淺談鉆孔灌注樁基礎在濕陷性黃土地區的設計與施工

摘 要:本文結合“蘭州國家石油儲備基地工程”的設計、施工實踐，論述了鉆孔灌注樁在處理濕陷性黃土地基的設計要點，闡明了鉆孔灌注樁的施工流程及注意事項，為大型原油儲罐在濕陷性黃土地區基礎形式的選擇提供了一種切實可行的方法。

關鍵詞:濕陷性黃土樁基礎鉆孔灌注樁

中圖分類號:TU4文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(c)-0039-02

隨著國民經濟的持續快速發展，中國的經濟逐年增長，石油進口量逐漸加大，對外依存度不斷提高。為保障國家安全，健全國家石油儲備體系，國家大力發展石油戰略儲備。

在國家石油儲備工程中，當前大型原油儲罐單個罐容以10萬方為主。 “蘭州國家石油儲備基地工程”建設地點在蘭州市，當地以濕陷性黃土為主。因此對大型原油儲罐的基礎形式提出了更高的要求。

1工程概括及地質條件

1.1 工程概括

“蘭州國家石油儲備基地工程”位于甘肅省蘭州市，主要由30座10×104m3的外浮頂原油儲罐及與其配套的輔助生產設施組成。原油儲罐直徑80m，高21m，總重103300t，單位荷重25t/m2。

1.2 地質條件

場地地層根據不同時代成因、巖性特征和工程實際自上而下共劃分為7個大層:

(1)填土:主要由粉土組成，經壓實，稍濕-干燥，部分地段由碎石組成，碎石粒徑變化大，最大可見30cm。

(2)黃土:風積成因。淺黃色，稍密，稍濕，具大孔隙，垂直節理發育，具濕陷性。

(2)1黃土狀粉土:沖洪積成因。黃褐色，稍密，稍濕，具大孔隙，具濕陷性。

(3)黃土:沖洪積成因為主。淺黃色～淺褐色，中密為主，稍濕，具水平層理，土質不均，普遍夾有鈣質膠結層，硬度高、分布深度變化較大，一般厚度100～300mm，最大厚度大于500mm，含大量石膏及礫石顆粒，干強度較高，韌性低，基本不具濕陷性。

(4)砂礫巖:系第三系半成巖。紫紅色和棕紅色，泥質膠結和鈣質膠結，強風化，該層硬度變化較大。

(4)1砂質泥巖:棕紅色，半成巖，強風化，含有礫砂成分，顆粒以次棱角狀為主，結構大部分被破壞，巖芯破碎呈碎塊狀及碎屑狀，遇水擾動呈粘土狀及礫砂狀。

(4)2砂礫巖:棕紅色，中等風化，鈣質膠結為主，局部為泥質膠結，系白堊系地層，成巖較好，礫石顆粒以次棱角狀為主，基本無分選，結構部分破壞，巖芯一般為圓餅狀或短柱狀，局部為塊狀，錘擊聲較清脆。

(5)千枚巖:系寒武系地層。強風化，顏色變化較大，灰綠、灰白、紫紅等色。

(6)千枚巖:系寒武系地層。中等風化，顏色變化較大，灰綠、灰白、紫紅等色。

(7)千枚巖:系寒武系地層。微風化，顏色變化較大，灰綠、灰白、紫紅等色。

綜合分析:建設場地屬于自重濕陷性場地。場地勘察深度內未見地下水，據調查地下水埋深大于50m。根據《巖土工程勘察規范》 (GB50021-2001)第12.2.3條綜合判定，場地土對混凝土結構具有弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋具有中腐蝕性。

2地基基礎方案選擇

下面以第四罐區(G-11019 號罐~G-11024號罐)為例進行分析。

原油儲罐所在場地為濕陷性黃土地區，對不均勻沉降有嚴格的限制，因此所建原油儲罐屬于甲類構筑物。《濕陷性黃土地區建筑規范》GB50025-2004中:6.1.1.1甲類建筑應消除地基的全部濕陷量或采用樁基礎穿透全部濕陷性黃土層，或將基礎設置在非濕性黃土層上。

