填土分布少G-11024強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁11.40～16.0018.2填土最大厚度7.1 mG-11025增濕后高能級強(qiáng)夯4.40～8.9017.3填土最大厚度5.7 mG-11026天然地基0～3.8010.9填土分布少G-11027天然地基0～5.0016.2填土局部分布G-11028強(qiáng)夯+鋼筋混凝土灌注樁3.50～21.3050.1填土最大厚度6.6 mG-11029天然地基1.00～4.7010.1填土最大厚度1.7 mG-11030天然地基+鋼筋混凝土灌注樁0～12.7054.5填土局部分布

3 結(jié)論

1)針對復(fù)雜地質(zhì)條件,綜合運(yùn)用多種地基處理技術(shù)和基礎(chǔ)處理方式,不但技術(shù)上可行,而且社會、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2)采用預(yù)增濕強(qiáng)夯法處理土層含水量偏低的濕陷性黃土,技術(shù)上可行,但大面積不均勻土層的預(yù)增濕效果難以保證。

3)通過試夯，提供工程所需的最優(yōu)強(qiáng)夯參數(shù),編制可操作性強(qiáng)的強(qiáng)夯施工技術(shù)規(guī)定，對大面積強(qiáng)夯施工質(zhì)量極為重要。

4)強(qiáng)夯法對于處理不均勻地基效果明顯。

5)在濕陷性黃土地基尤其是土層含水量較低時(shí),在樁基前采用強(qiáng)夯進(jìn)行預(yù)處理,無論是對樁基施工質(zhì)量還是基樁受力都極有利。

6)根據(jù)建構(gòu)筑物對地基的不同要求,同時(shí)考慮各種地基處理方式對設(shè)備機(jī)具、場地等施工條件的要求,有區(qū)別地選用最優(yōu)地基處理方式。