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

京陽水泥廠為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)濟合理，我們對于使用要求負(fù)載形式及大小不同的結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際情況，采用了不同的基礎(chǔ)設(shè)計方案和地基處理方案，現(xiàn)就不同方案的設(shè)計思想及工程實踐作一介紹。
1 嵌巖鉆孔灌注樁基礎(chǔ)
1.1 樁基類型的選擇
　　根據(jù)京陽廠場地的工程地質(zhì)特點，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)情況來看，以采用高承載力的大樁來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)入強風(fēng)化巖層一定量，且樁斷面不易過大，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)計的樁平面布置來看，對多數(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)目刂疲诖竺娣e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)濟比較來看，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。以熟料、生料及水泥七座筒倉為例，當(dāng)采用大直徑鉆孔灌注樁時，基樁工程造價為1500萬元左右，而當(dāng)采用打入式鋼筋混凝土預(yù)制樁時工程造價則為2400萬元左右，二者相差900萬元。從全廠的樁基工程來看，按保守的方法計算，采用鉆孔灌注樁比采用打入式預(yù)制樁至少能節(jié)省費用2000萬元以上。通過各方面的分析比較，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)計選型。
1.2 樁基設(shè)計及承載力的確定
　　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。一般來說，單樁承力使用得越高，其經(jīng)濟效益就越好，而采用嵌巖灌注樁，通過嵌巖段的側(cè)阻力和樁端阻力來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，對這個問題怎么認(rèn)識，又何解決這一問題？讓我們先來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徑比及嵌巖深度有關(guān)。對于粗短的嵌巖樁，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，且樁端阻力占承載力的主要部分，這是典型的端承樁；但對于京陽工程這種樁長徑比大于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，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，其樁端阻力幾乎接近于零。因此，對于這種長徑比較大的嵌巖樁，除了設(shè)計上嚴(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、端阻力小的特點設(shè)計上嚴(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)為孔底沉渣對承載力的影響是很小的，為此，對樁長徑比大于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%。為了對估算的單樁承載力進(jìn)行驗證，以獲得真實的承載力，我們亦進(jìn)行了試樁，試樁結(jié)果見下表。
　樁 樁徑m 　樁長m 樁長 樁端嵌入中風(fēng) 單樁豎向極限 相應(yīng)沉降量mm
　號 　　　　　　　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，這種長徑比大的樁，其承載力是隨嵌巖深度增加而增加的，也就是說靠嵌巖段側(cè)阻力的增加來提高承載力，而端阻力對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。
　　由于本場地土屬7度抗震設(shè)防區(qū)，且處于長江巖邊空曠地帶，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承受水平荷載，不但是必須的，且是經(jīng)濟的，相應(yīng)的地基土水平彈性抗力小，因此，采用大徑的樁基來承受水平荷載，不但是必須的，且是經(jīng)濟的，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求得的；水平承載力試樁時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，護壁泥漿是由鉆孔中心的導(dǎo)管通過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，因而對孔道壁產(chǎn)生一定的正壓力，對防止孔壁坍塌起到了積極的作用，但其對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，使護壁泥漿沿鉆孔四周流入孔道，再由孔中心的吸力泵通過導(dǎo)管將泥漿及沉渣一起抽出，形成循環(huán)。孔壁四周的泥漿是由上而下流動，因而對孔壁產(chǎn)生一定的負(fù)壓力，特別是當(dāng)泥漿補給跟不上吸力泵的抽漿速度時，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)壓力值急率亦相對較小，而本工程的地質(zhì)特點昌：游泥質(zhì)軟土護壁困難，收鉆前樁端沉渣不易清理，但鉆進(jìn)時切削下的土、巖渣粒徑卻不大，無需提心二次破碎的問題。筆者經(jīng)過慎重的考慮，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題，為單樁高承載力的獲得奠定了基礎(chǔ)。