高海拔沙漠鹽堿環境地基處理
——以阿拉善天然堿開發利用工程項目為例

錢國庫

(中國化學工程第六建設有限公司，湖北 襄陽 441100)

引言

隨著國內外化工及其它建筑行業的不斷迭代進步，國內五位一體(經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設、生態文明建設)總布局的提出與落地，建筑行業的發展迎來了新的機遇與挑戰。各地環境保護政策的陸續出臺落實，重工業及其污染較大企業隨之遷出轉移；城市的快速發展擴張使得各大城市不斷占用農田、荒地、灘涂等，向著宜居性越來越差方向進發，向著更不利于建、構筑穩定性耐久性地域拓展。隨之而來的各種建、構筑物安全穩定性問題紛至沓來。

底層基礎的穩定性決定了上部建筑高度穩定性及其整個建筑的耐久性。尤以化工開采建設行業最為明顯，因此化工行業的基礎處理技術走在該領域發展的前列。本文以博源銀根化工集團下屬阿拉善天然堿開發利用項目為原型背景，結合自身理解，圍繞著國內外施工技術的發展與創新，其中新材料、新技術、新工藝、新設備的不斷迭代革新及其應用為例，分析介紹地基處理及其伴生性問題。

1 概述

1.1 工程概況

本項目廠址位于內蒙古自治區阿拉善盟右旗塔木素布拉格蘇木鄉。項目總投資約230億元，將規劃建設年產860萬t大型天然堿產業基地，項目計劃分兩期建設，一期預計2022年底建成，二期預計2025年底建成。

擬建場曾為戈璧灘，在正常使用條件下，本建筑結構設計使用年限為50年。

1.2 自然條件

本項目位于內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：年平均風速 4.7 m/s；極大風速 22.5 m/s；全年主導風向西風；(基本風壓：W0=0.6 kN/m2，地面粗糙度類別A類。對高層、高聳以及風荷載敏感的結構，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：逐月最高平均相對濕度48.08%；逐月最低平均相對濕度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)抗震設防烈度抗震設防烈度為6度(地震加速度 0.35 g)

本工程抗震設計條件：抗震設防烈度：6度；地震分組：一組；設計本地震加速度值：0.05 g；場地類別：Ⅱ類；特征周期：0.35 s。

1.3 地勘概述

1)根據巖土工程勘察報告，本工程場地各主要巖土分布如下：

第①層礫砂(Q2gl)：黃褐色、棕褐色，砂質不純，混礫石，局部夾有厚度約5～10 cm 膠結層，天然狀態下呈中密～密實，稍濕狀態，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。該層厚度變化在0.2～3.3 m 之間。

第②2層泥巖(E3)：全風化，褐黃色、灰綠色，泥質結構，層狀構造，土質不均勻，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，結晶結構，無色透明晶體，該層中含約10～40%泥巖，分布不連續。完整性較好。該層厚度變化在2.2～12.1 m 之間。

第④層泥灰巖(E3)：灰綠色，褐灰色，泥質結構，層狀構造，礦犧以方解石、白云石為主，含零星石膏塊狀結晶體。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，泥質結構，層狀構造，偶見石膏結晶體，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)場地地基土標準凍深 1.70 m，地基土對混凝土結構有弱腐蝕性(浸水條件下按中等腐蝕考慮)、對混凝土結構中鋼筋有中等腐蝕性、對鋼結構均為微腐蝕性。對樁基中混凝土為弱腐蝕性(局部為強腐蝕性)、對樁基混凝土結構中的鋼筋有中等腐蝕性。

4)場地屬中軟場地土，判定建筑場地類別為Ⅱ類。場地穩定，屬抗震有利地段。可不考慮場地地基土液化影響。

5)在本次場地勘察深度范圍內未探測到地下水，設計及施工時可以不考慮地下水影響。

6)擬建場地范圍內未發現滑坡、泥石流、采空區、崩塌、危巖體、地面沉降、活動斷裂等不良地質現象。

2 常見地基處理工藝及其特點

2.1 常見地基處理工藝

1)換填法：常見應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，通過分層壓實方法使粗砂碎石緊密結合的一種回填方法。結合現場實際情況可知，該方法在地基下 2 m 左右區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、含水量較高土質的軟弱土層，且管基礎不增加覆土等附加荷載情況。在基礎軟弱土層部位通過機械壓填 200 mm 至 400 mm 直徑塊石，該方法一方面可以減小開挖深度，減少對施工現場周圍土體的撓動，降低維護、支護費用，另一方面又可以增強該部位地基土體承載力，從而滿足工程建設施工需要，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、鋼筋混凝土預制樁法：其原理是利用木樁、鋼筋混凝土預制樁與樁間土共同作用形成復合型地基，對建構筑物基礎下方地基進行處理的方法，其工作原理為增加一定空間內土體見擠壓力，從而達到增加基礎穩定性的效果；它的優點為施工速度快，施工場地小。

