某鋼鐵廠退城搬遷項目樁基處理實踐

文／李鐵軍、劉明昊、劉琦 唐鋼國際工程技術有限公司 河北唐山 063000

鐘 冉 唐鋼國際工程技術有限公司 河北唐山 063000

劉慶云 天柱鋼鐵集團公司 河北唐山 063000

1.項目基本情況

某鋼鐵廠退城搬遷項目主要建設內容為智能化綜合料場；2x318m2燒結機；鏈篦機-回轉窯球團生產線1 條；2x1780m3高爐；2x140 噸轉爐；大、中型H 型鋼生產線各1 條；小H 型鋼生產線2 條；并配套發電、制氧、水處理、煤氣柜、供配電、能源調度中心、研發中心及檢化驗中心、綜合辦公樓、職工生活區、活動中心、食堂、浴池等生產輔助設施及生活配套設施。項目年產鐵300萬噸，鋼坯280 萬噸，型鋼（材）290 萬噸。

根據相關規定，項目的地基基礎設計等級為乙級，場地復雜程度等級及地基復雜程度等級均為二級、工程的重要性等級為二級，巖土工程勘察等級為二級。

2.場地地質條件

該項目建設場地位于唐山市樂亭縣京唐港境內，占地3.49 km2，東西長約2.9km，南北長約1.2km。境地內主要為中生界、新生界沉積層。地面為燕山褶皺帶南緣、渤海北岸濱海平原，其平原為灤河沖擊扇和濱海平原兩部分組成。基巖埋深800-1000m，場地地勢平坦，起伏較小。

地層組成主要為素填土、粉質黏土、粉細砂、細砂。按埋藏深度、巖性特征、物理力學性質分為13 個地質主層，1 個地質亞層。場地土除第①層素填土外，其它各層均可作為天然地基使用[1]。場地各土層承載力特征值及物理力學參數見表1。

表1 各土層承載力特征值表

3.項目的荷載條件及特點

根據擬建建（構）筑物的荷載大小及使用性質的不同可以分成三種類型：（1）垂直荷載較大的建（構）筑物基礎，如原燃料存儲車間、高爐車間、轉爐煉鋼車間等基礎；（2）垂直荷載及水平荷載均較大的建（構）筑物基礎，如原料高架儲倉、高爐礦焦槽、煙囪、事故水塔等；（3）一般荷載條件的各類廠房基礎、設備基礎等。分類的目的在于區別不同情況，分別采用不同的地基處理方案，選擇不同的樁型及規格。

4.地基處理方案的選擇

根據巖土工程勘察報告，各土層的端阻及側阻值如表2。

表2 預制（灌注）樁設計參數

根據以上勘察報告給出的樁設計參數，以PHC500 AB(125)-14m 管樁為例進行了計算，獲得了初步的計算結果。

計算以煉鐵區地質剖面23-23′之102 探孔及剖面42-42′之188 探孔為例，以第⑥層為樁端持力層進行。PHC500AB(125)-14m 樁的承載力極限值計算結果分別為1909kN/樁及1873kN/樁。根據設計經驗，這樣的樁基承載力計算結果，在高爐及煉鋼等豎向荷載較大的建（構）筑物中使用預制管樁，樁的布置將十分困難。為了客觀評價場地土的物理力學性能，準確確定巖土技術參數，重點做了以下幾方面工作：

4.1 有針對性的試樁試驗工作

此項工作的關鍵是獲得試驗數據，提供可靠的設計依據。為此，分別進行了預制管樁（PHC）、預制竹節樁、現澆灌注樁、現澆灌注支盤樁等四種樁型、幾個規格樁的試樁實驗，獲得了相應的豎向承載力參數[2]，見表3。

表3 預制、灌注樁（試樁）承載力極限值明細表

把計算結果與表3 進行對比可知，在現行規范體系下，本場地單樁豎向承載力理論計算值要遠小于現場試驗值。僅以預制管樁PHC-500AB（125）為例，其極限承載能力的理論計算值為1908kN/樁，而試樁實驗則值為4500kN/樁，后者是前者4500/1908=2.38 倍。

