復雜地質條件下綜合地基處理技術的 研究與應用

阮 虹 石長元 王曉峰 唐 丹 郭 嬌 錢俊豪

1.中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041； 2.中冶賽迪建筑市政設計有限公司,四川 成都 610041

0 前言

隨著經濟發展和社會進步,在工程建設領域,地基處理技術不斷發展并被廣泛應用。通常情況下,在國家能源儲備工程中,基于戰略的考量,基地選址受限較多,地質條件比較復雜,地基處理難度大。本文以某儲備基地工程為例,針對厚度嚴重不均的Ⅳ級自重濕陷性黃土地質條件,介紹了多種地基處理技術和地基基礎方案綜合應用的技術,突破了以往單一的處理方式,具有良好的經濟和社會效益，為該類地區地基及基礎綜合處理提供了借鑒。

1 工程地質條件

1.1 地質構造

某儲備基地工程建設10×104m3鋼制雙盤式外浮頂儲罐30座。基地場區在大地構造上位于祁連褶皺系祁連中部隆起之東部,區域上褶皺軸向和斷裂走向主要以NWW、NNW向為主。擬建場區次一級構造單元隱伏基地隆起剖面圖見圖1。

圖1 場地隱伏基地隆起剖面圖

1.2 地層分布

原始自然地貌高低不平,上部土層為Ⅰ級非自重濕陷性場地至Ⅳ級自重濕陷性黃土場地,黃土層厚薄不均[1]。回填土厚度變化大且力學性質不均勻,具濕陷性。黃土下部基巖為強風化砂礫巖和強風化千枚巖,基巖埋深不一,坡度有緩有陡。強風化千枚巖,是比較好的地基持力層。3個臺階狀罐區的設計地坪距離巖石表面高度有深有淺,多數罐設計地坪下黃土厚度不均,約6～15 m,相鄰兩鉆孔巖石高差3～5 m或6～9 m,巖石坡度高低不平。部分罐設計地坪下黃土厚度較大,約5～23.7 m,巖石坡度較陡,巖石坡度起伏較大。另外罐區自然地坪起伏不平,使同一個罐地基土有挖方也有填方。有個別罐巖石有外露,同時還覆蓋≤4.5 m黃土,巖石埋深≤4.5 m,相鄰兩鉆孔巖石高差一般為2～3 m,巖石坡度較平緩。有個別罐巖石雖有外露或接近外露,但該罐的其他鉆孔顯示巖石埋深>4.5 m,即黃土厚約5～10 m,基巖傾斜度相當大。場區各土層主要力學指標和建議采用值見表1～2。

表1場區各土層主要力學指標

層號土層名稱土粒比重GS含水量W/(%)濕密度ρo/(g·cm-3)孔隙比eo飽和度Sr/(%)孔隙度n/(%)液限WL/(%)塑限WP/(%)塑性指數IP(2)黃土2.708.81.530.92526.2647.8624.416.97.5(2)1黃狀粉土2.7010.71.451.09027.4151.5425.217.08.2(3)黃土2.7010.61.660.81037.3844.3525.017.47.6

1.3 地基土濕陷性

表2場區各土層主要力學指標建議采用值

層號土層名稱直剪粘聚力C/kPa壓縮系數Es 0.1～0.2/MPa壓縮模量內摩擦角φ/(°)承載力特征值fak/kPa(1)人工填土---70(2)黃土28.210.1415.0135(2)1黃土狀粉土26.980.3110.0120(3)黃土29.500.1120.0170(4)砂礫巖---400(4)1泥巖---400(4)2中等風化砂礫巖---800(5)強風化千枚巖---300(6)中等風化千枚巖---1 000

1.4 地質條件分析

罐區普遍存在同一個罐下原狀濕陷性黃土和回填土混雜,濕陷土的濕陷程度、厚度不一;同一個罐下的基巖性質不同,有砂礫巖也有強風化千枚巖,二者的極限端阻力不一樣;基巖埋深不一,基巖坡度有緩有陡,不少坡度起伏較大,個別罐下有基巖外露出設計地坪以上等情況。