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攪拌混合而形成一定強度的加固體；該方法方式施工簡單，檢測難度較大，須全過程控制，耐久性較差。

3 常用軟弱地基處理方案

對國內已建成的化工項目地基基礎施工方法進行梳理統計，得到國內化工廠建設中常用基礎軟弱地基基礎處理方案，各方案適用范圍及優、缺點見表2。

表2 常用化工廠軟弱地基基礎處理方案適用范圍及優缺點

4 高寒地基處理方案及其概述

4.1 高寒地基處理方式

根據工程施工所在地自然環境、材料進場順序、工程進度要求等，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。對基礎處理施工中季節性凍土地基地區較為適用，施工方式簡單，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。針對季節性多年凍土，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，須采用專業機械進行土體開挖施工，有針對性制定施工組織設計，有針對性的組織安排施工。

4.2 高寒地基處理概述

經對本工程地勘報告深入研究分析，得工程項目所在位置軟土地層分布位置、分布特點及其深度，充分了解分析項目所在區域地基土物理性能、化學性能，避開軟弱土體區域，在 3 m 以內軟土地基處理采用換填土法，在 8 m 以內軟土基地處理方式用強夯法，在 30 m 以內軟土地基處理方式用真空預壓法(真空預壓法分為直排式真空預壓法和化學真空預壓法)。

5 國內地基基礎處理技術現狀及最新發展

5.1 多種地基基礎處理技術相融合

強夯和碎石相結合、CFG樁和碎石樁聯合、 CFG樁和粉噴樁結合、CS樁和CFG樁有效聯合，在建構筑物結構建造過程中，能夠一定程度上降低建筑自身重量，從而達到建構筑物提升抗震能力、增強建構筑物穩定性的作用。CS樁全程夯實水泥土樁是將其與CFG樁進行有效的聯合，其可使得樁間土形成組合型復合地基，其中CS樁屬于中等粘結強度樁，屬于半剛性樁，CFG樁則屬于高粘度樁。

在工業建筑基礎施工中，盡可能選擇天然地基或樁基地基建設形式，其能夠有效提升建構筑物的穩定性和安全性，從而降低地震、泥石流、滑坡、地質災害對建筑整體的破壞。在建筑施工階段，需要嚴格落實建筑地基基礎工程施工質量驗收標準(GB 50202-2018)規定，進行地基夯實，原狀土開挖時預留 150 mm 的人工清理層，以減少對基地土體擾動，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筑物的安全性和穩定性。

隨著近年來科研投入的不斷加大，以及各個領域科研成果的爆發性增長及其組合應用的不斷誕生；現階段除了水泥土攪拌樁復合型地基之外，又出現了變徑混凝土攪拌樁復合地基，長短樁組合復合地基等多種形式基礎處理方式；樁基基礎施工能夠選擇和可使用施工種類也越來越多，針對結構穩定性要求較嚴格建構筑物基礎，其還可采用接桿式雙向攪拌樁，該攪拌樁能夠達到更深的施工深度，施工所需凈空高度也更低，且較高壓旋噴樁的處理，更為經濟，更加高效。

5.2 地基基礎處理工藝新方法

粉煤灰、石灰、硫酸鹽混凝土灌注樁的地基基礎處理，該地基基礎處理工藝為：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的物質，在與粉煤灰、石灰、硫酸鹽混合后會很大程度上提升地基基礎的強度和剛度，使得其承載力顯著增強，從而達到提升地基基礎強度及其穩定性的作用。更為有利的是該施工技術方便快捷，資源消耗少，成本較底，見效較快。

6 針對現場施工主要問題的解決方案

6.1 強腐蝕環境

1)鋼筋混凝土腐蝕

阿拉善地區大多干旱少雨，年蒸發量較大，土質的含鹽堿量普遍較高，土壤和地下水中含有大量對鋼筋混凝土結構產生破壞作用的SO2和Cl-，同時項目所在地(塔木素布拉格蘇木)地區晝夜溫差大、冬夏溫差大，使得混凝土處于凍融環境中。在強腐蝕環境中，鋼筋混凝土基礎被腐蝕的物理化學原因及解決理念：

硫酸鹽對混凝土的腐蝕，使混凝土材料產生巨大的內應力，該應力遠超過混凝土材料的抗拉強度，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-與鋼筋中的鐵發生電化學作用生成氯化亞鐵，在有氧氣與水的情況下，發生電化學反應生成氫氧化亞鐵和無粘結性能的氫氧化鐵，破壞混凝土中的鋼筋強度，隨著鋼筋鈍化及腐蝕產物的積累，鋼筋體積可膨脹2-3倍，致使混凝土層開裂。混凝土的凍融破壞，混凝土中游離水受凍結冰后體積膨脹，在混凝土內部產生應力，由于反復作用，內應力超過混凝土的抗拉強度致使混凝土破壞，為Cl-侵蝕形成了通道，形成惡性破壞循環，不利于建構筑物的長期穩定運行，從而降低建構筑物的耐久性。

