1、浅谈钻孔灌注桩基础在湿陷性黄土地区的设计与施工摘 要:本文结合“兰州国家石油储备基地工程”的设计、施工实践,论述了钻孔灌注桩在处理湿陷性黄土地基的设计要点,阐明了钻孔灌注桩的施工流程及注意事项,为大型原油储罐在湿陷性黄土地区基础形式的选择提供了一种切实可行的方法。关键词:湿陷性黄土桩基础钻孔灌注桩随着国民经济的持续快速发展,中国的经济逐年增长,石油进口量逐渐加大,对外依存度不断提高。为保障国家安全,健全国家石油储备体系,国家大力发展石油战略储备。在国家石油储备工程中,当前大型原油储罐单个罐容以 10 万方为主。 “兰州国家石油储备基地工程”建设地点在兰州市,当地以湿陷性黄土为主。因此对大型原油
2、储罐的基础形式提出了更高的要求。1 工程概括及地质条件1.1 工程概括“兰州国家石油储备基地工程”位于甘肃省兰州市,主要由 30座 10104m3 的外浮顶原油储罐及与其配套的辅助生产设施组成。原油储罐直径 80m,高 21m,总重 t,单位荷重 25t/m2。1.2 地质条件场地地层根据不同时代成因、岩性特征和工程实际自上而下共划分为 7 个大层:(1)填土:主要由粉土组成,经压实,稍湿-干燥,部分地段由碎石组成,碎石粒径变化大,最大可见 30cm。(2)黄土:风积成因。浅黄色,稍密,稍湿,具大孔隙,垂直节理发育,具湿陷性。(2)1 黄土状粉土:冲洪积成因。黄褐色,稍密,稍湿,具大孔隙,具湿
3、陷性。(3)黄土:冲洪积成因为主。浅黄色浅褐色,中密为主,稍湿,具水平层理,土质不均,普遍夹有钙质胶结层,硬度高、分布深度变化较大,一般厚度 100300mm,最大厚度大于 500mm,含大量石膏及砾石颗粒,干强度较高,韧性低,基本不具湿陷性。(4)砂砾岩:系第三系半成岩。紫红色和棕红色,泥质胶结和钙质胶结,强风化,该层硬度变化较大。(4)1 砂质泥岩:棕红色,半成岩,强风化,含有砾砂成分,颗粒以次棱角状为主,结构大部分被破坏,岩芯破碎呈碎块状及碎屑状,遇水扰动呈粘土状及砾砂状。(4)2 砂砾岩:棕红色,中等风化,钙质胶结为主,局部为泥质胶结,系白垩系地层,成岩较好,砾石颗粒以次棱角状为主,基
4、本无分选,结构部分破坏,岩芯一般为圆饼状或短柱状,局部为块状,锤击声较清脆。(5)千枚岩:系寒武系地层。强风化,颜色变化较大,灰绿、灰白、紫红等色。(6)千枚岩:系寒武系地层。中等风化,颜色变化较大,灰绿、灰白、紫红等色。(7)千枚岩:系寒武系地层。微风化,颜色变化较大,灰绿、灰白、紫红等色。综合分析:建设场地属于自重湿陷性场地。场地勘察深度内未见地下水,据调查地下水埋深大于 50m。根据岩土工程勘察规范 (gb50021-2001)第 12.2.3 条综合判定,场地土对混凝土结构具有弱腐蚀性,对钢筋混凝土结构中钢筋具有中腐蚀性。2 地基基础方案选择下面以第四罐区(g-11019 号罐g-11
5、024 号罐)为例进行分析。原油储罐所在场地为湿陷性黄土地区,对不均匀沉降有严格的限制,因此所建原油储罐属于甲类构筑物。 湿陷性黄土地区建筑规范gb50025-2004 中:6.1.1.1 甲类建筑应消除地基的全部湿陷量或采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层,或将基础设置在非湿性黄土层上。根据当地实际经验和初设评审专家意见:建议采用强夯处理储罐地基和钻孔灌注桩基础两种方式。2.1 高能级强夯处理原油储罐地基2.1.1 试夯区试夯方案各高能试夯区面积均为 2424m2,夯点间距均为 8.0m。高能试夯 1 区,第一遍点夯为 16000knm;第二遍点夯为16000knm;第三遍点夯为 8000knm。