2 地基處理

2.1 初步方案

通過對詳勘地質資料的分析,基于儲罐荷載大(250 kPa),對不均勻沉降要求高,地質條件復雜,原狀黃土含水率低、承載力低、濕陷性、黃土層較厚土層厚薄不等、濕陷土與回填土同時存在、土質不均勻、基巖持力層坡度有緩有陡、不少坡度起伏較大等因素,本著安全經濟、方便施工操作及監測的原則,該儲備基地工程擬采用高、低能級強夯,強夯+鋼筋混凝土鉆孔擴底灌注樁,強夯+灰土擠密樁復合地基以及天然地基等方式[6]。

2.2 強夯試夯情況

2.2.1 強夯試夯

按設計要求,強夯后地基承載力特征值≥250 kPa,黃土最深處壓縮模量≥25 MPa,在有效影響深度范圍內完全消除濕陷性影響[7]。為保證強夯處理地基的效果,根據場地含水情況,強夯前對地基進行預增濕處理[8]。根據不同覆土厚度和不同增濕方式在有代表性區域設置面積為24 m×24 m試夯區(1區、2區、3區、4區)[9]。各高能級試夯區情況見表3。

2.2.2 試夯檢測結果

各高能級試夯區檢測情況見表4。

表3高能級試夯區情況

高能試夯區強夯能級/(kN·m)覆土厚度/m區域增濕方式含水率改善情況1區16 00015挖方單孔3、4號探井含水率普遍<10 %,1、2號探井上部4 m含水率較高,下部土層含水量基本沒有改善2區12 00014填方單孔地膜上部4 m含水率較高,下部含水率偏低,下部土層含水量不均3區8 00011挖方單孔地膜7 m以下存在低含水率區域,下部土層含水量不均4區16 00016挖方打孔灌砂表層3 m土層含水率偏高,下部土層基本在設計含水率范圍內,含水率>10 %,強夯有效影響深度達14 m

表4各高能級試夯區檢測情況

試夯區布點方式濕陷系數壓縮模量平板載荷試驗1區8 m×8 m<0.015離散性較大,部分>20 MPa不滿足設計要求2區8 m×8 m<0.015,但仍有未消除區域大部分<20 MPa出現大面積橡皮土3區8 m×8 m<0.015離散性較大,部分>20 MPa淺層平板載荷試驗達到設計要求4區8 m×8 m<0.015離散性較大,部分>20 MPa淺層平板載荷試驗達到設計要求

2.2.3 試夯結論

強夯地基處理后,粉土層各深度地基承載力估算值181～282 kPa；由于儲罐載荷較大覆土層范圍均為主要持力層[10]；通過載荷試驗和標準貫入判定強夯后表層承載力離散性較大[11],深層土承載力不能滿足設計要求。綜合判定強夯后地基承載力不能滿足設計要求。

2.3 樁基試驗情況

根據不同巖性和基巖標高共選定4個試樁試驗區總計12根樁,試驗樁樁徑800 mm干作業鋼筋混凝土鉆孔灌注樁[12]。通過低應變檢測,12根試樁樁身完整全部為Ⅰ類樁;通過高應變檢測,單樁豎向承載力特征值均>3 000 kN,滿足設計要求;通過載荷試驗檢測,單樁豎向承載力特征值均大于3 000 kN,滿足設計要求。樁身完整性和單樁豎向承載力特征值均滿足設計要求。

2.4 最終方案

2.4.1 采用處理方式

由于地基情況復雜,雖然采取了多種注水方式及保證措施,注水試驗效果并不理想,無法達到預期效果。說明在特別復雜地質條件下,在不能保證大面積注水成功的前提下,單純的強夯地基處理存在不確定性。同時由于場區平整前大部分地段位于緩丘區,地勢西高東低、北高南低,下部基巖面起伏很大,局部存在基巖突變,即使通過強夯地基處理,對壓縮模量、濕陷性消除情況進行改善,仍然存在不均勻沉降的可能。因此,為確保工程質量和安全,統籌考慮工期因素,針對各罐不同的地質情況,綜合應用不同的處理方式。

