徐松波

印尼水泥生產(chǎn)線樁基處理的設(shè)計(jì)分析

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

徐松波

結(jié)合印尼某項(xiàng)目5 000t/d熟料水泥生產(chǎn)線水泥庫(kù)樁基處理的工程實(shí)例，介紹了樁基承載力不足的原因和樁基處理過(guò)程，重點(diǎn)介紹了復(fù)合地基在軟質(zhì)泥巖地基樁基處理的實(shí)際應(yīng)用。技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果良好，拓展了復(fù)合地基的應(yīng)用范圍。

樁基處理；復(fù)合地基；軟質(zhì)泥巖

1 工程地質(zhì)概況

本工程項(xiàng)目位于印度尼西亞中爪哇島，業(yè)主提供的地勘資料為：場(chǎng)地沒(méi)有大規(guī)模的斷層（裂）通過(guò)，巖層屬中上新世，單斜構(gòu)造，場(chǎng)地?zé)o露頭，但在場(chǎng)地小河?xùn)|側(cè)和場(chǎng)地北側(cè)山丘可見(jiàn)泥巖和砂巖互層，薄層～中厚層狀，產(chǎn)狀：240°～270°，∠15°～40°。場(chǎng)地為山間小河沖積階地，地形較為平坦，標(biāo)高59.00～65.00m，最大相對(duì)高差9.00m?；緸樗锖秃档?，整平標(biāo)高在60.05～63.05m以內(nèi)。

該廠水泥庫(kù)區(qū)域的巖土層地質(zhì)概況見(jiàn)表1。

2 樁基設(shè)計(jì)施工及試樁情況介紹

本場(chǎng)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(fēng)化泥巖⑥屬中硬土；強(qiáng)風(fēng)化泥巖⑦、中風(fēng)化泥巖/砂巖⑧屬巖石。場(chǎng)地的地段類別為對(duì)建筑抗震有利的地段，建筑場(chǎng)地類別劃分為II類。本場(chǎng)地抗震設(shè)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(shè)計(jì)提資和總圖布置，并結(jié)合地質(zhì)情況，生料均化庫(kù)、窯尾框架、窯中、熟料庫(kù)、生料磨、水泥庫(kù)等荷載較大子項(xiàng)采用樁基礎(chǔ)，以中風(fēng)化泥巖作為樁端持力層，其他采用淺基礎(chǔ)，按此原則進(jìn)行土建基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

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(zé)任范圍。受當(dāng)?shù)厥┕べY源及項(xiàng)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(fēng)險(xiǎn)，如果試樁結(jié)果符合設(shè)計(jì)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(bǔ)樁會(huì)很困難[1]。還有另一種可能，試樁結(jié)果超出設(shè)計(jì)估算值較多，則會(huì)造成工程量的浪費(fèi)[2]。

由于本工程業(yè)主提供的地質(zhì)詳勘報(bào)告參數(shù)不能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，所以項(xiàng)目部委托國(guó)內(nèi)地質(zhì)勘察公司進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)化，計(jì)算出灌注樁對(duì)應(yīng)土層的側(cè)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(qǐng)的地質(zhì)咨詢顧問(wèn)根據(jù)場(chǎng)地的地質(zhì)勘探資料對(duì)各子項(xiàng)的單樁承載力進(jìn)行了復(fù)算，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求值，允許實(shí)施試樁。2013年12月開(kāi)始，先后對(duì)水泥庫(kù)、窯中、生料均化庫(kù)、生料磨、熟料庫(kù)以及窯尾框架等子項(xiàng)的基樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)[4]，試驗(yàn)結(jié)果比設(shè)計(jì)要求值低20%～50%，未能滿足設(shè)計(jì)要求（單樁承載力的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)表2）。因此需對(duì)已實(shí)施的對(duì)應(yīng)子項(xiàng)工程樁進(jìn)行必要的補(bǔ)樁或者地基處理。

3 試樁承載力不足的原因分析

3.1 試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值偏差較大的原因分析

（1）國(guó)外地質(zhì)情況復(fù)雜，且無(wú)可靠的鄰近建筑物地基資料參考。按照中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范要求，必須試樁，再按試樁結(jié)果及時(shí)修正地勘報(bào)告的樁基參數(shù)，調(diào)整樁基設(shè)計(jì)。

（2）地勘報(bào)告對(duì)土層的分層可能不合理，導(dǎo)致提供給設(shè)計(jì)的樁基參數(shù)偏大。

（3）樁基靜載試驗(yàn)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(dāng)?shù)氐叵滤桓?，雨水多，樁成孔時(shí)間長(zhǎng)，有的甚至＞10h，樁孔泡水時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致中風(fēng)化泥巖軟化和塌孔，大大降低了樁的側(cè)阻力。

