高海拔沙漠鹽堿環(huán)境地基處理
——以阿拉善天然堿開發(fā)利用工程項(xiàng)目為例

錢國(guó)庫

(中國(guó)化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司，湖北 襄陽 441100)

引言

隨著國(guó)內(nèi)外化工及其它建筑行業(yè)的不斷迭代進(jìn)步，國(guó)內(nèi)五位一體(經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會(huì)建設(shè)、生態(tài)文明建設(shè))總布局的提出與落地，建筑行業(yè)的發(fā)展迎來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。各地環(huán)境保護(hù)政策的陸續(xù)出臺(tái)落實(shí)，重工業(yè)及其污染較大企業(yè)隨之遷出轉(zhuǎn)移；城市的快速發(fā)展擴(kuò)張使得各大城市不斷占用農(nóng)田、荒地、灘涂等，向著宜居性越來越差方向進(jìn)發(fā)，向著更不利于建、構(gòu)筑穩(wěn)定性耐久性地域拓展。隨之而來的各種建、構(gòu)筑物安全穩(wěn)定性問題紛至沓來。

底層基礎(chǔ)的穩(wěn)定性決定了上部建筑高度穩(wěn)定性及其整個(gè)建筑的耐久性。尤以化工開采建設(shè)行業(yè)最為明顯，因此化工行業(yè)的基礎(chǔ)處理技術(shù)走在該領(lǐng)域發(fā)展的前列。本文以博源銀根化工集團(tuán)下屬阿拉善天然堿開發(fā)利用項(xiàng)目為原型背景，結(jié)合自身理解，圍繞著國(guó)內(nèi)外施工技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，其中新材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的不斷迭代革新及其應(yīng)用為例，分析介紹地基處理及其伴生性問題。

1 概述

1.1 工程概況

本項(xiàng)目廠址位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟右旗塔木素布拉格蘇木鄉(xiāng)。項(xiàng)目總投資約230億元，將規(guī)劃建設(shè)年產(chǎn)860萬t大型天然堿產(chǎn)業(yè)基地，項(xiàng)目計(jì)劃分兩期建設(shè)，一期預(yù)計(jì)2022年底建成，二期預(yù)計(jì)2025年底建成。

擬建場(chǎng)曾為戈璧灘，在正常使用條件下，本建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。

1.2 自然條件

本項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古阿拉善右旗塔木素布拉格蘇木西部：

1)氣溫：歷年最高氣溫 43.3 ℃；歷年最低氣溫-30.5 ℃；全年平均氣溫 10.3 ℃；最冷月平均氣溫-16 ℃；月平均最低氣溫的最低值-21.6 ℃。

2)凍漲土：最大凍漲土深度 1.8 m。

3)風(fēng)：年平均風(fēng)速 4.7 m/s；極大風(fēng)速 22.5 m/s；全年主導(dǎo)風(fēng)向西風(fēng)；(基本風(fēng)壓：W0=0.6 kN/m2，地面粗糙度類別A類。對(duì)高層、高聳以及風(fēng)荷載敏感的結(jié)構(gòu)，取 1.1 W0)。

4)降雨量：年平均降雨 53.96 mm；年最大降雨 78.88 mm；日最大降雨 37.7 mm(基本雪壓：S0=0.10 N/m2)。

5)空氣濕度：逐月最高平均相對(duì)濕度48.08%；逐月最低平均相對(duì)濕度17.82%；夏季熱月的濕球溫度最小值 14.32 ℃，最大濕度 17.53 ℃，平均濕度 16.25 ℃。

6)氣壓：年平均氣壓 89 kPa；極端最高氣壓 93.76 kPa；極端最低氣壓 88.59 kPa。

7)抗震設(shè)防烈度抗震設(shè)防烈度為6度(地震加速度 0.35 g)

本工程抗震設(shè)計(jì)條件：抗震設(shè)防烈度：6度；地震分組：一組；設(shè)計(jì)本地震加速度值：0.05 g；場(chǎng)地類別：Ⅱ類；特征周期：0.35 s。

1.3 地勘概述

1)根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，本工程場(chǎng)地各主要巖土分布如下：

第①層礫砂(Q2gl)：黃褐色、棕褐色，砂質(zhì)不純，混礫石，局部夾有厚度約5～10 cm 膠結(jié)層，天然狀態(tài)下呈中密～密實(shí)，稍濕狀態(tài)，層厚度變化在0.5～5.4 m 之間。