6、高能试夯 2 区,第一遍点夯为 12000knm;第二遍点夯为12000knm;第三遍点夯为 6000knm。高能试夯 3 区,第一遍点夯为 8000knm;第二遍点夯为8000knm;第三遍点夯为 4000knm。2.1.2 设计要求试夯达到的效果本工程根据上部结构需要,地基承载力特征值不小于 250kpa,黄土最深处的压缩模量 es25mpa,有效影响深度范围内完全消除湿陷性影响。 ”2.1.3 试夯检测结果根据重型动力触探试验、标准贯入试验和载荷试验数据统计得出一下结论:(1)根据载荷试验结果:高能试夯 1 区 1 号点和 2 号点不满足设计要求,高能试夯 3 区均满足设计要求。根据标准
7、贯入试验结果:强夯地基处理后,粉土层各深度地基承载力估算值为181kpa282kpa。不满足设计要求。(2)根据土工试验数据判定:压缩模量离散性较大,只有一部分能达到 25mpa,其余均小于 25mpa。湿陷性消除效果:高能试夯 1 区湿陷性消除上有效影响深度 13m;高能试夯 2 区湿陷性消除上有效影响深度 9 米;高能试夯 3 区湿陷性消除上有效影响深度6.08.0m。根据以上得出结论,高能试夯 1 区、2 区和 3 区均未达到设计要求。2.2 钻孔灌注桩基础处理原油储罐地基鉴于强夯处理地基的试夯结果不满足设计要求。结合本工程场区处于湿陷性黄土地区;大型储罐对不均匀沉降有严格的限制;工程的
8、工期紧等特点,本工程采用机械钻孔灌注桩基础。3 钻孔灌注桩基础设计钻孔灌注桩基础设计以 g-11022 号罐为例分析。场地中(6)层土为中等风化千枚岩,岩层地质稳定,承载力高,是良好的桩端持力层。钻孔灌注桩桩直径定为 800mm。3.1 单桩竖向极限承载力标准值计算根据单桩竖向抗压静载试验报告提供的各土层极限侧阻力标准值和中等风化千枚岩的极限端阻力标准值,(详见表 1)计算单桩竖向极限承载力标准值。注:1.中等风化千枚岩的极限端阻力标准值 8900kpa。2.湿陷性黄土桩侧平均负摩阻力特征值为-10kpa。根据:jgj94-2008 5.3.5 式= +对单桩竖向极限承载力标准值进行估算。因为
9、施工桩基础前,已经采用强夯法处理地基,设计要求影响深度 7m 内完全消除湿陷性。但是检测报告结果:部分消除土的湿陷性。故计算桩负摩阻力时只计算 7m 的桩侧摩阻力,场区 7m 以下湿陷性黄土不考虑侧阻力和负摩阻力。原油储罐范围内,根据地质勘查报告,取一最不利点进行计算:=+=3.140.8(-107+0.835+0.8110+1.0220)+89003.140.42=5139.56kn。根据计算结果和设计经验,单桩承载力特征值为 2350kn。3.2 桩基竖向承载力验收根据建筑地基基础设计规范gb50007-2002 中规定:桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求。桩轴心受压时 qapfcc。
10、apfcc=3.140.40.414.310000.65=4670kn。q=2350knapfcc。因此桩身混凝土强度满足桩的承载力设计要求。桩身纵筋按构造配筋,配置 1216。3.3 确定桩间距及桩数量构筑物为轴心受压,基地附加压力为 p0=250kpa。桩数估算:n(f+g)/ra=2503.144040/2350=535。桩间距:s=3.05m。根据计算结果、当地实际工程经验和以往设计经验:桩基础间距定为 2.85m;沿罐周圈均匀布置 84 棵桩,罐内布置 569 棵桩,共布置653 棵桩。3.4 承台厚度的确定桩基础承台的厚度的大小直接关系到整个基础工程的整体造价,因此应仔细计算。承台
