复杂地质条件下综合地基处理技术的 研究与应用

阮 虹 石长元 王晓峰 唐 丹 郭 娇 钱俊豪

1.中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041； 2.中冶赛迪建筑市政设计有限公司,四川 成都 610041

0 前言

随着经济发展和社会进步,在工程建设领域,地基处理技术不断发展并被广泛应用。通常情况下,在国家能源储备工程中,基于战略的考量,基地选址受限较多,地质条件比较复杂,地基处理难度大。本文以某储备基地工程为例,针对厚度严重不均的Ⅳ级自重湿陷性黄土地质条件,介绍了多种地基处理技术和地基基础方案综合应用的技术,突破了以往单一的处理方式,具有良好的经济和社会效益，为该类地区地基及基础综合处理提供了借鉴。

1 工程地质条件

1.1 地质构造

某储备基地工程建设10×104m3钢制双盘式外浮顶储罐30座。基地场区在大地构造上位于祁连褶皱系祁连中部隆起之东部,区域上褶皱轴向和断裂走向主要以NWW、NNW向为主。拟建场区次一级构造单元隐伏基地隆起剖面图见图1。

图1 场地隐伏基地隆起剖面图

1.2 地层分布

原始自然地貌高低不平,上部土层为Ⅰ级非自重湿陷性场地至Ⅳ级自重湿陷性黄土场地,黄土层厚薄不均[1]。回填土厚度变化大且力学性质不均匀,具湿陷性。黄土下部基岩为强风化砂砾岩和强风化千枚岩,基岩埋深不一,坡度有缓有陡。强风化千枚岩,是比较好的地基持力层。3个台阶状罐区的设计地坪距离岩石表面高度有深有浅,多数罐设计地坪下黄土厚度不均,约6～15 m,相邻两钻孔岩石高差3～5 m或6～9 m,岩石坡度高低不平。部分罐设计地坪下黄土厚度较大,约5～23.7 m,岩石坡度较陡,岩石坡度起伏较大。另外罐区自然地坪起伏不平,使同一个罐地基土有挖方也有填方。有个别罐岩石有外露,同时还覆盖≤4.5 m黄土,岩石埋深≤4.5 m,相邻两钻孔岩石高差一般为2～3 m,岩石坡度较平缓。有个别罐岩石虽有外露或接近外露,但该罐的其他钻孔显示岩石埋深>4.5 m,即黄土厚约5～10 m,基岩倾斜度相当大。场区各土层主要力学指标和建议采用值见表1～2。

表1场区各土层主要力学指标

层号土层名称土粒比重GS含水量W/(%)湿密度ρo/(g·cm-3)孔隙比eo饱和度Sr/(%)孔隙度n/(%)液限WL/(%)塑限WP/(%)塑性指数IP(2)黄土2.708.81.530.92526.2647.8624.416.97.5(2)1黄状粉土2.7010.71.451.09027.4151.5425.217.08.2(3)黄土2.7010.61.660.81037.3844.3525.017.47.6

1.3 地基土湿陷性

表2场区各土层主要力学指标建议采用值

层号土层名称直剪粘聚力C/kPa压缩系数Es 0.1～0.2/MPa压缩模量内摩擦角φ/(°)承载力特征值fak/kPa(1)人工填土---70(2)黄土28.210.1415.0135(2)1黄土状粉土26.980.3110.0120(3)黄土29.500.1120.0170(4)砂砾岩---400(4)1泥岩---400(4)2中等风化砂砾岩---800(5)强风化千枚岩---300(6)中等风化千枚岩---1 000

1.4 地质条件分析

罐区普遍存在同一个罐下原状湿陷性黄土和回填土混杂,湿陷土的湿陷程度、厚度不一;同一个罐下的基岩性质不同,有砂砾岩也有强风化千枚岩,二者的极限端阻力不一样;基岩埋深不一,基岩坡度有缓有陡,不少坡度起伏较大,个别罐下有基岩外露出设计地坪以上等情况。

2 地基处理

2.1 初步方案

通过对详勘地质资料的分析,基于储罐荷载大(250 kPa),对不均匀沉降要求高,地质条件复杂,原状黄土含水率低、承载力低、湿陷性、黄土层较厚土层厚薄不等、湿陷土与回填土同时存在、土质不均匀、基岩持力层坡度有缓有陡、不少坡度起伏较大等因素,本着安全经济、方便施工操作及监测的原则,该储备基地工程拟采用高、低能级强夯,强夯+钢筋混凝土钻孔扩底灌注桩,强夯+灰土挤密桩复合地基以及天然地基等方式[6]。

2.2 强夯试夯情况

2.2.1 强夯试夯

按设计要求,强夯后地基承载力特征值≥250 kPa,黄土最深处压缩模量≥25 MPa,在有效影响深度范围内完全消除湿陷性影响[7]。为保证强夯处理地基的效果,根据场地含水情况,强夯前对地基进行预增湿处理[8]。根据不同覆土厚度和不同增湿方式在有代表性区域设置面积为24 m×24 m试夯区(1区、2区、3区、4区)[9]。各高能级试夯区情况见表3。