第②1層鹽漬粘土(E3)：黃褐色、灰白色，以全風(fēng)化泥巖為主，該層中分布有厚度約3～10 cm 呈條帶狀分布，分布不連續(xù)。該層厚度變化在0.2～3.3 m 之間。

第②2層泥巖(E3)：全風(fēng)化，褐黃色、灰綠色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，土質(zhì)不均勻，巖芯呈短柱狀局部為散狀，成分以黏土礦物為主。該層厚度變化在2.4～10.5 m 之間。

第③層泥巖(E3)：黑灰色、淺灰色，夾有大量石膏結(jié)晶體，巖芯呈柱狀，RQD介于75～80，完整性較好。錘擊易碎。成分以黏土礦物為主。該層厚度變化在1.1～12.2 m 之間。

第③-1層泥巖(E3)：灰白色、灰褐色，結(jié)晶結(jié)構(gòu)，無色透明晶體，該層中含約10～40%泥巖，分布不連續(xù)。完整性較好。該層厚度變化在2.2～12.1 m 之間。

第④層泥灰?guī)r(E3)：灰綠色，褐灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，礦犧以方解石、白云石為主，含零星石膏塊狀結(jié)晶體。巖芯呈柱狀，完整性較好。該層厚度變化在2.2～12.1 m 之間。

第⑤層泥巖(E3)：淺灰色、褐紅色，局部分布有灰綠色條紋，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，偶見石膏結(jié)晶體，RQD介于80～90，完整性較好。該層在 45.0 m 鉆探深度范圍內(nèi)未揭穿。

2)各土層承載力特征值和壓縮模量如表1所示。

表1 各土層承載力特征值和壓縮模量

3)場(chǎng)地地基土標(biāo)準(zhǔn)凍深 1.70 m，地基土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性(浸水條件下按中等腐蝕考慮)、對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋有中等腐蝕性、對(duì)鋼結(jié)構(gòu)均為微腐蝕性。對(duì)樁基中混凝土為弱腐蝕性(局部為強(qiáng)腐蝕性)、對(duì)樁基混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有中等腐蝕性。

4)場(chǎng)地屬中軟場(chǎng)地土，判定建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。場(chǎng)地穩(wěn)定，屬抗震有利地段?？刹豢紤]場(chǎng)地地基土液化影響。

5)在本次場(chǎng)地勘察深度范圍內(nèi)未探測(cè)到地下水，設(shè)計(jì)及施工時(shí)可以不考慮地下水影響。

6)擬建場(chǎng)地范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流、采空區(qū)、崩塌、危巖體、地面沉降、活動(dòng)斷裂等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2 常見地基處理工藝及其特點(diǎn)

2.1 常見地基處理工藝

1)換填法：常見應(yīng)用在淺層軟弱地基處理施工中；換填法是指挖取軟弱土層的土體，通過分層壓實(shí)方法使粗砂碎石緊密結(jié)合的一種回填方法。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可知，該方法在地基下 2 m 左右區(qū)間存在持力層的情況下能夠較為的適用。

2)壓石擠淤法：該方法適用于管底土層是淤泥、含水量較高土質(zhì)的軟弱土層，且管基礎(chǔ)不增加覆土等附加荷載情況。在基礎(chǔ)軟弱土層部位通過機(jī)械壓填 200 mm 至 400 mm 直徑塊石，該方法一方面可以減小開挖深度，減少對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)周圍土體的撓動(dòng)，降低維護(hù)、支護(hù)費(fèi)用，另一方面又可以增強(qiáng)該部位地基土體承載力，從而滿足工程建設(shè)施工需要，最主要的是其施工方便施工周期短。該方法是常用軟弱地基處理方法之一。

3)木樁法、鋼筋混凝土預(yù)制樁法：其原理是利用木樁、鋼筋混凝土預(yù)制樁與樁間土共同作用形成復(fù)合型地基，對(duì)建構(gòu)筑物基礎(chǔ)下方地基進(jìn)行處理的方法，其工作原理為增加一定空間內(nèi)土體見擠壓力，從而達(dá)到增加基礎(chǔ)穩(wěn)定性的效果；它的優(yōu)點(diǎn)為施工速度快，施工場(chǎng)地小。

4)水泥土深層攪拌樁法：其原理是將水泥固化劑和原地基軟土就地?cái)嚢杌旌隙纬梢欢◤?qiáng)度的加固體；該方法方式施工簡(jiǎn)單，檢測(cè)難度較大，須全過程控制，耐久性較差。

