冷換設備和容器基礎遇軟土地基提高 樁基水平承載力問題

王曉晶(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061)

0 引言

石油化工冷換設備和臥式容器基礎除了承受豎向荷載以外，還要承受基礎頂部傳來的水平推力，這個水平推力包括基礎頂部相連管道傳來的溫度應力，基礎頂部活荷載、溫度變化在設備支撐面上引起的摩擦力及停產檢修時的抽芯力，設備傳來的風荷載，地震作用下水平推力。所以水平承載力的計算也很重要，尤其基礎遇軟土地基時基礎承受水平荷載能力較低。

1 石油化工冷換設備和容器樁基礎設計中要充分考慮水平承載力

石油化工冷換設備和容器樁基礎設計中通常主要承擔豎向荷載為主，這其中結構自重大約占15%，使用荷載占85%左右根據[1]。同時，石油化工冷換設備和容器基礎通常也要抵抗風荷載和地震作用，風和地震對冷換設備和容器基礎產生的效應一是會產生傾覆力矩根據[2]，另一就是會產生基底剪力，傾覆力矩則是無非對豎向受力構件產生軸向力作用。“冷換設備基礎計算簡圖”，但基底剪力則必須由水平抗力來承擔。在天然地基設計中，石油化工冷換設備和容器基礎水平抗力主要由基底與土的摩擦力、基礎周邊土的土壓力，共同來提供，對于粘性土、砂土等，混凝土與其之間的摩擦系數通常可以達到0.45左右。因此，僅僅光基底的摩擦力這一項，相當于軸向壓力的45%。而地震或風荷載引起的基底剪力，由于受地震烈度及結構自震周期影響等，很難超過10%根據[3]。因此，在天然地基的情況下，石油化工冷換設備和容器基礎水平承載力都是很容易被滿足的，這也是我們一般不討論的話題，但這并不代表水平承載力不存在。

但是對于石油化工冷換設備和容器樁基礎而言，則不同。首先，石油化工冷換設備和容器樁基礎我們常規意義上來講，主要以承受豎向荷載為主，很少有人認為石油化工冷換設備和容器樁基礎需要承擔全部的水平承載力，因為這樣會務必大幅增加樁的數量，造成工程造價大幅上升。就包括我們常用的PKPM計算軟件，自動選樁的時候，都是以豎向力為主，而水平承載力都是加強構造為主根據[4]。例如在樁基規范[5]中，明確要求了基坑外肥槽回填的要求，就是通過加強承臺周邊的回填土的密實度，來把承臺牢牢的約束住，從而來完成水平抗力的提供。這種做法其實也是有很多工程經驗的，在工程界也是得到了認可。

但是，這樣做前提是必須把回填土作為一個重點的“構件”來對待。但在實際操作中，施工單位、甲方及監理單位很難有特別懂的人才，通常大家都是把主要精力放在混凝土構件中。對于回填土，很多時候都是睜一只眼閉一只眼，容易留下工程隱患。因此，作為結構設計人員應充分重視石油化工冷換設備和容器樁基水平承載力計算。

2 石油化工冷換設備和容器樁基水平承載力的現狀

通常，我們計算石油化工冷換設備和容器樁基水平承載力時，基本考慮以豎向力為主，水平承載力尤其是群樁水平承載力。考慮的因素為承臺與土的土壓力、承臺底與土的摩擦力等，進行修正后，一般群樁承載力提高可最小達到約1.7以上，這部分貢獻很大。因此，在工程設計中，應充分加強對回填土的要求，例如采用級配砂石、灰土或壓實性較好的土分層夯實回填，即可保證結構安全。

3 石油化工冷換設備和容器軟土地基中樁基水平承載力常見的問題

在石油化工冷換設備和容器結構設計中，軟土地基常見問題是石油化工冷換設備和容器樁基垂直承載力可以做的很高，但是水平承載力不高。如果按照水平承載力控制樁的數量，則造成較大的浪費，一般業主難以承受。為此，如何提高石油化工冷換設備和容器樁基水平承載力，是需要作為一個設計人員要解決的問題。這也是在實際工程中，最經常遇到的問題。那么如何在能提高石油化工冷換設備和容器樁基水平承載力，主要是根據樁基的形式、地質條件、施工工藝等幾個方面綜合考慮，充分論證，選出最合理的方案。