（1）現澆灌注樁：直徑?800mm，長度為38m 的灌注樁，以第⑧層為樁端持力層，極限承載力為7250kN。由于樁長較長，其具有在深度空間上靈活調節的優點，可以根據不同的荷載使用要求酌情調整樁長,靈活選擇第④或第⑥層作為持力層。由于其同時具有較好水平承載力的優點，更適于本文“3”荷載分類的第二種類型，即豎向荷載及水平荷載要求都比較高的情況，如原料場高架儲倉基礎、礦焦槽料倉基礎等。

（2）預制管樁（PHC）:根據實驗，預制管樁（PHC）在樁長13m 至15m 的深度范圍，以第⑥層為樁端持力層，獲得了較高的承載力。PHC400 管樁為2600kN（極限值）；PHC500AB（125）管樁為4500kN（極限值）；PHC600AB（130）管樁為5400kN（極限值）。根據上述數據，預制管樁應用到承載力要求較高的高爐、熱風爐、礦槽、轉爐基礎的地基處理成為可能。根據2000m3級高爐荷載的工程經驗，其總荷載在300000kN 左右。要在25m-30m 見方的基礎范圍內布置單樁承載力特征值2200kN 的PHC 管樁，獲300000kN 地基承載力，完全可能。高爐基礎的樁基設計方案，以2000 mm的樁間距在26mx26m 的平面上布置了196 根PHC500AB（125）管樁，獲得430000kN 承載力，成功在高爐樁基采用預制管樁。

預制管樁（PHC）的試驗數據為豎向承載力較高，水平承載力要求相對較低的高爐、熱風爐、煉鋼廠房、軋鋼廠房、連鑄及軋鋼基礎的地基處理提供了很好的選擇空間。同時，由于擁有了小規格PHC400 預制樁的試驗數據，又為眾多一般荷載條件下的建（構）筑物地基處理提供了廣闊的選擇空間。

（3）現澆支盤樁：根據表3 的實驗數據，支盤樁并未獲得更高的承載力，而其在砂層中成孔的不穩定性缺點卻較為明顯，質量及進度的可控風險大大增加。此工法的應用，其場地條件的適用性不可忽視，場地砂性土的特點必須充分考量。加之附近某鋼鐵廠采用此樁型，壓樁檢驗時出現數據較大離散（大批量壓樁檢驗不合格）的現象，直接為我們做了預先警示，因而本工程未予采用。

（4）預制竹節樁：預制竹節樁作為新樁型的應用，其理論計算與實際壓樁檢數據間的吻合性驗尚待試樁檢驗驗證，需要一個積累過程。根據生活區宿舍樓工程樁的試樁檢驗結果，其承載力并不比普通PHC 管樁更高（反映的是端承能力為主），樁檢測數據對其側阻提高25%的建議（經驗數據）并未提供支持。其對場地土巖性特點的適用性同樣存在局限性，明顯地，砂性土地質條件下沉樁貫入難度大的問題突出，碎樁（頭）比例較大是不可忽視的問題。基于以上原因，除前期的生活區宿舍樓部分采用外，生產線區域沒有采用預制竹節樁方案。

4.2 充分的方案比較論證

結合項目地質勘察情況及試樁報告結果，根據擬建建（構）筑物的荷載大小及使用性質，對地基處理方案進行充分論證、比選，力求設計、實施方案合理可靠，保證結構安全性的同時節省建設投資。通過論證，地基處理方案主要采用了預制PHC 管樁、現澆灌注樁、CFG 樁等3種樁型[3]。

以高爐為例，截止目前，港區內幾個鋼鐵企業的200 0m3級高爐的地基處理方式均為鋼筋混凝土灌注樁，這是各設計院普遍慣常的設計做法。業主單位與設計院技術人員根據試樁報告結果，結合設計經驗，經過反復進行技術、經濟指標對比、分析，決定在高爐本體、熱風爐、轉爐煉鋼車間等的樁基設計中使用預制管樁（PHC）。首先在高爐及熱風爐基礎的地基處理中采用了PHC 樁，并以靜載試驗方式進行試樁檢驗，獲取工程樁的客觀檢驗數據，進一步驗證試樁成果的可靠性。形成了一個提出初步處理方案—進行理論計算—試樁獲取數據—確認處理方案—設計并實施—工程樁試樁檢驗獲得驗證的邏輯鏈條。