3 常用軟弱地基處理方案

對(duì)國(guó)內(nèi)已建成的化工項(xiàng)目地基基礎(chǔ)施工方法進(jìn)行梳理統(tǒng)計(jì)，得到國(guó)內(nèi)化工廠建設(shè)中常用基礎(chǔ)軟弱地基基礎(chǔ)處理方案，各方案適用范圍及優(yōu)、缺點(diǎn)見表2。

表2 常用化工廠軟弱地基基礎(chǔ)處理方案適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)

4 高寒地基處理方案及其概述

4.1 高寒地基處理方式

根據(jù)工程施工所在地自然環(huán)境、材料進(jìn)場(chǎng)順序、工程進(jìn)度要求等，比較換填砂礫處理法、直填處理法、樁筏處理法3種方案后，最終選定換填砂礫處理法處理凍土地基基礎(chǔ)。對(duì)基礎(chǔ)處理施工中季節(jié)性凍土地基地區(qū)較為適用，施工方式簡(jiǎn)單，其施工方法為直接將凍土層全部挖除并換填為不凍脹、融、沉的砂礫層土體。針對(duì)季節(jié)性多年凍土，必須需換填土體至不融沉或弱融沉土層。凍土層土體開挖中，須采用專業(yè)機(jī)械進(jìn)行土體開挖施工，有針對(duì)性制定施工組織設(shè)計(jì)，有針對(duì)性的組織安排施工。

4.2 高寒地基處理概述

經(jīng)對(duì)本工程地勘報(bào)告深入研究分析，得工程項(xiàng)目所在位置軟土地層分布位置、分布特點(diǎn)及其深度，充分了解分析項(xiàng)目所在區(qū)域地基土物理性能、化學(xué)性能，避開軟弱土體區(qū)域，在 3 m 以內(nèi)軟土地基處理采用換填土法，在 8 m 以內(nèi)軟土基地處理方式用強(qiáng)夯法，在 30 m 以內(nèi)軟土地基處理方式用真空預(yù)壓法(真空預(yù)壓法分為直排式真空預(yù)壓法和化學(xué)真空預(yù)壓法)。

5 國(guó)內(nèi)地基基礎(chǔ)處理技術(shù)現(xiàn)狀及最新發(fā)展

5.1 多種地基基礎(chǔ)處理技術(shù)相融合

強(qiáng)夯和碎石相結(jié)合、CFG樁和碎石樁聯(lián)合、 CFG樁和粉噴樁結(jié)合、CS樁和CFG樁有效聯(lián)合，在建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)建造過程中，能夠一定程度上降低建筑自身重量，從而達(dá)到建構(gòu)筑物提升抗震能力、增強(qiáng)建構(gòu)筑物穩(wěn)定性的作用。CS樁全程夯實(shí)水泥土樁是將其與CFG樁進(jìn)行有效的聯(lián)合，其可使得樁間土形成組合型復(fù)合地基，其中CS樁屬于中等粘結(jié)強(qiáng)度樁，屬于半剛性樁，CFG樁則屬于高粘度樁。

在工業(yè)建筑基礎(chǔ)施工中，盡可能選擇天然地基或樁基地基建設(shè)形式，其能夠有效提升建構(gòu)筑物的穩(wěn)定性和安全性，從而降低地震、泥石流、滑坡、地質(zhì)災(zāi)害對(duì)建筑整體的破壞。在建筑施工階段，需要嚴(yán)格落實(shí)建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(GB 50202-2018)規(guī)定，進(jìn)行地基夯實(shí)，原狀土開挖時(shí)預(yù)留 150 mm 的人工清理層，以減少對(duì)基地土體擾動(dòng)，確保填土的完整性、緊密性以及土體受力的均衡性，從而有效地提升建構(gòu)筑物的安全性和穩(wěn)定性。

隨著近年來科研投入的不斷加大，以及各個(gè)領(lǐng)域科研成果的爆發(fā)性增長(zhǎng)及其組合應(yīng)用的不斷誕生；現(xiàn)階段除了水泥土攪拌樁復(fù)合型地基之外，又出現(xiàn)了變徑混凝土攪拌樁復(fù)合地基，長(zhǎng)短樁組合復(fù)合地基等多種形式基礎(chǔ)處理方式；樁基基礎(chǔ)施工能夠選擇和可使用施工種類也越來越多，針對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求較嚴(yán)格建構(gòu)筑物基礎(chǔ)，其還可采用接桿式雙向攪拌樁，該攪拌樁能夠達(dá)到更深的施工深度，施工所需凈空高度也更低，且較高壓旋噴樁的處理，更為經(jīng)濟(jì)，更加高效。