根據當地實際經驗和初設評審專家意見:建議采用強夯處理儲罐地基和鉆孔灌注樁基礎兩種方式。

2.1 高能級強夯處理原油儲罐地基

2.1.1 試夯區試夯方案

各高能試夯區面積均為24×24m2，夯點間距均為8.0m。

高能試夯1區，第一遍點夯為16000kN·m;第二遍點夯為16000kN·m;第三遍點夯為8000kN·m。

高能試夯2區，第一遍點夯為12000kN·m;第二遍點夯為12000kN·m;第三遍點夯為6000kN·m。

高能試夯3區，第一遍點夯為8000kN·m;第二遍點夯為8000kN·m;第三遍點夯為4000kN·m。

2.1.2 設計要求試夯達到的效果

本工程根據上部結構需要，地基承載力特征值不小于250Kpa，黃土最深處的壓縮模量Es≥25MPa，有效影響深度范圍內完全消除濕陷性影響。”

2.1.3 試夯檢測結果

根據重型動力觸探試驗、標準貫入試驗和載荷試驗數據統計得出一下結論:

(1)根據載荷試驗結果:高能試夯1區1號點和2號點不滿足設計要求，高能試夯3區均滿足設計要求。根據標準貫入試驗結果:強夯地基處理后，粉土層各深度地基承載力估算值為181Kpa～282Kpa。不滿足設計要求。

(2)根據土工試驗數據判定:壓縮模量離散性較大，只有一部分能達到25MPa，其余均小于25MPa。濕陷性消除效果:高能試夯1區濕陷性消除上有效影響深度13m;高能試夯2區濕陷性消除上有效影響深度9米;高能試夯3區濕陷性消除上有效影響深度6.0～8.0m。

根據以上得出結論，高能試夯1區、2區和3區均未達到設計要求。

2.2 鉆孔灌注樁基礎處理原油儲罐地基

鑒于強夯處理地基的試夯結果不滿足設計要求。結合本工程場區處于濕陷性黃土地區;大型儲罐對不均勻沉降有嚴格的限制;工程的工期緊等特點，本工程采用機械鉆孔灌注樁基礎。

3鉆孔灌注樁基礎設計

鉆孔灌注樁基礎設計以G-11022 號罐為例分析。場地中(6)層土為中等風化千枚巖，巖層地質穩定，承載力高，是良好的樁端持力層。鉆孔灌注樁樁直徑定為800mm。

3.1 單樁豎向極限承載力標準值計算

根據《單樁豎向抗壓靜載試驗報告》提供的各土層極限側阻力標準值和中等風化千枚巖的極限端阻力標準值，(詳見表1)計算單樁豎向極限承載力標準值。

注:1.中等風化千枚巖的極限端阻力標準值8900Kpa。

2.濕陷性黃土樁側平均負摩阻力特征值為-10Kpa。

根據:JGJ94-2008 5.3.5式= +對單樁豎向極限承載力標準值進行估算。

因為施工樁基礎前，已經采用強夯法處理地基，設計要求影響深度7m內完全消除濕陷性。但是檢測報告結果:部分消除土的濕陷性。故計算樁負摩阻力時只計算7m的樁側摩阻力，場區7m以下濕陷性黃土不考慮側阻力和負摩阻力。

原油儲罐范圍內，根據地質勘查報告，取一最不利點進行計算:

=+=3.14×0.8×(-10×7+0.8×35+0.8×110+1.0×220)+8900×3.14×0.42=5139.56kN。

根據計算結果和設計經驗，單樁承載力特征值為2350kN。

3.2 樁基豎向承載力驗收

根據《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2002中規定:樁身混凝土強度應滿足樁的承載力設計要求。