針對鋼筋混凝土腐蝕原因，在進行基礎防腐處理過程中需要有針對性的考慮“對外防止，對內增強”措施，既要阻斷腐蝕介質入侵，還需提高混凝土強度及抗腐蝕性；在選擇地基處理方案時，就須考慮強腐蝕特性，想法減小運行期基礎腐蝕隱患的產生。

6.2 地基基礎防腐措施

根據本項目施工強腐蝕、施工環境惡劣、冬夏溫差大等特點，建構筑物基礎防腐采用GB/T 50476-2019《混凝土結構耐久性設計標準》和GB/T 50046-2018《工業建筑防腐蝕設計標準》執行，混凝土防腐形式根據現場建構筑物使用運行特點分為基本措施和特殊措施。

6.2.1 基本措施

1)基礎結構形式：基礎型式簡單、便于施工、棱角較多、應力集中點較多的基礎特點。因此，基礎采用長方形、正方形、圓型等擴展基礎。

2)控制基礎裂縫：首先，基礎設計階段，應盡量縮減受拉區和拉應力區的出現，以避免裂縫的產生。其次，施工過程中應控制好混凝土入模溫度、入模狀態、澆筑順序和拆模后混凝土內外溫差，防止建構筑物內外散熱不均致使混凝土外表面失溫速率過快導致內外溫差過大引起裂縫；在施工過程中，混凝土澆筑應連續進行，工序原因必須分段澆筑的，嚴格控制混凝土澆筑間歇，防止出現冷縫，同時嚴控混凝土密實性，嚴禁出現澆筑后漏筋、空洞、蜂窩、麻面等現象；澆筑完成后及時養護，嚴格控制養護過程，確保養護周期貫徹執行，保證混凝土強度。

3)高性能混凝土：其具有較好的自密實性、抗凍性、抗滲性、耐久性和強度(本工程多采用C15、C20、C30、C40、C45、C50等，主要外加劑有：抗滲、微膨脹、阻銹、抗凍等)。

4)混凝土保護層：合適的混凝土保護層厚度，既能夠提高基礎使用壽命，延緩外界環境對鋼筋的銹蝕，還能夠減少因混凝土材料自身收縮而引起的保護層出現裂縫。本工程按照《建筑地基基礎工程施工質量驗收標準》 (GB 50202-2018)執行。

6.2.2 特殊措施

混凝土澆筑完成后的第 28 d 整，基礎表面涂刷環氧瀝青涂層，基礎梁四周及埋入土中的墻、表面刷環氧瀝青涂料，厚度不小于 500 μm ；層外露部分基礎的項面及側面刷環青料，厚度不小于 300 μm 。環氧瀝青涂層相對于聚氨酯瀝青涂層而言對砼表面有著更強的黏結力，能夠有效抵抗施工現場酸、堿及其它腐蝕性介質侵蝕，能夠長期在干濕交替、陰暗潮濕以及浸水等惡劣外界環境中正常使用。

基礎砼根據工程特點采用添加阻銹、防腐、抗滲等，本共工程主要添加劑為阻銹劑，參照施工CB/T 50476-2019《混凝土結構耐久性設計標準》要求執行。

基礎鋼筋采用環氧涂層包裹鋼筋，環氧涂層鋼筋，特殊部位采用環氧樹脂涂層鋼筋外加套管處理。環氧涂層鋼筋制作材料及加工工藝參照規范為JG/T 502-2016《環氧樹脂涂層鋼筋》規定執行。

7 結論

項目所在地特殊的物理、化學及自然環境，對地基基礎的施工方法、施工流程、施工人員、施工機械提出了更加嚴苛的要求，很大程度上增加了地基處理施工的專業性；針對不同化工廠地基基礎建設、運行環境的特殊要求，進行地基施工處理施工時，還要充分考慮經濟性、有效性、可行性之間的微妙平衡，找到最合適的解決方案，如此才能經濟、質量、高效的完成地基處理。

至此，組合型的地基處理方式應運而生。該方式在現階段應用范疇較廣，但該技術對地基基礎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理的互相加持階段，其綜合應用的研究成果現階段較少；并且在應力分析中，中間剪應力的計算也還是處于疊加狀態；因此，其在應用方面的滯后性也是較為明顯的。

復合地基基礎型變量計算主要的計算方法為符合模衡量法、現場荷載實驗等，用以預測施工過程中可能出現的突發問題，及常規通病的預測和預防。該方法在應用中還需要引入計算機數據庫技術，擴大在工程施工中自動化、智能化技術運用。例如，使用BIM技術、三維數據運算技術、高精度監測基礎、現代化物資管理、AR、VR、遙感等。