印尼水泥生產(chǎn)線樁基處理的設計分析

徐松波

印尼水泥生產(chǎn)線樁基處理的設計分析

Design and Analysis of Pile Foundation Treatment in Indonesia Cement Production Line

徐松波

結合印尼某項目5 000t/d熟料水泥生產(chǎn)線水泥庫樁基處理的工程實例，介紹了樁基承載力不足的原因和樁基處理過程，重點介紹了復合地基在軟質(zhì)泥巖地基樁基處理的實際應用。技術經(jīng)濟效果良好，拓展了復合地基的應用范圍。

樁基處理；復合地基；軟質(zhì)泥巖

1 工程地質(zhì)概況

本工程項目位于印度尼西亞中爪哇島，業(yè)主提供的地勘資料為：場地沒有大規(guī)模的斷層（裂）通過，巖層屬中上新世，單斜構造，場地無露頭，但在場地小河東側和場地北側山丘可見泥巖和砂巖互層，薄層～中厚層狀，產(chǎn)狀：240°～270°，∠15°～40°。場地為山間小河沖積階地，地形較為平坦，標高59.00～65.00m，最大相對高差9.00m。基本為水田和旱地，整平標高在60.05～63.05m以內(nèi)。

該廠水泥庫區(qū)域的巖土層地質(zhì)概況見表1。

2 樁基設計施工及試樁情況介紹

本場地中的粉質(zhì)粘土①屬次軟土；碎石土②、粉質(zhì)粘土③、粘土④、碎石土⑤、全風化泥巖⑥屬中硬土；強風化泥巖⑦、中風化泥巖/砂巖⑧屬巖石。場地的地段類別為對建筑抗震有利的地段，建筑場地類別劃分為II類。本場地抗震設防烈度（50年內(nèi)超越概率10%、重現(xiàn)周期475年）為8度0.24g。

根據(jù)本工程工藝設計提資和總圖布置，并結合地質(zhì)情況，生料均化庫、窯尾框架、窯中、熟料庫、生料磨、水泥庫等荷載較大子項采用樁基礎，以中風化泥巖作為樁端持力層，其他采用淺基礎，按此原則進行土建基礎設計。

根據(jù)總承包合同約定，本工程的特殊地基處理（含樁基）屬業(yè)主方責任范圍。受當?shù)厥┕べY源及項目工期要求的限制，業(yè)主方?jīng)Q定先施工工程樁，而后利用工程樁做試樁。這種做法存在一定的風險，如果試樁結果符合設計估算承載力的要求，則皆大歡喜，否則因工程樁已施工完畢，補樁會很困難[1]。還有另一種可能，試樁結果超出設計估算值較多，則會造成工程量的浪費[2]。

由于本工程業(yè)主提供的地質(zhì)詳勘報告參數(shù)不能直接用于設計計算，所以項目部委托國內(nèi)地質(zhì)勘察公司進行參數(shù)轉化，計算出灌注樁對應土層的側阻力和端承阻力，從而算出極限承載力，再按規(guī)范要求除以安全系數(shù)2.0，估算單樁承載力特征值[3]。試樁前，業(yè)主聘請的地質(zhì)咨詢顧問根據(jù)場地的地質(zhì)勘探資料對各子項的單樁承載力進行了復算，計算結果滿足設計要求值，允許實施試樁。2013年12月開始，先后對水泥庫、窯中、生料均化庫、生料磨、熟料庫以及窯尾框架等子項的基樁進行靜載試驗[4]，試驗結果比設計要求值低20%～50%，未能滿足設計要求（單樁承載力的設計與試驗值對比見表2）。因此需對已實施的對應子項工程樁進行必要的補樁或者地基處理。

3 試樁承載力不足的原因分析

3.1 試驗檢測數(shù)據(jù)與設計值偏差較大的原因分析

（1）國外地質(zhì)情況復雜，且無可靠的鄰近建筑物地基資料參考。按照中國現(xiàn)行規(guī)范要求，必須試樁，再按試樁結果及時修正地勘報告的樁基參數(shù)，調(diào)整樁基設計。

