談地基處理方案的合理確定

夏景和

(中國石化集團洛陽石化工程公司，河南洛陽 471003)

0 引言

在工程設計中，當天然地基不能滿足建(構)筑對地基的要求時，就需要進行地基處理，形成人工地基，以保證建(構)筑的安全和正常使用。隨著科學技術的進步，建筑施工技術的不斷提高，地基處理的方法也越來越多，如樁基、復合地基等各種形式，但相對于某個具體工程，究竟采用哪種處理方法更經濟，施工更方便，更環保、更安全可靠，就需要結構工程師根據當地的地質條件、自然條件、施工力量、工程工期等多方面因素綜合分析，統籌考慮，以最大限度地做到地基處理方案的先進、經濟、合理。

1 工程地質條件

擬建場位于西安市郊，在原有廠區舊裝置之內。根據生產需要，原油罐區共建有3萬m3外浮頂罐8座，及與此配套的管架、泵房等附屬設施。

根據業主提供的《巖土工程勘察報告》，罐區所在場地地勢平坦，地貌單元屬于渭河南岸Ⅰ級階地，地質剖面顯示大體上共有6個土層，從上到下分別為：

①素填土，局部為表土，雜填土，以粘性土為主，黃褐色，硬塑，含植物根、磚瓦碎片、炭屑，成分雜亂，結構松散。該層不宜作地基持力層;

②黃土狀土，以粉質粘土為主，黃褐色～灰黃色，硬塑～可塑，夾粉砂薄層，地基承載力特性值為120 kPa，壓縮模量為8.0 MPa;

③細中砂層，以中砂為主，夾粉細砂和粉質粘土透鏡體或薄層，級配均勻，含少量粘性土，稍濕，松散，地基承載力特征值100 kPa，壓縮模量為5.0 MPa;

④中粗砂，以中砂為主，夾粗砂、細砂透鏡體或薄層，含少量粘性土，稍濕，稍密，地基承載力特征值 250 kPa，壓縮模量13.0 MPa;

⑤中粗砂，以中砂為主，混粗砂，含少量粘性土，稍濕，中密，地基承載力特征值300 kPa，壓縮模量30.0 MPa;

⑥礫粗砂(未穿透)，地基承載力特征值350 kPa，壓縮模量35.0 MPa。

本場地土不液化，不具濕陷性，也無其他不良地質現象。

2 原油罐區地基處理方案比較

原油罐單罐計算容積31 560 m3(常溫常壓)，罐體直徑46 m，罐體高19 m，充水時最大重：G=309 500 kN，生產時最大重：G= 297 200 kN。僅按上部垂直荷載估算(不計基礎填土)，就需要地基承載力特征值至少200 kN/m2以上，才能滿足地基基礎強度及變形的要求。

根據地質勘察報告的描述，該罐區地基土為軟弱土層，工程性質差，除表層耕土層不能用作持力層外，②，③層土的承載力均低于油罐需要的地基承載力，壓縮模量低，沉降量大，而且部分鉆孔中發現有1.0 m～2.500 m的淤泥質粘土。從以上地質報告分析，必須對地基土進行加固處理，才能保證油罐的安全使用。

2.1 鉆孔灌注樁方案

樁徑600 mm(以下均按一個油罐計算)，以第⑤層土為樁尖持力層(進入該土層1 m)，單個油罐按垂直力估算所需樁數，按3 d間隔布樁大約需352根。連同鋼筋混凝土樁承臺共計需要投資約192萬元。

優點：受力明確，沉降小，質量有保證，穩妥，施工方便。缺點：投資巨大。

2.2 灰土墊層方案

以④層土為持力層，其上土層全部挖除，用3∶7灰土置換，要求壓實系數不小于0.93，地基承載力特征值可達到220 kPa，滿足油罐承載力要求。第④層土頂標高大部分約在376.0 m，需換土H=6.2 m(其中有填土層3.82 m)，換土體積為12 000 m3，估算投資需要48萬元。

