冷換設(shè)備和容器基礎(chǔ)遇軟土地基提高 樁基水平承載力問題

王曉晶(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061)

0 引言

石油化工冷換設(shè)備和臥式容器基礎(chǔ)除了承受豎向荷載以外，還要承受基礎(chǔ)頂部傳來的水平推力，這個(gè)水平推力包括基礎(chǔ)頂部相連管道傳來的溫度應(yīng)力，基礎(chǔ)頂部活荷載、溫度變化在設(shè)備支撐面上引起的摩擦力及停產(chǎn)檢修時(shí)的抽芯力，設(shè)備傳來的風(fēng)荷載，地震作用下水平推力。所以水平承載力的計(jì)算也很重要，尤其基礎(chǔ)遇軟土地基時(shí)基礎(chǔ)承受水平荷載能力較低。

1 石油化工冷換設(shè)備和容器樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要充分考慮水平承載力

石油化工冷換設(shè)備和容器樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中通常主要承擔(dān)豎向荷載為主，這其中結(jié)構(gòu)自重大約占15%，使用荷載占85%左右根據(jù)[1]。同時(shí)，石油化工冷換設(shè)備和容器基礎(chǔ)通常也要抵抗風(fēng)荷載和地震作用，風(fēng)和地震對(duì)冷換設(shè)備和容器基礎(chǔ)產(chǎn)生的效應(yīng)一是會(huì)產(chǎn)生傾覆力矩根據(jù)[2]，另一就是會(huì)產(chǎn)生基底剪力，傾覆力矩則是無非對(duì)豎向受力構(gòu)件產(chǎn)生軸向力作用?！袄鋼Q設(shè)備基礎(chǔ)計(jì)算簡(jiǎn)圖”，但基底剪力則必須由水平抗力來承擔(dān)。在天然地基設(shè)計(jì)中，石油化工冷換設(shè)備和容器基礎(chǔ)水平抗力主要由基底與土的摩擦力、基礎(chǔ)周邊土的土壓力，共同來提供，對(duì)于粘性土、砂土等，混凝土與其之間的摩擦系數(shù)通常可以達(dá)到0.45左右。因此，僅僅光基底的摩擦力這一項(xiàng)，相當(dāng)于軸向壓力的45%。而地震或風(fēng)荷載引起的基底剪力，由于受地震烈度及結(jié)構(gòu)自震周期影響等，很難超過10%根據(jù)[3]。因此，在天然地基的情況下，石油化工冷換設(shè)備和容器基礎(chǔ)水平承載力都是很容易被滿足的，這也是我們一般不討論的話題，但這并不代表水平承載力不存在。

但是對(duì)于石油化工冷換設(shè)備和容器樁基礎(chǔ)而言，則不同。首先，石油化工冷換設(shè)備和容器樁基礎(chǔ)我們常規(guī)意義上來講，主要以承受豎向荷載為主，很少有人認(rèn)為石油化工冷換設(shè)備和容器樁基礎(chǔ)需要承擔(dān)全部的水平承載力，因?yàn)檫@樣會(huì)務(wù)必大幅增加樁的數(shù)量，造成工程造價(jià)大幅上升。就包括我們常用的PKPM計(jì)算軟件，自動(dòng)選樁的時(shí)候，都是以豎向力為主，而水平承載力都是加強(qiáng)構(gòu)造為主根據(jù)[4]。例如在樁基規(guī)范[5]中，明確要求了基坑外肥槽回填的要求，就是通過加強(qiáng)承臺(tái)周邊的回填土的密實(shí)度，來把承臺(tái)牢牢的約束住，從而來完成水平抗力的提供。這種做法其實(shí)也是有很多工程經(jīng)驗(yàn)的，在工程界也是得到了認(rèn)可。