4.3 可靠的技術指標確定

為了確保工程安全，遵循“基于試樁成果，留有安全儲備，確保地基安全”的原則并考慮施工離散性的實際，在樁基設計中，必須安全可靠地確定樁的承載力指標。為此，我們在試樁實際數據的基礎上適當地調整了承載力標準，把PHC400 的承載力特征值取為1100kN/樁（1100/2600）；PHC500 的承載力特征值取為2200kN/樁（2200/4500）；PHC600 的承載力特征值取為2600kN 樁（2600/5400）。使各規格樁的承載力特征值與極限值之比均小于0.5，以確保安全。

4.4 有針對性的設計方案選擇

此項工作的主要目的是堅持區別對待的原則，根據上部結構及荷載條件的不同，做好樁基方案的選定，把好從平面布置到樁型及規格選定關。這里，重點是針對不同的荷載要求，選定不同的樁型及規格，努力實現技術與經濟合理性的統一。

4.5 嚴格的過程控制

此項工作的重要意義在于提高過程控制（特別是施工）對工程實體質量的極端重要性的認識及保障。考慮到在2000m3級高爐地基處理上采用預制管樁（PHC）在業內經驗積累不足，地勘報告及現有計算體系的計算結果與試驗數據相差較大，進而成為設計人員乃至業主方擔心的主要問題。為此，具體實施中，在嚴格施工工序及技術要求的基礎上，適當（尤其是在初期）加大了靜載壓樁抽檢的比例，為試樁成果提供進一步的檢驗數據。形成基于試樁成果的設計方案選定—基于與試樁工序一致的施工工序保障—以試樁檢驗為可靠驗證的方案可行性的系統保障鏈條。

在做好上述幾項基礎性工作的前提下，經過慎重決策，在高爐基礎設計中率先使用了PHC500 管樁，并及時以試樁試驗的方法檢驗工程樁的承載能力，獲得肯定結論后進行了更大范圍的推廣使用。根據對近4.5 萬根不同樁型、不同規格的工程樁的比例抽樁檢驗，其試樁抽檢檢驗合格率達到99.9%以上，表明決策是正確的，過程控制是有效的，整個項目的地基處理方案是成功的。

結語：

目前項目已建成投產將近兩年時間，建（構）筑物使用效果良好，結構安全性得到驗證，證明地基處理方案是合理的，可為今后類似項目的建設實施提供借鑒指導。

通過該項目的地基處理實踐，總結以下兩點體會：

（1）關于砂土地質條件下PHC 樁基方案的選擇

該場地的地質土主要為中密到密實的粉砂、細砂土質（局部夾層為厚度較小的粉質黏土）。PHC 管樁地基處理方案中，端阻利用的目標持力層就是具有代表性的第⑥層，為密實砂土。以高爐所在位置的23-23 剖之102孔第⑥層為例，其標貫擊數達到35 至42 擊以上，而42-42 剖之188 孔第⑥層則達到55 擊以上。重力密度22.0kN/m3，剪切波速280m/s,地耐力220kPa,埋藏深度13～14m，絕對高程在—10～—11m 左右，厚度8m 左右，分布均勻。下部為穩定的第⑧層（沒有第⑦層），標貫擊數達55-60 擊上。上部土層除第①層外，各土層的重力密度在18.2 kN/m3至19.0 kN/m3之間，剪切波速均在170m/s 至260m/s 之間。這樣的土質及土層分布，雖然理論計算的單樁承載力較低，但PHC 樁的試樁結果卻高出很多，而且大部分樁長都可選在15 米以內。這樣的樁長選擇空間，即能保證進入到預定持力層一定深度，又避免了接樁的可能。也就是說，PHC 管樁很適宜用于該場地的地基處理。

（2）關于堅持區別對待的原則

在總體處理方案已經確定的情況下，如何根據具體的地質條件及其上部結構的荷載情況選擇樁型規格乃至布置數量，在滿足受力條件的前提下，合理布樁，提高經濟指標是一項重要且細致的工作，也是應有的目標設定。除了對各主要建（構）筑物樁基設計按既定原則選擇PHC樁外，高爐礦焦槽、料場高架儲倉等豎向荷載及水平荷載都較大的樁基設計，采用了灌注樁方案。而對一般荷載條件下的建（構）筑物地基基礎設計則主要進行合理性把關，主要是從樁型規格及布樁方案上進行優化，不排除天然地基設計方案，從而避免 “冗余”設計的出現。