2.2.2 试夯检测结果

各高能级试夯区检测情况见表4。

表3高能级试夯区情况

高能试夯区强夯能级/(kN·m)覆土厚度/m区域增湿方式含水率改善情况1区16 00015挖方单孔3、4号探井含水率普遍<10 %,1、2号探井上部4 m含水率较高,下部土层含水量基本没有改善2区12 00014填方单孔地膜上部4 m含水率较高,下部含水率偏低,下部土层含水量不均3区8 00011挖方单孔地膜7 m以下存在低含水率区域,下部土层含水量不均4区16 00016挖方打孔灌砂表层3 m土层含水率偏高,下部土层基本在设计含水率范围内,含水率>10 %,强夯有效影响深度达14 m

表4各高能级试夯区检测情况

试夯区布点方式湿陷系数压缩模量平板载荷试验1区8 m×8 m<0.015离散性较大,部分>20 MPa不满足设计要求2区8 m×8 m<0.015,但仍有未消除区域大部分<20 MPa出现大面积橡皮土3区8 m×8 m<0.015离散性较大,部分>20 MPa浅层平板载荷试验达到设计要求4区8 m×8 m<0.015离散性较大,部分>20 MPa浅层平板载荷试验达到设计要求

2.2.3 试夯结论

强夯地基处理后,粉土层各深度地基承载力估算值181～282 kPa；由于储罐载荷较大覆土层范围均为主要持力层[10]；通过载荷试验和标准贯入判定强夯后表层承载力离散性较大[11],深层土承载力不能满足设计要求。综合判定强夯后地基承载力不能满足设计要求。

2.3 桩基试验情况

根据不同岩性和基岩标高共选定4个试桩试验区总计12根桩,试验桩桩径800 mm干作业钢筋混凝土钻孔灌注桩[12]。通过低应变检测,12根试桩桩身完整全部为Ⅰ类桩;通过高应变检测,单桩竖向承载力特征值均>3 000 kN,满足设计要求;通过载荷试验检测,单桩竖向承载力特征值均大于3 000 kN,满足设计要求。桩身完整性和单桩竖向承载力特征值均满足设计要求。

2.4 最终方案

2.4.1 采用处理方式

由于地基情况复杂,虽然采取了多种注水方式及保证措施,注水试验效果并不理想,无法达到预期效果。说明在特别复杂地质条件下,在不能保证大面积注水成功的前提下,单纯的强夯地基处理存在不确定性。同时由于场区平整前大部分地段位于缓丘区,地势西高东低、北高南低,下部基岩面起伏很大,局部存在基岩突变,即使通过强夯地基处理,对压缩模量、湿陷性消除情况进行改善,仍然存在不均匀沉降的可能。因此,为确保工程质量和安全,统筹考虑工期因素,针对各罐不同的地质情况,综合应用不同的处理方式。

2.4.1.1 天然地基

天然地基处理方式的设计思路来源于换填垫层法和“木桶”受力模型,混凝土挡墙相当于桶壁,混凝土挡墙外侧土层相当于桶箍。该处理方式在国内同类工程中首次使用,使用前仔细分析研究了其受力模型、受力特点,计算了储罐的侧压力、土的推力、挡墙底部的摩擦力以及风和地震作用等产生的水平力,在此基础上反复验算了基础的抵抗能力[17];经过多次优化,挡墙由开始的外台阶式优化为内台阶式。经专家论证认为该处理方式能够确保储罐的安全，换填量减少约10 000 m3,土方开挖量减少约4 000 m3,缩短工期约30 d。

2.4.1.2 天然地基+桩基

4座储罐基础下部分岩石外露或接近外露,但另一部分覆盖一定厚度的黄土层(黄土厚5～12 m),采用一半天然地基一半桩基的处理方式。具体方法是黄土层部分先低能级强夯再打桩做钢筋混凝土承台,承台与天然地基进行搭接,并在承台内设计部分锚拉钢筋与天然地基进行拉结,岩石外露部分凿掉至环墙底部标高。

根据GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》“同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基”的规定,因场地土类型对抗震有利、开挖工程量浩大、施工难度大,设计时综合计算风荷载、地震作用等产生的水平力以及基础的抵抗能力,竖向荷载由基岩和嵌岩桩基共同承担,水平荷载由承台周边回填土、基岩与承台板的摩擦力、抗剪墩和嵌岩桩共同抵抗。该处理方式避免了石方爆破与重新回填、布桩等工序,缩短了工期,节约了投资[18]。