但是，這樣做前提是必須把回填土作為一個(gè)重點(diǎn)的“構(gòu)件”來對(duì)待。但在實(shí)際操作中，施工單位、甲方及監(jiān)理單位很難有特別懂的人才，通常大家都是把主要精力放在混凝土構(gòu)件中。對(duì)于回填土，很多時(shí)候都是睜一只眼閉一只眼，容易留下工程隱患。因此，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分重視石油化工冷換設(shè)備和容器樁基水平承載力計(jì)算。

2 石油化工冷換設(shè)備和容器樁基水平承載力的現(xiàn)狀

通常，我們計(jì)算石油化工冷換設(shè)備和容器樁基水平承載力時(shí)，基本考慮以豎向力為主，水平承載力尤其是群樁水平承載力?？紤]的因素為承臺(tái)與土的土壓力、承臺(tái)底與土的摩擦力等，進(jìn)行修正后，一般群樁承載力提高可最小達(dá)到約1.7以上，這部分貢獻(xiàn)很大。因此，在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分加強(qiáng)對(duì)回填土的要求，例如采用級(jí)配砂石、灰土或壓實(shí)性較好的土分層夯實(shí)回填，即可保證結(jié)構(gòu)安全。

3 石油化工冷換設(shè)備和容器軟土地基中樁基水平承載力常見的問題

在石油化工冷換設(shè)備和容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，軟土地基常見問題是石油化工冷換設(shè)備和容器樁基垂直承載力可以做的很高，但是水平承載力不高。如果按照水平承載力控制樁的數(shù)量，則造成較大的浪費(fèi)，一般業(yè)主難以承受。為此，如何提高石油化工冷換設(shè)備和容器樁基水平承載力，是需要作為一個(gè)設(shè)計(jì)人員要解決的問題。這也是在實(shí)際工程中，最經(jīng)常遇到的問題。那么如何在能提高石油化工冷換設(shè)備和容器樁基水平承載力，主要是根據(jù)樁基的形式、地質(zhì)條件、施工工藝等幾個(gè)方面綜合考慮，充分論證，選出最合理的方案。

4 常見的幾種提高石油化工冷換設(shè)備和容器樁基水平承載力的方法

4.1 提高樁徑

提高樁基直徑，增加樁的自身剛度，同時(shí)增加樁與土的接觸面積，是提高石油化工冷換設(shè)備和容器樁基水平承載力的主要是途徑。但是缺點(diǎn)是，增加樁徑，對(duì)材料用量是成平方關(guān)系增加，增加造價(jià)顯著，主要應(yīng)用于地質(zhì)條件相對(duì)較好、樁基長(zhǎng)度適中的情況。例如一些其嵌巖樁，表層為一些較好砂土或者粘性土，荷載較大的情況，通常考慮可以增加樁徑后，增加樁基的水平承載力，這種情況受力比較清晰，容易得到各方理論認(rèn)可，施工質(zhì)量容易得到保障。

4.2 后壓漿法

后壓漿一般用于鉆孔灌注樁中，通常用于樁基長(zhǎng)度較長(zhǎng)，大于20 m，地質(zhì)條件以砂土層、黏土層相互交互的條件中，在地震烈度較高或者風(fēng)荷載較大，結(jié)構(gòu)受水平荷載作用較明顯。這種情形下，一般采用后壓漿法，具體施工措施如下：在機(jī)械成孔后，在樁基的鋼筋籠外側(cè)綁扎直徑25 mm注漿管，注漿管的高度根據(jù)地勘報(bào)告確定其位置，通常選擇在砂土層側(cè)，注漿點(diǎn)可以選擇兩處或者三處，具體根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，一般至少選擇兩處。如果為較大提高水平承載力，可盡量考慮上，如為既提高豎向承載力同時(shí)也提高水平承載力，則可沿樁基全高設(shè)置注漿點(diǎn)。注漿管隨鋼筋籠下沉至孔中，待澆筑樁基混凝土2天后，受先進(jìn)行用清水進(jìn)行沖洗，保障注漿孔通常，待混凝土7天初凝后開始采用高標(biāo)號(hào)水泥砂漿記性注漿，注漿的多少由注漿泵壓力進(jìn)行控制，同時(shí)密切注意地表是否有砂漿溢出，則停止注漿。