11、的厚度一般为由承台承受的冲切承载力控制。3.4.1 根据混凝土结构设计规范gb50010-2002 中式 7.7.1-1fl(0.7hft+0.15pc,m)mh0承台暂定为 600mm 厚,钢筋保护层厚度为 120mm。fl=1.2(p02.852.85)-p03.14(0.4+0.47)2=1724kn。(0.7hft+0.15pc,m)mh0=(0.711430+0)10.40.47=1876kn。因此承台厚度满足要求。重新试算得出承台最小厚度 580mm,因此承台厚度取 600mm。3.5 设计过程中其他需要注意的事项3.5.1 场地为湿陷性黄土,设计者设计时应谨慎,应仔细查阅湿陷性黄
12、土地区建筑规范,满足规范的要求。3.5.2 结合当地设计经验,完善设计。3.5.3 专家教授的意见只是参考,不能做设计的最终建议。3.5.4 场地土对混凝土结构具有弱腐蚀性,对钢筋混凝土结构中钢筋具有中腐蚀性。因此桩基础的混凝土强度提高到 c30 混凝土,桩主筋混凝土保护层厚度为 60mm。3.5.5 满足设计计算要求,并满足规范上的构造要求,注意设计的细节问题。4 灌注桩施工4.1 施工准备4.1.1 完成钻孔灌注桩的定位工作,平整场地,接通水、电,为钻机进场创造好条件。4.1.2 钻机、护筒、钢筋、泥浆箱及各种相关材料,准备到位。4.4.3 备足有关配件材料,做到开钻后中途不停站,检查所有
13、测量仪器及施工机械,确保无误。4.2 钻孔4.2.1 开钻前,调平好钻孔工作平台,保证钻孔平台水平并确保牢固,在钻孔过程中不发生倾斜位移。4.2.2 调整好钻机,保证钻杆竖直,使钻架吊点、钻机的转盘中心和桩位中心三点在一垂直线上。4.2.3 在钻孔过程中,随时检查平台的水平度,发现倾斜,及时调整,确保成孔垂直度。4.2.4 当钻孔达到设计深度,及时停机。对孔径、孔深、孔斜率进行检查,自测合格后,报监理复测,同意后,开始清孔。4.3 清孔达到设计深度后,开始清孔。4.4 下钢筋笼4.4.1 钢筋笼现场分节制作,长度根据定尺钢筋长度及钢筋笼长度确定。保证接头按 50错开。同一根钢筋两个接头错开 1
14、00cm以上。4.4.2 钢筋笼制好后,报监理验收合格方可使用。制作原则是:主筋顺直,距离均匀,箍筋间距均匀,点焊牢固,保护层垫块均匀合理放置,垫块采用圆垫块。4.5 二次清孔放好导管后,通过导管进行二次清孔,测定好孔径、孔深符合设计要求时,报监理同意后,开始浇注混凝土。4.6 浇注混凝土4.6.1 钻孔灌注桩混凝土采用 c30 混凝土。4.6.2 浇混凝土前,隔水塞在导管一定高度内设置好,由初灌量计算确定,初灌量确定原则:当导管离孔底 3040cm 时,保证第一次混凝土下料使导管埋入混凝土中 1m 以上。4.6.3 斗内灌满混凝土,剪断铁丝,混凝土连续浇灌。用测绳测得导管埋深为 6m,拆导管
15、二节并保证拆导管后,导管在混凝土内埋深1m,再浇混凝土。4.6.4 配备一定数量泥浆车,保证泥浆顺利外运。施工过程中清孔尽量清干净,清孔的质量直接决定桩基础的承载力。5 结语通过以上分析可以得出:在大厚度湿陷性黄土地区,建筑大型原油储罐时,采用钻孔灌注桩是一种合理的选择,与其他基础形式相比其施工速度快,施工质量容易保证。钻孔灌注桩完全消除了湿陷性黄土层对建筑物基础的影响,消除了建筑物在使用寿命内因基础原因造成的质量风险,减小了维护和维修成本。施工工艺成熟,桩体质量有保障。因此钻孔灌注桩作为湿陷性黄土地区建造的大型原油储罐的基础是非常好的基础形式。参考文献1 gb 50010-2002混凝土结构设计规范.2 gb 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范.3 gb 50007-2002建筑地基基础设计规范.4 jgj 94-2008建筑桩基技术规范.
