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大型水泥廠建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及地基處理(1)

2000-12-20 00:00

京陽(yáng)水泥廠為5000t/d熟料的特大型干法水泥廠,其主生產(chǎn)線上建(構(gòu))筑物多為重型結(jié)構(gòu),受力復(fù)雜。該廠廠址緊靠長(zhǎng)江大堤,地表上部覆蓋淤泥質(zhì)軟土,厚度達(dá)30m~35m,基巖埋置深度為40m~50m,其中還有相當(dāng)部分的場(chǎng)地是由河塘新近堆填而城,土質(zhì)情況更差。為了使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在既滿足工藝設(shè)備需要、結(jié)構(gòu)又安全可靠的前提下做到經(jīng)濟(jì)合理,我們對(duì)于使用要求負(fù)載形式及大小不同的結(jié)構(gòu),根據(jù)實(shí)際情況,采用了不同的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案和地基處理方案,現(xiàn)就不同方案的設(shè)計(jì)思想及工程實(shí)踐作一介紹。
1 嵌巖鉆孔灌注樁基礎(chǔ)
1.1 樁基類型的選擇
  根據(jù)京陽(yáng)廠場(chǎng)地的工程地質(zhì)特點(diǎn),重負(fù)荷車間必須采用樁基礎(chǔ),但選用何種樁型更加合理經(jīng)濟(jì)卻是值得探討的。目前常用的有鋼樁、打入式(或靜壓)鋼筋混凝土預(yù)制樁、鋼筋混凝土鉆孔(或沉管)灌注樁等幾種樁型。
  施工角度看,鋼樁、鋼筋混凝土預(yù)制樁施工工藝較為簡(jiǎn)單,加之制樁在地面進(jìn)行,其樁身質(zhì)量容易保證;而鉆孔灌注樁施工工藝相對(duì)較為復(fù)雜,清孔要求高,且樁身質(zhì)量不易控制。
但從本工程的結(jié)構(gòu)受力及地質(zhì)情況來(lái)看,以采用高承載力的大樁來(lái)承受較大的垂直及水平荷載較為理想。鋼樁及鋼筋混凝土預(yù)制樁因受打樁能力的限制,只能進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層一定量,且樁斷面不易過(guò)大,故其單樁承載力不高。只有鉆孔灌注樁能取用較大直徑的斷面,并將樁端嵌入完整的中、微風(fēng)化巖層,獲得相當(dāng)高的單樁承載力。另外,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的樁平面布置來(lái)看,對(duì)多數(shù)重載車間只能采用密集型的布樁方式,而打入式預(yù)制樁雖然在樁中心距上做了適當(dāng)?shù)目刂?,但在大面積范圍內(nèi)布樁施打還是經(jīng)常出現(xiàn)后打樁將先打樁向外側(cè)或向上隆擠,從而將先打樁推斷或拉斷,因此,選用高承載力、少樁布樁方案明顯優(yōu)于低承載力、多樁數(shù)的布樁方案。