5.2 地基基礎(chǔ)處理工藝新方法

粉煤灰、石灰、硫酸鹽混凝土灌注樁的地基基礎(chǔ)處理，該地基基礎(chǔ)處理工藝為：將粉煤灰、石灰、硫酸鹽與混凝土混合使用，因混凝土是一種中度粘結(jié)的物質(zhì)，在與粉煤灰、石灰、硫酸鹽混合后會(huì)很大程度上提升地基基礎(chǔ)的強(qiáng)度和剛度，使得其承載力顯著增強(qiáng)，從而達(dá)到提升地基基礎(chǔ)強(qiáng)度及其穩(wěn)定性的作用。更為有利的是該施工技術(shù)方便快捷，資源消耗少，成本較底，見效較快。

6 針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工主要問題的解決方案

6.1 強(qiáng)腐蝕環(huán)境

1)鋼筋混凝土腐蝕

阿拉善地區(qū)大多干旱少雨，年蒸發(fā)量較大，土質(zhì)的含鹽堿量普遍較高，土壤和地下水中含有大量對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用的SO2和Cl-，同時(shí)項(xiàng)目所在地(塔木素布拉格蘇木)地區(qū)晝夜溫差大、冬夏溫差大，使得混凝土處于凍融環(huán)境中。在強(qiáng)腐蝕環(huán)境中，鋼筋混凝土基礎(chǔ)被腐蝕的物理化學(xué)原因及解決理念：

硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕，使混凝土材料產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，該應(yīng)力遠(yuǎn)超過混凝土材料的抗拉強(qiáng)度，從而造成混凝土開裂破壞，而混凝土的開裂，又給鹽溶液的浸入開辟了通道，加速了混凝土的破壞。Cl-與鋼筋中的鐵發(fā)生電化學(xué)作用生成氯化亞鐵，在有氧氣與水的情況下，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化亞鐵和無粘結(jié)性能的氫氧化鐵，破壞混凝土中的鋼筋強(qiáng)度，隨著鋼筋鈍化及腐蝕產(chǎn)物的積累，鋼筋體積可膨脹2-3倍，致使混凝土層開裂?；炷恋膬鋈谄茐模炷林杏坞x水受凍結(jié)冰后體積膨脹，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，由于反復(fù)作用，內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度致使混凝土破壞，為Cl-侵蝕形成了通道，形成惡性破壞循環(huán)，不利于建構(gòu)筑物的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，從而降低建構(gòu)筑物的耐久性。

針對(duì)鋼筋混凝土腐蝕原因，在進(jìn)行基礎(chǔ)防腐處理過程中需要有針對(duì)性的考慮“對(duì)外防止，對(duì)內(nèi)增強(qiáng)”措施，既要阻斷腐蝕介質(zhì)入侵，還需提高混凝土強(qiáng)度及抗腐蝕性；在選擇地基處理方案時(shí)，就須考慮強(qiáng)腐蝕特性，想法減小運(yùn)行期基礎(chǔ)腐蝕隱患的產(chǎn)生。

6.2 地基基礎(chǔ)防腐措施

根據(jù)本項(xiàng)目施工強(qiáng)腐蝕、施工環(huán)境惡劣、冬夏溫差大等特點(diǎn)，建構(gòu)筑物基礎(chǔ)防腐采用GB/T 50476-2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50046-2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，混凝土防腐形式根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)建構(gòu)筑物使用運(yùn)行特點(diǎn)分為基本措施和特殊措施。

6.2.1 基本措施

1)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式：基礎(chǔ)型式簡(jiǎn)單、便于施工、棱角較多、應(yīng)力集中點(diǎn)較多的基礎(chǔ)特點(diǎn)。因此，基礎(chǔ)采用長(zhǎng)方形、正方形、圓型等擴(kuò)展基礎(chǔ)。

2)控制基礎(chǔ)裂縫：首先，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)盡量縮減受拉區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)的出現(xiàn)，以避免裂縫的產(chǎn)生。其次，施工過程中應(yīng)控制好混凝土入模溫度、入模狀態(tài)、澆筑順序和拆模后混凝土內(nèi)外溫差，防止建構(gòu)筑物內(nèi)外散熱不均致使混凝土外表面失溫速率過快導(dǎo)致內(nèi)外溫差過大引起裂縫；在施工過程中，混凝土澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，工序原因必須分段澆筑的，嚴(yán)格控制混凝土澆筑間歇，防止出現(xiàn)冷縫，同時(shí)嚴(yán)控混凝土密實(shí)性，嚴(yán)禁出現(xiàn)澆筑后漏筋、空洞、蜂窩、麻面等現(xiàn)象；澆筑完成后及時(shí)養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格控制養(yǎng)護(hù)過程，確保養(yǎng)護(hù)周期貫徹執(zhí)行，保證混凝土強(qiáng)度。