優點：投資少，沉降在施工質量好的前提下能保證。

缺點：由于換土厚度達6 m，施工受人為因素影響較大，質量不好控制;而且如遇雨季則施工困難，工期長;從結構穩妥性上考慮，不如樁基可靠。

2.3 強夯方案

強夯法處理地基是在極短的時間內，對地基土施加一個巨大的沖擊能，使土體發生一系列的物理變化，使得其承載能力提高，壓縮性降低，達到加固地基的作用。它具有施工簡便，節省材料等優點，從20世紀70年代起，就在我國得到廣泛的推廣和應用。

整個罐區采用3 000 kN·m能級強夯，單個油罐強夯面積為2 050 m2，按當地2001年合同價，3 000 kN·m能級約140元/m2計，需要投資29萬元。

優點：投資少，沉降小，施工簡便。

缺點：強夯完成后，滯留時間長，不能馬上施工基礎，而且強夯后挖除的土層，由于土層堅硬，不能做回填土使用，會額外增加費用。另外如遇雨季，場地泥濘，大型機械難以進場，施工困難。工程總承包項目部，根據整個工程的工期統籌考慮，不贊成該方案。

2.4 CFG樁方案

CFG樁是英文Cement Fly-ash Grave的縮寫，意為水泥粉煤灰碎石樁，由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，用各種成樁機械制成的可變強度樁。通過調整水泥摻量及配比，其強度等級在C5～C25之間變化，是介于剛性樁與柔性樁之間的一種樁型。CFG樁和樁間土一起，通過褥墊層形成CFG樁復合地基共同工作，適用于西安地區該裝置的地質條件。

根據該廠以往工程的相近單體CFG樁復合地基檢測結果，當面積置換率為0.087 8時，復合地基承載力特征值為250 kPa，可滿足油罐強度及沉降的要求。按φ400樁，樁距4d=1.6 m布樁，樁數543根，不做護樁(布樁圖省略)。

樁長：從砂墊層300厚下面起算，到⑤層土中粗砂，再下去1 m，長L=11 m左右。

V=0.785×0.42×11×543=750 m3，按西安地區當時價格600元/m3～650元/m3(包括碎石墊層)，需要投資49萬元。

優點：施工方便，工期短，沉降小。

缺點：投資較大。

2.5 振沖碎石樁方案

振沖碎石樁是利用一個產生水平振動和施加垂直力的管狀設備，在軟土地基中成孔，再向孔內分批填入碎石填料，同時將振動設備沉至填料中進行振實，在地基中形成密實的樁體。碎石樁在軟土地基中起到置換、排水、加筋和墊層的作用，該樁體和原來的地基構成復合地基，從而減少地基的變形，提高土體抗剪強度，增強地基穩定性。碎石樁處理軟土地基具有施工工藝簡單、成樁速度快、既不用鋼材，也不用水泥、工程造價低廉等優點，對于提高地基承載力，增強地基穩定，減少基礎沉降和不均勻沉降，有著重要作用。

碎石樁在西安地區，特別是石化廠內已經應用多年，甲方有這方面的施工經驗，而且經實踐檢驗，已有很多經碎石樁處理復合地基的成功案例。但在大型油罐方面，以往大都是鋼筋混凝土灌注樁或CFG樁復合地基，還沒有用碎石樁復合地基的嘗試。

2.5.1 復合地基承載力計算

設計荷載：充水時最大重G=309 500 kN，填土荷載：H=2.7 m。

q=309 500×1.1/π×23×23+2.7×19=256 kPa，取q= 260 kPa。即以承載力布樁時，復合地基的承載力特征值應大于260 kPa。

設計振沖樁參數如下：振沖樁樁徑：1 100;樁長：平均樁長為6.5 m;樁距：S=2.3 m，正三角形布置;面積置換率：m=0.207。

復合地基的承載力特征值，可用《建筑地基處理技術規范》中式(6.2.8-1)來計算：

其中，fspk為復合地基的承載力特征值，按充水工況考慮，不小于260 kPa;fpk為樁體單位截面積承載力特征值，取700 kPa;fsk為樁間土承載力特征值，考慮到③層土細中砂的可加密性，樁間土承載力特征值取170 kPa;振沖法處理后復合地基承載力特征值fspk可達280 kPa，滿足設計要求。