在實(shí)際工程操作中，應(yīng)選用有經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍，進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分論證土層的厚度因素以及是否為砂土層，如果為純粘性土或者淤泥層，應(yīng)仔細(xì)論證其實(shí)用性。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，采用后壓漿后，樁基的豎向和承載力可提高，目前這種工藝也非常純熟，應(yīng)用也越來越廣。

4.3 采用表層土固化方法

表層土固化，在我國(guó)南方某些省市得到了很廣泛的利用?，F(xiàn)以江蘇連云港為例，那里的工業(yè)園區(qū)大部分為蝦池和鹽場(chǎng)，表層淤泥層承載力很低，基本處于流塑狀態(tài)，厚度很大，一般在15 m作用，場(chǎng)地類別通常在IV類，特征周期為0.9 s，地質(zhì)條件極其惡劣，且腐蝕性非常嚴(yán)重。為此，當(dāng)?shù)貙?duì)此等類型地基通常采用固化劑來固化表層土：一是可以提高樁基的水平承載力；另一個(gè)是為現(xiàn)場(chǎng)施工提供機(jī)械條件，在實(shí)際工程操作中取得了較好的效果。

固化土設(shè)計(jì)，首先，固化劑應(yīng)選用正規(guī)廠家產(chǎn)品，固化劑的摻量應(yīng)根據(jù)廠家說明書和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行配置，施工必須要由經(jīng)驗(yàn)施工隊(duì)伍施工，最主要的參數(shù)，固化厚度，通常情況下根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，考慮的因素為表層的土的力學(xué)特性，采用樁型直徑的大小，以及當(dāng)?shù)氐膶?shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般可以采用2×(D+1)，其中D為樁基直徑，一般情況下，不小于1.5 m，固化范圍，樁基外側(cè)最小不小于1.5 m。固化土是提高樁基水平承載力最有效也是最經(jīng)濟(jì)方法之一。固化劑來固化表層土，是最有效的方法也是最直接的方法，希望這種方法在全國(guó)其他地方能繼續(xù)推廣并應(yīng)用。固化的同時(shí)，不單單提高樁基的水平承載力，同時(shí)也能提高樁基的豎向承載力。

4.4 采用斜樁來提高承臺(tái)整體抗傾覆

這種情況通常用于碼頭及港口中，采用斜樁的水平分量，來提高整體的抗推功能，但在陸地項(xiàng)目中應(yīng)用不多，主要受施工機(jī)具等影響，操作起來比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)，故在此不再進(jìn)行論述。

5 結(jié)語

綜上所述，石油化工冷換設(shè)備和容器樁基的水平承載力問題，在近年來越來越收到重視。隨著走出去，國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施公司，逐步進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，那我們的設(shè)計(jì)理念也將逐漸與國(guó)際進(jìn)行接軌。在國(guó)際項(xiàng)目中，甚至直接用基底剪力的標(biāo)準(zhǔn)值除以樁基的水平承載力特征值，其他因素均為安全因素，在計(jì)算中不予考慮。為此，越來越多的大型設(shè)計(jì)院越來重視樁基數(shù)量的控制一般都是由水平承載力來控制，而不是簡(jiǎn)單地由豎向力控制樁基的數(shù)量，使得結(jié)構(gòu)的整體安全性得到了更多的保障。

但是在提高樁基水平承載力措施上必須因地制宜，根據(jù)實(shí)用荷載的要求、土層的厚度、樁基的長(zhǎng)度、地震烈度等綜合因素，統(tǒng)籌考慮，最終選出合適的方法，既能保證結(jié)構(gòu)安全，又能使得結(jié)構(gòu)造價(jià)不至于過度沉重，使得項(xiàng)目容易向前推進(jìn)。