4 常見的幾種提高石油化工冷換設備和容器樁基水平承載力的方法

4.1 提高樁徑

提高樁基直徑，增加樁的自身剛度，同時增加樁與土的接觸面積，是提高石油化工冷換設備和容器樁基水平承載力的主要是途徑。但是缺點是，增加樁徑，對材料用量是成平方關系增加，增加造價顯著，主要應用于地質條件相對較好、樁基長度適中的情況。例如一些其嵌巖樁，表層為一些較好砂土或者粘性土，荷載較大的情況，通常考慮可以增加樁徑后，增加樁基的水平承載力，這種情況受力比較清晰，容易得到各方理論認可，施工質量容易得到保障。

4.2 后壓漿法

后壓漿一般用于鉆孔灌注樁中，通常用于樁基長度較長，大于20 m，地質條件以砂土層、黏土層相互交互的條件中，在地震烈度較高或者風荷載較大，結構受水平荷載作用較明顯。這種情形下，一般采用后壓漿法，具體施工措施如下：在機械成孔后，在樁基的鋼筋籠外側綁扎直徑25 mm注漿管，注漿管的高度根據地勘報告確定其位置，通常選擇在砂土層側，注漿點可以選擇兩處或者三處，具體根據實際設計要求，一般至少選擇兩處。如果為較大提高水平承載力，可盡量考慮上，如為既提高豎向承載力同時也提高水平承載力，則可沿樁基全高設置注漿點。注漿管隨鋼筋籠下沉至孔中，待澆筑樁基混凝土2天后，受先進行用清水進行沖洗，保障注漿孔通常，待混凝土7天初凝后開始采用高標號水泥砂漿記性注漿，注漿的多少由注漿泵壓力進行控制，同時密切注意地表是否有砂漿溢出，則停止注漿。

在實際工程操作中，應選用有經驗的施工隊伍，進行控制，設計中，應充分論證土層的厚度因素以及是否為砂土層，如果為純粘性土或者淤泥層，應仔細論證其實用性。

根據以往工程經驗，采用后壓漿后，樁基的豎向和承載力可提高，目前這種工藝也非常純熟，應用也越來越廣。

4.3 采用表層土固化方法

表層土固化，在我國南方某些省市得到了很廣泛的利用。現以江蘇連云港為例，那里的工業園區大部分為蝦池和鹽場，表層淤泥層承載力很低，基本處于流塑狀態，厚度很大，一般在15 m作用，場地類別通常在IV類，特征周期為0.9 s，地質條件極其惡劣，且腐蝕性非常嚴重。為此，當地對此等類型地基通常采用固化劑來固化表層土：一是可以提高樁基的水平承載力；另一個是為現場施工提供機械條件，在實際工程操作中取得了較好的效果。

固化土設計，首先，固化劑應選用正規廠家產品，固化劑的摻量應根據廠家說明書和設計要求，進行配置，施工必須要由經驗施工隊伍施工，最主要的參數，固化厚度，通常情況下根據設計的要求，考慮的因素為表層的土的力學特性，采用樁型直徑的大小，以及當地的實際經驗，一般可以采用2×(D+1)，其中D為樁基直徑，一般情況下，不小于1.5 m，固化范圍，樁基外側最小不小于1.5 m。固化土是提高樁基水平承載力最有效也是最經濟方法之一。固化劑來固化表層土，是最有效的方法也是最直接的方法，希望這種方法在全國其他地方能繼續推廣并應用。固化的同時，不單單提高樁基的水平承載力，同時也能提高樁基的豎向承載力。

4.4 采用斜樁來提高承臺整體抗傾覆

這種情況通常用于碼頭及港口中，采用斜樁的水平分量，來提高整體的抗推功能，但在陸地項目中應用不多，主要受施工機具等影響，操作起來比較復雜，難以實現，故在此不再進行論述。

5 結語

綜上所述，石油化工冷換設備和容器樁基的水平承載力問題，在近年來越來越收到重視。隨著走出去，國家的基礎設施公司，逐步進入國際市場，那我們的設計理念也將逐漸與國際進行接軌。在國際項目中，甚至直接用基底剪力的標準值除以樁基的水平承載力特征值，其他因素均為安全因素，在計算中不予考慮。為此，越來越多的大型設計院越來重視樁基數量的控制一般都是由水平承載力來控制，而不是簡單地由豎向力控制樁基的數量，使得結構的整體安全性得到了更多的保障。

但是在提高樁基水平承載力措施上必須因地制宜，根據實用荷載的要求、土層的厚度、樁基的長度、地震烈度等綜合因素，統籌考慮，最終選出合適的方法，既能保證結構安全，又能使得結構造價不至于過度沉重，使得項目容易向前推進。