樁軸心受壓時 Q≤Apfcφc。

Apfcφc=3.14×0.4×0.4×14.3×1000×0.65=4670kN。

Q=2350kN≤Apfcφc。

因此樁身混凝土強度滿足樁的承載力設計要求。樁身縱筋按構造配筋，配置12ф16。

3.3 確定樁間距及樁數量

構筑物為軸心受壓，基地附加壓力為p0=250Kpa。

樁數估算:n≥(F+G)/Ra=250×3.14×40×40/2350=535。

樁間距:s===3.05m。

根據計算結果、當地實際工程經驗和以往設計經驗:樁基礎間距定為2.85m;沿罐周圈均勻布置84棵樁，罐內布置569棵樁，共布置653棵樁。

3.4 承臺厚度的確定

樁基礎承臺的厚度的大小直接關系到整個基礎工程的整體造價，因此應仔細計算。

承臺的厚度一般為由承臺承受的沖切承載力控制。

3.4.1 根據《混凝土結構設計規范》GB50010-2002中式7.7.1-1

Fl≤(0.7βhft+0.15бpc，m)ημmh0

承臺暫定為600mm厚，鋼筋保護層厚度為120mm。

Fl=1.2×[(P0×2.85×2.85)-P0×3.14×(0.4+0.47)2=1724kN。

(0.7βhft+0.15бpc，m)ημmh0=(0.7×1×1430+0)×1×0.4×0.47=1876kN。

因此承臺厚度滿足要求。重新試算得出承臺最小厚度580mm，因此承臺厚度取600mm。

3.5 設計過程中其他需要注意的事項

3.5.1 場地為濕陷性黃土，設計者設計時應謹慎，應仔細查閱《濕陷性黃土地區建筑規范》，滿足規范的要求。

3.5.2 結合當地設計經驗，完善設計。

3.5.3 專家教授的意見只是參考，不能做設計的最終建議。

3.5.4 場地土對混凝土結構具有弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋具有中腐蝕性。

因此樁基礎的混凝土強度提高到C30混凝土，樁主筋混凝土保護層厚度為60mm。

3.5.5 滿足設計計算要求，并滿足規范上的構造要求，注意設計的細節問題。

4灌注樁施工

4.1 施工準備

4.1.1完成鉆孔灌注樁的定位工作，平整場地，接通水、電，為鉆機進場創造好條件。

4.1.2 鉆機、護筒、鋼筋、泥漿箱及各種相關材料，準備到位。

4.4.3 備足有關配件材料，做到開鉆后中途不停站，檢查所有測量儀器及施工機械，確保無誤。

4.2 鉆孔

4.2.1 開鉆前，調平好鉆孔工作平臺，保證鉆孔平臺水平并確保牢固，在鉆孔過程中不發生傾斜位移。

4.2.2 調整好鉆機，保證鉆桿豎直，使鉆架吊點、鉆機的轉盤中心和樁位中心三點在一垂直線上。

4.2.3 在鉆孔過程中，隨時檢查平臺的水平度，發現傾斜，及時調整，確保成孔垂直度。

4.2.4 當鉆孔達到設計深度，及時停機。對孔徑、孔深、孔斜率進行檢查，自測合格后，報監理復測，同意后，開始清孔。

4.3 清孔

達到設計深度后，開始清孔。

4.4 下鋼筋籠

4.4.1鋼筋籠現場分節制作，長度根據定尺鋼筋長度及鋼筋籠長度確定。保證接頭按50％錯開。同一根鋼筋兩個接頭錯開100cm以上。

4.4.2 鋼筋籠制好后，報監理驗收合格方可使用。制作原則是:主筋順直，距離均勻，箍筋間距均勻，點焊牢固，保護層墊塊均勻合理放置，墊塊采用圓墊塊。

4.5 二次清孔

放好導管后，通過導管進行二次清孔，測定好孔徑、孔深符合設計要求時，報監理同意后，開始澆注混凝土。

4.6 澆注混凝土

4.6.1 鉆孔灌注樁混凝土采用C30混凝土。

4.6.2 澆混凝土前，隔水塞在導管一定高度內設置好，由初灌量計算確定，初灌量確定原則:當導管離孔底30～40cm時，保證第一次混凝土下料使導管埋入混凝土中1m以上。

4.6.3 斗內灌滿混凝土，剪斷鐵絲，混凝土連續澆灌。用測繩測得導管埋深為6m，拆導管二節并保證拆導管后，導管在混凝土內埋深＞1m，再澆混凝土。

4.6.4 配備一定數量泥漿車，保證泥漿順利外運。

施工過程中清孔盡量清干凈，清孔的質量直接決定樁基礎的承載力。

5結語

通過以上分析可以得出:在大厚度濕陷性黃土地區，建筑大型原油儲罐時，采用鉆孔灌注樁是一種合理的選擇，與其他基礎形式相比其施工速度快，施工質量容易保證。鉆孔灌注樁完全消除了濕陷性黃土層對建筑物基礎的影響，消除了建筑物在使用壽命內因基礎原因造成的質量風險，減小了維護和維修成本。施工工藝成熟，樁體質量有保障。

因此鉆孔灌注樁作為濕陷性黃土地區建造的大型原油儲罐的基礎是非常好的基礎形式。

參考文獻

[1]GB 50010-2002《混凝土結構設計規范》.

[2]GB 50025-2004《濕陷性黃土地區建筑規范》.

[3]GB 50007-2002《建筑地基基礎設計規范》.

[4]JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》.