（2）地勘報告對土層的分層可能不合理，導致提供給設計的樁基參數(shù)偏大。

（3）樁基靜載試驗p-s曲線顯示，樁端阻力未能發(fā)揮，主要原因是樁底沉渣清理不徹底。

（4）當?shù)氐叵滤桓撸晁啵瑯冻煽讜r間長，有的甚至＞10h，樁孔泡水時間長，導致中風化泥巖軟化和塌孔，大大降低了樁的側阻力。

表1 廠區(qū)水泥庫區(qū)域的巖土層地質(zhì)概況*

其中（3）、（4）為導致試樁承載力不足的主要原因。

表2 單樁承載力設計與試驗值對比

3.2 樁基處理方案

基于以上分析和施工現(xiàn)狀，考慮到壓力注漿工期較長，對泥巖層注漿效果較差，提出如下樁基處理方案：

（1）水泥庫因樁間距限制，無法補樁。適當增加樁基承臺剛度，處理承臺下部軟弱土層，增加褥墊層，充分挖掘樁間土的承載力，考慮用樁、土復合地基承擔上部荷載。

（2）熟料庫庫壁采用補樁處理，下料地溝采用與水泥庫類似的復合地基處理方法。

（3）其他子項，按補樁考慮。

以上各子項均需復核沉降計算，并加強現(xiàn)場對沉降值的定期監(jiān)測。

4 復合樁基處理設計

本文重點介紹水泥庫的復合地基處理方案。

由于原有的樁基布置情況，樁間距較難滿足補樁的要求——少量補樁，對應的樁長大約需要40m左右，而這是原設計樁長的2倍多。補樁存在兩方面的不利因素：一是下部土層情況不明，且試樁樁長僅為18m；二是小樁間距補樁，對原有樁基不利。因此，經(jīng)過多方案比較，最終決定采用復合地基的樁基處理方案。

復合地基的設計原則就是使樁與樁間土共同工作，充分發(fā)揮二者共同承擔荷載的能力。一般在樁頂以上鋪設150～300mm厚的砂石墊層，其效果是使樁土沉降不同，增加樁間土的沉降，從而充分發(fā)揮樁間土的承載能力。另一方面，由于樁頂向墊層內(nèi)刺入，使上部地基土沉降大于樁沉降，從而在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生負摩阻力。這對于減少樁土應力比，充分發(fā)揮樁間土的承載能力是十分必要的，也是復合地基區(qū)別于一般樁基的主要原因。如圖1所示，在荷載作用下樁向墊層刺入使樁間土沉降變形加大；圖2所示為樁上的摩阻力分布情況，由于存在一段負摩阻力，使樁與樁間土能共同工作[5]。

這樣，在剛性樁內(nèi)，樁、樁間土共同作用主要發(fā)生在豎向，亦即二者在豎向共同工作，協(xié)調(diào)變形傳遞荷載。

4.1 剛性樁單樁豎向承載力特征值

式中：

Ra——單樁豎向承載力特征值，kN

up——樁的周長，m

qsi，qp——樁周第i層土的樁側阻力、樁端阻力

特征值，kPa

li——第i層土的厚度，m

AP——樁端面積，m2

本工程以試樁結果為準：

Ra（?1 000）=3 500kN（水泥庫）。

4.2 復合地基承載力計算

式中：

fspk——復合地基承載力特征值，kPa m——面積置換率

Ra——單樁豎向承載力特征值，kPa AP——樁的截面積，m2

圖1 剛性樁復合地基的變形

圖2 樁上的負摩阻力

β——樁間土承載力折減系數(shù)

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa。宜按當?shù)亟?jīng)驗取值，如無經(jīng)驗時，可取天然地基承載力特征值。本工程取淺層平板載荷試驗（壓縮變形量≤20mm）數(shù)值，fsk=370kPa。