2.4.1.1 天然地基

天然地基處理方式的設計思路來源于換填墊層法和“木桶”受力模型,混凝土擋墻相當于桶壁,混凝土擋墻外側土層相當于桶箍。該處理方式在國內同類工程中首次使用,使用前仔細分析研究了其受力模型、受力特點,計算了儲罐的側壓力、土的推力、擋墻底部的摩擦力以及風和地震作用等產生的水平力,在此基礎上反復驗算了基礎的抵抗能力[17];經過多次優化,擋墻由開始的外臺階式優化為內臺階式。經專家論證認為該處理方式能夠確保儲罐的安全，換填量減少約10 000 m3,土方開挖量減少約4 000 m3,縮短工期約30 d。

2.4.1.2 天然地基+樁基

4座儲罐基礎下部分巖石外露或接近外露,但另一部分覆蓋一定厚度的黃土層(黃土厚5～12 m),采用一半天然地基一半樁基的處理方式。具體方法是黃土層部分先低能級強夯再打樁做鋼筋混凝土承臺,承臺與天然地基進行搭接,并在承臺內設計部分錨拉鋼筋與天然地基進行拉結,巖石外露部分鑿掉至環墻底部標高。

根據GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震設計規范》“同一結構單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基”的規定,因場地土類型對抗震有利、開挖工程量浩大、施工難度大,設計時綜合計算風荷載、地震作用等產生的水平力以及基礎的抵抗能力,豎向荷載由基巖和嵌巖樁基共同承擔,水平荷載由承臺周邊回填土、基巖與承臺板的摩擦力、抗剪墩和嵌巖樁共同抵抗。該處理方式避免了石方爆破與重新回填、布樁等工序,縮短了工期,節約了投資[18]。

2.4.1.3 全部樁基

18座儲罐基礎下黃土層覆蓋厚度最深處超過10 m,底部基巖面高差也較大,巖石坡度較陡,采用全部樁基處理方式。該類儲罐基巖坡度為1∶7或1∶6,巖石坡度起伏變化較大,同一個儲罐地基土有挖方也有填方,且局部填方很厚。具體方法是將濕陷性黃土較厚、基巖埋深大、基巖坡度大的罐,先高能級強夯,再做樁基加鋼筋砼承臺，承臺上做鋼筋混凝土環墻基礎。

由于大部分樁基樁身長度較短,無法作為提供反力的錨樁,為達到抽檢的效果,根據要求不能提前指定樁號,這使得單獨做錨樁也存在困難。同時由于當地依托條件較差，試驗設備數量不足,采用堆載方式全部試驗需要時間較長。根據JGJ 106-2003《建筑基樁檢測技術規范》,經計算分析,在樁基檢測中采用高應變輔助檢測法進行承載力檢測。

2.4.1.4 強夯

1座儲罐部分基礎下黃土覆蓋層厚度5～10 m,土層厚度相對均勻,回填土相對不厚,采用增濕+高能級強夯的方式處理[19]。具體方法是先進行高、低能級強夯,然后進行檢測，合格后再進行計算預抬高尺寸,最后直接做鋼筋混凝土環墻基礎。

通過仔細分析強夯和同類工程強夯數據,論證了大型儲罐基礎強夯處理的適用范圍以及預增濕強夯法地基處理方案。如果儲罐的地基土層相對均勻，厚度適中,基巖坡度平緩,地基土含水率合適,預增濕效果較好,運用強夯技術是合適的[20]。但對復雜地質條件下厚度嚴重不均的高等級濕陷性黃土,如存在預增濕注水工程量大、預增濕均勻難度大、控制難度大等不確定性因素,單純的強夯很難達到設計要求。對于地基覆土較淺且基巖起伏較小情況,通過周密的預增濕技術措施,加上設計和施工控制措施到位,強夯能滿足設計要求。