以油罐中心為圓心，漸變間距(從中心到外邊逐漸變疏)，近似為正三角形布樁。由于碎石樁是非剛性樁，所以在外圈做2排保護樁，共計樁數S=486根，取490根。樁長從砂墊層300厚下面起算，到④層土粗中砂，平均樁長6.50 m。碎石樁用量：

碎石樁用量約為3 025 m3。按120元/m3計(包工報料)，需投資36.30萬元/座。

優點：施工方便，投資省;缺點：沉降相對較大。

2.5.2 原油罐沉降計算

采用分層總和法，按SH/T 3068-95石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規范中7.2.3公式計算(過程從略)。

計算沉降值：中間處S=186 mm，邊緣處S=88.2 mm，沉降差Δ=97.8 mm，平均S=137.1 mm。

按油罐直徑φ=46 m，沉降差允許值［Δ］=0.004φ=0.004× 46 000=184 mm，現沉降差可以滿足規范要求。

2.6 幾種地基處理方案對比(僅對一個油罐)

地質處理方案對比見表1。

表1 方案對比一覽表

通過表1可以看出，五種地基處理方案中，碎石樁方案施工方便，質量有保障，而且投資較省，其投資僅是灌注樁方案的19%，是CFG樁方案的73%。按整個原油罐區8個油罐計算，可節省總投資1 200萬元。經與有關人員共同商定，最終采用碎石樁處理復合地基方案。振沖法施工速度快，質量容易控制，是一種有效、簡便、經濟的地基加固方法。

3 碎石樁復合地基的施工和質量檢驗

3.1 碎石樁復合地基的施工

碎石樁由北京某公司施工，采用ZCQ-30型振沖器，施工后樁頂鋪設碎石墊層，厚度為30 cm。碎石材料采用未風化的干凈礫石或軋制碎石而成，級配采用20 mm～40 mm自然級配，含泥量不大于5%。松裝容重不小于1.5。具體施工參數由施工單位參照有關規范、規程確定。

3.2 碎石樁復合地基質量檢驗

振動碎石樁的檢驗與評價分為兩個方面：

1)碎石樁的施工質量，如樁位偏差、樁徑、樁體密實度等;

2)復合地基的功效，如承載力、沉降量等是否達到了設計要求。

一般常用單樁荷載實驗和樁體動力觸探試驗，對功效的檢驗則有單樁復合地基荷載試驗、多樁復合地基大型荷載試驗、樁間土的荷載試驗、標準貫入試驗、靜力觸探等。

1)復合地基承載力標準值采用單樁復合地基載荷試驗確定，試驗按JGJ 79-91建筑地基處理技術規范附錄一“復合地基載荷試驗要點”進行。

2)埋設沉降觀測點，振沖碎石樁施工完后進行觀測。觀測時間為一年，并根據觀測資料的分析，預測后期沉降和最終沉降。

該罐區油罐基礎經檢測，處理后復合地基承載力均達到或超過了設計要求。基礎施工完成投產后，經一年的沉降觀測，沉降在施工完后的三個月后就已趨于穩定，總沉降量較小(平均為121 mm，小于設計計算量)，各觀測點沉降較均勻。說明經振沖碎石樁處理后，沉降能很快完成，且無差異沉降。從樁體完成施工后(2002年11月)到現在，主體工程沒有發現明顯的不均勻沉降或傾斜跡象，裝置運行平穩。實踐證明，用碎石樁處理軟土地基上建造大型油罐是成功的。

4 結語

在工程設計實踐中，必須在保證結構安全可靠的前提下，根據當地地基土質的特點、施工工期、施工難易程度、經濟指標等因素，進行多方面的分析對比，在多種可選擇的地基處理方法中，篩選出質量有保證，工期最短，投資最省的基礎設計方案。地基方案的合理確定和優化設計，是結構工程師的一項基本任務。

［1］ SH/T 3068-2007，石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規范［S］.

［2］ JGJ 79-91，建筑地基處理技術規范［S］.