綜合考慮水泥庫原有樁基布置以及樁間土情況，m取值為0.085，β取值為0.45。經(jīng)計算復合地基承載力特征值fspk=530kPa。經(jīng)復核，該復合地基承載力滿足水泥庫對地基承載力的要求。

4.3 剛性樁復合地基沉降計算

通過分層總和法計算最終沉降量：

式中：

S——按分層總和法計算出的地基最終沉降

量，mm

S′——按分層總和法計算出的地基沉降量，

mm

ψS——沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，取0.2

n——地基變形計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層

數(shù)

P0——相應于荷載標準值時的基礎底面處的

附加壓力，kPa；P0=470kPa

Esi——第i層土的壓縮模量，基礎底面至樁端

取ξ倍；ξ=fspk/fak，fspk=530kPa

zi，zi-1——基礎底面至第i層和第i-1層底面

的距離，m

αi，αi-1——基礎底面計算點至第i層和第i-1

層底面范圍內(nèi)平均壓力系數(shù)

采用分層總和法，計算出復合地基最終沉降量S=79.7mm，滿足規(guī)范對沉降的要求（平均沉降量≯200mm）[7]。

4.4 褥墊層設置及換填處理

為了保證樁、土共同承擔荷載，調(diào)整樁、土垂直荷載的合理分擔，在承臺下設置300mm厚的褥墊層，這樣可以讓樁頭發(fā)生相對于周圍土體的沉降差量。褥墊層材料采用3：7級配砂石、卵石或碎石，粒徑20～30mm。這對提高樁間土承載力，控制復合地基沉降變形具有重要作用。

同時，根據(jù)水泥庫區(qū)域軟弱土層分布情況，對褥墊層下軟弱土采用級配砂石或毛石混凝土進行換填處理，保證上部荷載可以有效傳遞到樁間土。

4.5 現(xiàn)場沉降觀測

在工程項目建成的同時，按規(guī)范要求建立沉降觀測點。其中，在6個水泥庫庫側共設置9個觀測點，2015年2月28日至8月19日共進行了5次滿庫條件下的沉降觀測。半年沉降實測數(shù)據(jù)顯示：累計沉降單點最大值為28mm，單點最小值為23mm。實際沉降均勻，且累計沉降最大值小于計算估值，均在規(guī)范和工藝專業(yè)的限值范圍內(nèi)，效果良好。

5 結語

實踐證明，考慮樁間土承載力和剛性樁復合地基的思路，在滿足承載力計算和沉降驗算的前提下是可行的。該方法充分發(fā)揮了樁間土的承載力的潛能，僅對部分軟弱土層進行了換填和增加褥墊層，節(jié)約了成本、節(jié)省了工期，具有可靠的技術性和良好的經(jīng)濟性。

對于工期優(yōu)先的項目，若不能按規(guī)范要求先做試樁來確定單樁承載力特征值，建議適當提高樁基設計安全系數(shù)，將規(guī)范規(guī)定的最低安全系數(shù)由2.0調(diào)整為3.0[8]，以提高安全儲備、適度降低經(jīng)濟性來降低樁基設計的驗證風險。

[1]徐傳亮，等.建筑結構設計優(yōu)化及實例[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]高大釗.巖土工程勘察與設計-巖土工程疑難問題答疑筆記整理之二[M].北京:人民交通出版社，2010.

[3]JGJ 94-2008，建筑樁基技術規(guī)范[S].

[4]GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規(guī)范[S].

[5]李廣信.巖土工程50講-巖土漫話（第二版）[M].北京:人民交通出版社，2010.

[6]JGJ 79-2012.建筑地基處理技術規(guī)范[S].

[7]GB 50077-2003.鋼筋混凝土筒倉設計規(guī)范[S].

[8]US Army Corps of Engineers.Design of Pile Foundations(EM 1110-2-2906)[M].Washington,DC:Department of the Army.1991.■

TU473.1

A

1001-6171（2017）03-0067-04

合肥水泥研究設計院，安徽合肥230051；

2016-09-05；編輯：張志紅