從經(jīng)濟(jì)比較來(lái)看,就本工程而言,由于打入式鋼樁、打入式鋼筋混凝土預(yù)制樁、沉管灌注樁等幾種樁型的單樁承載力不高,樁數(shù)明顯增多,故材料用量大,單價(jià)較高;而鉆孔灌注樁單樁承載力較高,樁數(shù)較少,材料用量相應(yīng)下降,且單價(jià)較低。綜上所述,可知鋼樁最貴,鋼筋混凝土預(yù)制樁其次,鉆孔灌注樁最便宜,且鉆孔灌注樁直徑越大越經(jīng)濟(jì)。以熟料、生料及水泥七座筒倉(cāng)為例,當(dāng)采用大直徑鉆孔灌注樁時(shí),基樁工程造價(jià)為1500萬(wàn)元左右,而當(dāng)采用打入式鋼筋混凝土預(yù)制樁時(shí)工程造價(jià)則為2400萬(wàn)元左右,二者相差900萬(wàn)元。從全廠的樁基工程來(lái)看,按保守的方法計(jì)算,采用鉆孔灌注樁比采用打入式預(yù)制樁至少能節(jié)省費(fèi)用2000萬(wàn)元以上。通過(guò)各方面的分析比較,我們認(rèn)為,只要相應(yīng)采取一些技術(shù)及管理措施,克服鉆孔灌注樁施工的不利影響,京陽(yáng)工程選用以大直徑鉆孔灌注樁為主的樁型是最優(yōu)化的設(shè)計(jì)選型。
1.2 樁基設(shè)計(jì)及承載力的確定
  根據(jù)全廠建(構(gòu))筑物的不同,我們分別采用了直徑為1.2m、1.0m、0.8m、0.6m的鉆孔灌注樁,其中大部分為φ1.2m的樁型。一般來(lái)說(shuō),單樁承力使用得越高,其經(jīng)濟(jì)效益就越好,而采用嵌巖灌注樁,通過(guò)嵌巖段的側(cè)阻力和樁端阻力來(lái)獲取較高的單樁承載力是最好的方法。但是,鉆孔灌注樁的主要缺點(diǎn)之一就是孔底沉渣清理困難,并且這一缺陷又直接導(dǎo)致樁端阻力的急驟下降,對(duì)這個(gè)問(wèn)題怎么認(rèn)識(shí),又何解決這一問(wèn)題?讓我們先來(lái)分析一下嵌巖灌注樁的承載情況:嵌巖樁的垂直承載力由土的總側(cè)阻力、嵌巖段總側(cè)阻力及樁端阻力三部分組成,其荷載傳遞主要與樁的長(zhǎng)徑比及嵌巖深度有關(guān)。對(duì)于粗短的嵌巖樁,在外荷載的作用下樁端阻力較樁側(cè)阻力先期發(fā)揮出來(lái),且樁端阻力占承載力的主要部分,這是典型的端承樁;但對(duì)于京陽(yáng)工程這種樁長(zhǎng)徑比大于35的情況而言,在外荷載的作用下則是樁側(cè)阻力先于樁端阻力發(fā)揮出來(lái),且以樁側(cè)阻力(包括樁側(cè)土層及嵌巖段的側(cè)阻力)占承載力的絕大部分,與摩擦型樁類似,而且當(dāng)嵌巖深度大于樁徑5倍時(shí),其樁端阻力幾乎接近于零。因此,對(duì)于這種長(zhǎng)徑比較大的嵌巖樁,除了設(shè)計(jì)上嚴(yán)格控制沉渣厚度、施工上采用較為先進(jìn)的清渣工藝外,利用其嵌巖段側(cè)阻力大、端阻力小的特點(diǎn)設(shè)計(jì)上嚴(yán)格控制沉渣厚度、施工上采用較為先進(jìn)的清渣工藝外,利用其嵌巖段側(cè)阻力大、端阻力小的特性,將嵌巖深度控制在一定范圍內(nèi),則可以認(rèn)為孔底沉渣對(duì)承載力的影響是很小的,為此,對(duì)樁長(zhǎng)徑比大于3.5、φ1.2m的樁型,我們將嵌入中等風(fēng)化巖的最大深度為5.2m(4.33D),根據(jù)規(guī)范提供的估算公式,求得單樁垂直極限承載力為Quk=20692kN,其中樁側(cè)土層的側(cè)阻力占29.3%,嵌巖段側(cè)阻力占66.3%,而樁端阻力僅占4.4%。為了對(duì)估算的單樁承載力進(jìn)行驗(yàn)證,以獲得真實(shí)的承載力,我們亦進(jìn)行了試樁,試樁結(jié)果見(jiàn)下表。
 樁 樁徑m  樁長(zhǎng)m 樁長(zhǎng) 樁端嵌入中風(fēng) 單樁豎向極限 相應(yīng)沉降量mm
 號(hào)        徑比  化巖層厚度m  承載力/kN