2.4.1.3 全部桩基

18座储罐基础下黄土层覆盖厚度最深处超过10 m,底部基岩面高差也较大,岩石坡度较陡,采用全部桩基处理方式。该类储罐基岩坡度为1∶7或1∶6,岩石坡度起伏变化较大,同一个储罐地基土有挖方也有填方,且局部填方很厚。具体方法是将湿陷性黄土较厚、基岩埋深大、基岩坡度大的罐,先高能级强夯,再做桩基加钢筋砼承台，承台上做钢筋混凝土环墙基础。

由于大部分桩基桩身长度较短,无法作为提供反力的锚桩,为达到抽检的效果,根据要求不能提前指定桩号,这使得单独做锚桩也存在困难。同时由于当地依托条件较差，试验设备数量不足,采用堆载方式全部试验需要时间较长。根据JGJ 106-2003《建筑基桩检测技术规范》,经计算分析,在桩基检测中采用高应变辅助检测法进行承载力检测。

2.4.1.4 强夯

1座储罐部分基础下黄土覆盖层厚度5～10 m,土层厚度相对均匀,回填土相对不厚,采用增湿+高能级强夯的方式处理[19]。具体方法是先进行高、低能级强夯,然后进行检测，合格后再进行计算预抬高尺寸,最后直接做钢筋混凝土环墙基础。

通过仔细分析强夯和同类工程强夯数据,论证了大型储罐基础强夯处理的适用范围以及预增湿强夯法地基处理方案。如果储罐的地基土层相对均匀，厚度适中,基岩坡度平缓,地基土含水率合适,预增湿效果较好,运用强夯技术是合适的[20]。但对复杂地质条件下厚度严重不均的高等级湿陷性黄土,如存在预增湿注水工程量大、预增湿均匀难度大、控制难度大等不确定性因素,单纯的强夯很难达到设计要求。对于地基覆土较浅且基岩起伏较小情况,通过周密的预增湿技术措施,加上设计和施工控制措施到位,强夯能满足设计要求。

2.4.2 未采用方式

2.4.3 最终方案汇总

最终地基处理方案汇总见表5。该储备基地工程通过综合应用多种地基处理技术和基础处理方式,节省工程投资4 600万元。

表5最终地基处理方案汇总表

罐号地基处理方案土层厚度/m基岩最大坡度/(%)备注G-11001强夯+钢筋混凝土灌注桩12.90～17.2014.3填土分布少G-11002强夯+钢筋混凝土灌注桩10.10～15.0014.0填土分布少G-11003强夯+钢筋混凝土灌注桩3.20～8.8020.0填土分布少G-11004强夯+钢筋混凝土灌注桩8.30～13.6010.4填土最大厚度2.2 mG-11005强夯+钢筋混凝土灌注桩6.60～15.9019.6填土分布少G-11006强夯+钢筋混凝土灌注桩4.40～11.7020.2填土分布少G-11007强夯+钢筋混凝土灌注桩7.90～14.7015.6填土最大厚度5 mG-11008普夯+钢筋混凝土灌注桩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强夯+钢筋混凝土灌注桩5.90～13.0013.4填土最大厚度4.1 mG-11011强夯+钢筋混凝土灌注桩8.20～14.0018.9填土最大厚度6.2 mG-11012强夯+钢筋混凝土灌注桩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+钢筋混凝土灌注桩1.10～10.8024.1填土分布少G-11015天然地基+钢筋混凝土灌注桩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+钢筋混凝土灌注桩0.60～12.0042.5填土最大厚度4.8 mG-11019强夯+钢筋混凝土灌注桩15.50～20.2020.8填土分布少G-11020强夯+钢筋混凝土灌注桩8.20～15.5018.7填土最大厚度3.7 mG-11021强夯+钢筋混凝土灌注桩8.50～16.7025.1填土分布少G-11022强夯+钢筋混凝土灌注桩18.20～26.3025.4填土分布少G-11023强夯+钢筋混凝土灌注桩15.80～19.7013.9填土分布少G-11024强夯+钢筋混凝土灌注桩11.40～16.0018.2填土最大厚度7.1 mG-11025增湿后高能级强夯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强夯+钢筋混凝土灌注桩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+钢筋混凝土灌注桩0～12.7054.5填土局部分布

3 结论

1)针对复杂地质条件,综合运用多种地基处理技术和基础处理方式,不但技术上可行,而且社会、经济效益显著。

2)采用预增湿强夯法处理土层含水量偏低的湿陷性黄土,技术上可行,但大面积不均匀土层的预增湿效果难以保证。

3)通过试夯，提供工程所需的最优强夯参数,编制可操作性强的强夯施工技术规定，对大面积强夯施工质量极为重要。

4)强夯法对于处理不均匀地基效果明显。

5)在湿陷性黄土地基尤其是土层含水量较低时,在桩基前采用强夯进行预处理,无论是对桩基施工质量还是基桩受力都极有利。

6)根据建构筑物对地基的不同要求,同时考虑各种地基处理方式对设备机具、场地等施工条件的要求,有区别地选用最优地基处理方式。