表1 廠區(qū)水泥庫(kù)區(qū)域的巖土層地質(zhì)概況*

其中（3）、（4）為導(dǎo)致試樁承載力不足的主要原因。

表2 單樁承載力設(shè)計(jì)與試驗(yàn)值對(duì)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(zhǎng)，對(duì)泥巖層注漿效果較差，提出如下樁基處理方案：

（1）水泥庫(kù)因樁間距限制，無(wú)法補(bǔ)樁。適當(dāng)增加樁基承臺(tái)剛度，處理承臺(tái)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(fù)合地基承擔(dān)上部荷載。

（2）熟料庫(kù)庫(kù)壁采用補(bǔ)樁處理，下料地溝采用與水泥庫(kù)類似的復(fù)合地基處理方法。

（3）其他子項(xiàng)，按補(bǔ)樁考慮。

以上各子項(xiàng)均需復(fù)核沉降計(jì)算，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)沉降值的定期監(jiān)測(cè)。

4 復(fù)合樁基處理設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)介紹水泥庫(kù)的復(fù)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(bǔ)樁的要求——少量補(bǔ)樁，對(duì)應(yīng)的樁長(zhǎng)大約需要40m左右，而這是原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)的2倍多。補(bǔ)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(zhǎng)僅為18m；二是小樁間距補(bǔ)樁，對(duì)原有樁基不利。因此，經(jīng)過(guò)多方案比較，最終決定采用復(fù)合地基的樁基處理方案。

復(fù)合地基的設(shè)計(jì)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(dān)荷載的能力。一般在樁頂以上鋪設(shè)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(fù)摩阻力。這對(duì)于減少樁土應(yīng)力比，充分發(fā)揮樁間土的承載能力是十分必要的，也是復(fù)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(fù)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(zhǎng)，m

qsi，qp——樁周第i層土的樁側(cè)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(jié)果為準(zhǔn)：

Ra（?1 000）=3 500kN（水泥庫(kù)）。

4.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

式中：

fspk——復(fù)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(fù)合地基的變形

圖2 樁上的負(fù)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(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，如無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可取天然地基承載力特征值。本工程取淺層平板載荷試驗(yàn)（壓縮變形量≤20mm）數(shù)值，fsk=370kPa。

綜合考慮水泥庫(kù)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(jì)算復(fù)合地基承載力特征值fspk=530kPa。經(jīng)復(fù)核，該復(fù)合地基承載力滿足水泥庫(kù)對(duì)地基承載力的要求。

4.3 剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算

通過(guò)分層總和法計(jì)算最終沉降量：

式中：

S——按分層總和法計(jì)算出的地基最終沉降

量，mm

S′——按分層總和法計(jì)算出的地基沉降量，

mm

ψS——沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.2

n——地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層

數(shù)

P0——相應(yīng)于荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)的基礎(chǔ)底面處的

附加壓力，kPa；P0=470kPa

Esi——第i層土的壓縮模量，基礎(chǔ)底面至樁端

取ξ倍；ξ=fspk/fak，fspk=530kPa

zi，zi-1——基礎(chǔ)底面至第i層和第i-1層底面

的距離，m

αi，αi-1——基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)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(jì)算出復(fù)合地基最終沉降量S=79.7mm，滿足規(guī)范對(duì)沉降的要求（平均沉降量≯200mm）[7]。

4.4 褥墊層設(shè)置及換填處理

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

同時(shí)，根據(jù)水泥庫(kù)區(qū)域軟弱土層分布情況，對(duì)褥墊層下軟弱土采用級(jí)配砂石或毛石混凝土進(jìn)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(chǎng)沉降觀測(cè)

在工程項(xiàng)目建成的同時(shí)，按規(guī)范要求建立沉降觀測(cè)點(diǎn)。其中，在6個(gè)水泥庫(kù)庫(kù)側(cè)共設(shè)置9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，2015年2月28日至8月19日共進(jìn)行了5次滿庫(kù)條件下的沉降觀測(cè)。半年沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：累計(jì)沉降單點(diǎn)最大值為28mm，單點(diǎn)最小值為23mm。實(shí)際沉降均勻，且累計(jì)沉降最大值小于計(jì)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(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，考慮樁間土承載力和剛性樁復(fù)合地基的思路，在滿足承載力計(jì)算和沉降驗(yàn)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(duì)部分軟弱土層進(jìn)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(shù)性和良好的經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)于工期優(yōu)先的項(xiàng)目，若不能按規(guī)范要求先做試樁來(lái)確定單樁承載力特征值，建議適當(dāng)提高樁基設(shè)計(jì)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(chǔ)備、適度降低經(jīng)濟(jì)性來(lái)降低樁基設(shè)計(jì)的驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)。

[1]徐傳亮，等.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及實(shí)例[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]高大釗.巖土工程勘察與設(shè)計(jì)-巖土工程疑難問(wèn)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(shù)規(guī)范[S].

[4]GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(shù)規(guī)范[S].

[7]GB 50077-2003.鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)院，安徽合肥230051；

2016-09-05；編輯：張志紅