 S4  1.2  47.2  39.3  4.26     18278   29.4
 S5  1.2  44.2  36.8  5.25     20023   29.7
  從表1可以看出,當(dāng)嵌巖深度小于5D時(shí),這種長(zhǎng)徑比大的樁,其承載力是隨嵌巖深度增加而增加的,也就是說(shuō)靠嵌巖段側(cè)阻力的增加來(lái)提高承載力,而端阻力對(duì)承載力的影響卻很小,這種特性與我們的理論分析是一致的。
  由于本場(chǎng)地土屬7度抗震設(shè)防區(qū),且處于長(zhǎng)江巖邊空曠地帶,其水平地震力或風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力都是不小的,而地基上部覆蓋層卻為很厚的淤泥質(zhì)軟土,相應(yīng)的地基土水平彈性抗力小,因此,采用大直徑的樁基來(lái)承受水平荷載,不但是必須的,且是經(jīng)濟(jì)的,相應(yīng)的地基土水平彈性抗力小,因此,采用大徑的樁基來(lái)承受水平荷載,不但是必須的,且是經(jīng)濟(jì)的,這也是我們考慮確定采用大直徑鉆孔樁的重要原因之一。單樁水平承載力估算則是根據(jù)樁與承臺(tái)及地基土共同工作的原理,利用樁本身的剛度和地基土的水平彈性抗力來(lái)求得的;水平承載力試樁時(shí)采用的是臨界荷載及樁頂水平變位的雙探標(biāo)準(zhǔn),其結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合。
1.3 嵌巖鉆孔灌注樁的施工工藝及收鉆標(biāo)準(zhǔn)的確定
  根據(jù)不同的地質(zhì)情況確定合理的鉆進(jìn)工藝是鉆孔灌注樁施工的關(guān)鍵之一,目前有正循環(huán)及反循環(huán)兩大鉆進(jìn)工藝。采用正循環(huán)工藝施工時(shí),護(hù)壁泥漿是由鉆孔中心的導(dǎo)管通過(guò)一定的壓力注入至孔底的,孔底泥漿在壓力作用下將沉渣向四周排擠并一同沿孔周壁不斷上返,因而對(duì)孔道壁產(chǎn)生一定的正壓力,對(duì)防止孔壁坍塌起到了積極的作用,但其對(duì)沉渣清理的效果不是太好。而反循環(huán)鉆進(jìn)工藝是利用泥漿池與孔口的高度落差,使護(hù)壁泥漿沿鉆孔四周流入孔道,再由孔中心的吸力泵通過(guò)導(dǎo)管將泥漿及沉渣一起抽出,形成循環(huán)??妆谒闹艿哪酀{是由上而下流動(dòng),因而對(duì)孔壁產(chǎn)生一定的負(fù)壓力,特別是當(dāng)泥漿補(bǔ)給跟不上吸力泵的抽漿速度時(shí),孔道內(nèi)泥漿面標(biāo)高急驟下降,孔道內(nèi)的部分高度形成了“空孔” ,孔壁上的負(fù)壓力值急率亦相對(duì)較小,而本工程的地質(zhì)特點(diǎn)昌:游泥質(zhì)軟土護(hù)壁困難,收鉆前樁端沉渣不易清理,但鉆進(jìn)時(shí)切削下的土、巖渣粒徑卻不大,無(wú)需提心二次破碎的問(wèn)題。筆者經(jīng)過(guò)慎重的考慮,并與建設(shè)單位協(xié)商討論,確定了本工程采用以正循環(huán)工藝鉆進(jìn),收鉆時(shí)以反循環(huán)吸力泵清理樁端沉渣的綜合施工工藝,并以是否具備按此工藝施工的能力作為招、投標(biāo)時(shí)的重要依據(jù),從而保證了能夠較好解決孔壁坍塌、樁端沉渣清理困難的問(wèn)題,為單樁高承載力的獲得奠定了基礎(chǔ)。

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