3)高性能混凝土：其具有較好的自密實(shí)性、抗凍性、抗?jié)B性、耐久性和強(qiáng)度(本工程多采用C15、C20、C30、C40、C45、C50等，主要外加劑有：抗?jié)B、微膨脹、阻銹、抗凍等)。

4)混凝土保護(hù)層：合適的混凝土保護(hù)層厚度，既能夠提高基礎(chǔ)使用壽命，延緩?fù)饨绛h(huán)境對(duì)鋼筋的銹蝕，還能夠減少因混凝土材料自身收縮而引起的保護(hù)層出現(xiàn)裂縫。本工程按照《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 50202-2018)執(zhí)行。

6.2.2 特殊措施

混凝土澆筑完成后的第 28 d 整，基礎(chǔ)表面涂刷環(huán)氧瀝青涂層，基礎(chǔ)梁四周及埋入土中的墻、表面刷環(huán)氧瀝青涂料，厚度不小于 500 μm ；層外露部分基礎(chǔ)的項(xiàng)面及側(cè)面刷環(huán)青料，厚度不小于 300 μm 。環(huán)氧瀝青涂層相對(duì)于聚氨酯瀝青涂層而言對(duì)砼表面有著更強(qiáng)的黏結(jié)力，能夠有效抵抗施工現(xiàn)場(chǎng)酸、堿及其它腐蝕性介質(zhì)侵蝕，能夠長(zhǎng)期在干濕交替、陰暗潮濕以及浸水等惡劣外界環(huán)境中正常使用。

基礎(chǔ)砼根據(jù)工程特點(diǎn)采用添加阻銹、防腐、抗?jié)B等，本共工程主要添加劑為阻銹劑，參照施工CB/T 50476-2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求執(zhí)行。

基礎(chǔ)鋼筋采用環(huán)氧涂層包裹鋼筋，環(huán)氧涂層鋼筋，特殊部位采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋外加套管處理。環(huán)氧涂層鋼筋制作材料及加工工藝參照規(guī)范為JG/T 502-2016《環(huán)氧樹脂涂層鋼筋》規(guī)定執(zhí)行。

7 結(jié)論

項(xiàng)目所在地特殊的物理、化學(xué)及自然環(huán)境，對(duì)地基基礎(chǔ)的施工方法、施工流程、施工人員、施工機(jī)械提出了更加嚴(yán)苛的要求，很大程度上增加了地基處理施工的專業(yè)性；針對(duì)不同化工廠地基基礎(chǔ)建設(shè)、運(yùn)行環(huán)境的特殊要求，進(jìn)行地基施工處理施工時(shí)，還要充分考慮經(jīng)濟(jì)性、有效性、可行性之間的微妙平衡，找到最合適的解決方案，如此才能經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、高效的完成地基處理。

至此，組合型的地基處理方式應(yīng)運(yùn)而生。該方式在現(xiàn)階段應(yīng)用范疇較廣，但該技術(shù)對(duì)地基基礎(chǔ)的加固處理依舊局限在作用力與反作用力兩者互相作用機(jī)理的互相加持階段，其綜合應(yīng)用的研究成果現(xiàn)階段較少；并且在應(yīng)力分析中，中間剪應(yīng)力的計(jì)算也還是處于疊加狀態(tài)；因此，其在應(yīng)用方面的滯后性也是較為明顯的。

復(fù)合地基基礎(chǔ)型變量計(jì)算主要的計(jì)算方法為符合模衡量法、現(xiàn)場(chǎng)荷載實(shí)驗(yàn)等，用以預(yù)測(cè)施工過程中可能出現(xiàn)的突發(fā)問題，及常規(guī)通病的預(yù)測(cè)和預(yù)防。該方法在應(yīng)用中還需要引入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，擴(kuò)大在工程施工中自動(dòng)化、智能化技術(shù)運(yùn)用。例如，使用BIM技術(shù)、三維數(shù)據(jù)運(yùn)算技術(shù)、高精度監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)、現(xiàn)代化物資管理、AR、VR、遙感等。