2.4.2 未采用方式

2.4.3 最終方案匯總

最終地基處理方案匯總見表5。該儲備基地工程通過綜合應用多種地基處理技術和基礎處理方式,節省工程投資4 600萬元。

表5最終地基處理方案匯總表

罐號地基處理方案土層厚度/m基巖最大坡度/(%)備注G-11001強夯+鋼筋混凝土灌注樁12.90～17.2014.3填土分布少G-11002強夯+鋼筋混凝土灌注樁10.10～15.0014.0填土分布少G-11003強夯+鋼筋混凝土灌注樁3.20～8.8020.0填土分布少G-11004強夯+鋼筋混凝土灌注樁8.30～13.6010.4填土最大厚度2.2 mG-11005強夯+鋼筋混凝土灌注樁6.60～15.9019.6填土分布少G-11006強夯+鋼筋混凝土灌注樁4.40～11.7020.2填土分布少G-11007強夯+鋼筋混凝土灌注樁7.90～14.7015.6填土最大厚度5 mG-11008普夯+鋼筋混凝土灌注樁5.40～9.5010.8填土最大厚度3 mG-11009天然地基2.60～7.0010.9填土分布少G-11010強夯+鋼筋混凝土灌注樁5.90～13.0013.4填土最大厚度4.1 mG-11011強夯+鋼筋混凝土灌注樁8.20～14.0018.9填土最大厚度6.2 mG-11012強夯+鋼筋混凝土灌注樁1.80～11.6038.5填土最大厚度5.6 mG-11013天然地基1.50～5.0011.8填土分布少G-11014天然地基+鋼筋混凝土灌注樁1.10～10.8024.1填土分布少G-11015天然地基+鋼筋混凝土灌注樁0～14.3037.3填土最大厚度4 mG-11016天然地基4.20～7.0011.8填土最大厚度4.6 mG-11017天然地基1.00～6.8015.3填土最大厚度1.7 mG-11018天然地基+鋼筋混凝土灌注樁0.60～12.0042.5填土最大厚度4.8 mG-11019強夯+鋼筋混凝土灌注樁15.50～20.2020.8填土分布少G-11020強夯+鋼筋混凝土灌注樁8.20～15.5018.7填土最大厚度3.7 mG-11021強夯+鋼筋混凝土灌注樁8.50～16.7025.1填土分布少G-11022強夯+鋼筋混凝土灌注樁18.20～26.3025.4填土分布少G-11023強夯+鋼筋混凝土灌注樁15.80～19.7013.9填土分布少G-11024強夯+鋼筋混凝土灌注樁11.40～16.0018.2填土最大厚度7.1 mG-11025增濕后高能級強夯4.40～8.9017.3填土最大厚度5.7 mG-11026天然地基0～3.8010.9填土分布少G-11027天然地基0～5.0016.2填土局部分布G-11028強夯+鋼筋混凝土灌注樁3.50～21.3050.1填土最大厚度6.6 mG-11029天然地基1.00～4.7010.1填土最大厚度1.7 mG-11030天然地基+鋼筋混凝土灌注樁0～12.7054.5填土局部分布

3 結論

1)針對復雜地質條件,綜合運用多種地基處理技術和基礎處理方式,不但技術上可行,而且社會、經濟效益顯著。

2)采用預增濕強夯法處理土層含水量偏低的濕陷性黃土,技術上可行,但大面積不均勻土層的預增濕效果難以保證。

3)通過試夯，提供工程所需的最優強夯參數,編制可操作性強的強夯施工技術規定，對大面積強夯施工質量極為重要。

4)強夯法對于處理不均勻地基效果明顯。

5)在濕陷性黃土地基尤其是土層含水量較低時,在樁基前采用強夯進行預處理,無論是對樁基施工質量還是基樁受力都極有利。

6)根據建構筑物對地基的不同要求,同時考慮各種地基處理方式對設備機具、場地等施工條件的要求,有區別地選用最優地基處理方式。