印尼水泥生產線樁基處理的設計分析

徐松波

印尼水泥生產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泥巖地基樁基處理的實際應用。技術經濟效果良好，拓展了復合地基的應用范圍。

樁基處理；復合地基；軟質泥巖

1 工程地質概況

本工程項目位于印度尼西亞中爪哇島，業主提供的地勘資料為：場地沒有大規模的斷層（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。

該廠水泥庫區域的巖土層地質概況見表1。

2 樁基設計施工及試樁情況介紹

本場地中的粉質粘土①屬次軟土；碎石土②、粉質粘土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年內超越概率10%、重現周期475年）為8度0.24g。

根據本工程工藝設計提資和總圖布置，并結合地質情況，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。

根據總承包合同約定，本工程的特殊地基處理（含樁基）屬業主方責任范圍。受當地施工資源及項目工期要求的限制，業主方決定先施工工程樁，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]。

由于本工程業主提供的地質詳勘報告參數不能直接用于設計計算，所以項目部委托國內地質勘察公司進行參數轉化，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，再按規范要求除以安全系數2.0，估算單樁承載力特征值[3]。試樁前，業主聘請的地質咨詢顧問根據場地的地質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 試驗檢測數據與設計值偏差較大的原因分析

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

（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偏大。

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

（4）當地地下水位高，雨水多，樁成孔時間長，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 廠區水泥庫區域的巖土層地質概況*

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，并加強現場對沉降值的定期監測。

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，從而充分發揮樁間土的承載能力。另一方面，由于樁頂向墊層內刺入，使上部地基土沉降大于樁沉降，從而在一定范圍內產生負摩阻力。這對于減少樁土應力比，充分發揮樁間土的承載能力是十分必要的，也是復合地基區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，樁、樁間土共同作用主要發生在豎向，亦即二者在豎向共同工作，協調變形傳遞荷載。

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

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa。宜按當地經驗取值，如無經驗時，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。經計算復合地基承載力特征值fspk=530kPa。經復核，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——沉降計算經驗系數，取0.2

n——地基變形計算深度范圍內所劃分的土層

數

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

層底面范圍內平均壓力系數

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，根據水泥庫區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 現場沉降觀測

在工程項目建成的同時，按規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。半年沉降實測數據顯示：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，均在規范和工藝專業的限值范圍內，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，節約了成本、節省了工期，具有可靠的技術性和良好的經濟性。

對于工期優先的項目，若不能按規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，將規范規定的最低安全系數由2.0調整為3.0[8]，以提高安全儲備、適度降低經濟性來降低樁基設計的驗證風險。

[1]徐傳亮，等.建筑結構設計優化及實例[M].北京:中國建筑工業出版社，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，建筑樁基技術規范[S].

[4]GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范[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范[S].

[7]GB 50077-2003.鋼筋混凝土筒倉設計規范[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