大型水泥厂建（构）筑物基础设计及地基处理（1）

京阳水泥厂为5000t/d熟料的特大型干法水泥厂，其主生产线上建（构）筑物多为重型结构，受力复杂。该厂厂址紧靠长江大堤，地表上部覆盖淤泥质软土，厚度达30m~35m，基岩埋置深度为40m~50m，其中还有相当部分的场地是由河塘新近堆填而城，土质情况更差。为了使基础设计在既满足工艺设备需要、结构又安全可靠的前提下做到经济合理，我们对于使用要求负载形式及大小不同的结构，根据实际情况，采用了不同的基础设计方案和地基处理方案，现就不同方案的设计思想及工程实践作一介绍。
1 嵌岩钻孔灌注桩基础
1.1 桩基类型的选择
　　根据京阳厂场地的工程地质特点，重负荷车间必须采用桩基础，但选用何种桩型更加合理经济却是值得探讨的。目前常用的有钢桩、打入式（或静压）钢筋混凝土预制桩、钢筋混凝土钻孔（或沉管）灌注桩等几种桩型。
　　施工角度看，钢桩、钢筋混凝土预制桩施工工艺较为简单，加之制桩在地面进行，其桩身质量容易保证；而钻孔灌注桩施工工艺相对较为复杂，清孔要求高，且桩身质量不易控制。
但从本工程的结构受力及地质情况来看，以采用高承载力的大桩来承受较大的垂直及水平荷载较为理想。钢桩及钢筋混凝土预制桩因受打桩能力的限制，只能进入强风化岩层一定量，且桩断面不易过大，故其单桩承载力不高。只有钻孔灌注桩能取用较大直径的断面，并将桩端嵌入完整的中、微风化岩层，获得相当高的单桩承载力。另外，从结构设计的桩平面布置来看，对多数重载车间只能采用密集型的布桩方式，而打入式预制桩虽然在桩中心距上做了适当的控制，但在大面积范围内布桩施打还是经常出现后打桩将先打桩向外侧或向上隆挤，从而将先打桩推断或拉断，因此，选用高承载力、少桩布桩方案明显优于低承载力、多桩数的布桩方案。
从经济比较来看，就本工程而言，由于打入式钢桩、打入式钢筋混凝土预制桩、沉管灌注桩等几种桩型的单桩承载力不高，桩数明显增多，故材料用量大，单价较高；而钻孔灌注桩单桩承载力较高，桩数较少，材料用量相应下降，且单价较低。综上所述，可知钢桩最贵，钢筋混凝土预制桩其次，钻孔灌注桩最便宜，且钻孔灌注桩直径越大越经济。以熟料、生料及水泥七座筒仓为例，当采用大直径钻孔灌注桩时，基桩工程造价为1500万元左右，而当采用打入式钢筋混凝土预制桩时工程造价则为2400万元左右，二者相差900万元。从全厂的桩基工程来看，按保守的方法计算，采用钻孔灌注桩比采用打入式预制桩至少能节省费用2000万元以上。通过各方面的分析比较，我们认为，只要相应采取一些技术及管理措施，克服钻孔灌注桩施工的不利影响，京阳工程选用以大直径钻孔灌注桩为主的桩型是最优化的设计选型。
1.2 桩基设计及承载力的确定
　　根据全厂建（构）筑物的不同，我们分别采用了直径为1.2m、1.0m、0.8m、0.6m的钻孔灌注桩，其中大部分为φ1.2m的桩型。一般来说，单桩承力使用得越高，其经济效益就越好，而采用嵌岩灌注桩，通过嵌岩段的侧阻力和桩端阻力来获取较高的单桩承载力是最好的方法。但是，钻孔灌注桩的主要缺点之一就是孔底沉渣清理困难，并且这一缺陷又直接导致桩端阻力的急骤下降，对这个问题怎么认识，又何解决这一问题？让我们先来分析一下嵌岩灌注桩的承载情况：嵌岩桩的垂直承载力由土的总侧阻力、嵌岩段总侧阻力及桩端阻力三部分组成，其荷载传递主要与桩的长径比及嵌岩深度有关。对于粗短的嵌岩桩，在外荷载的作用下桩端阻力较桩侧阻力先期发挥出来，且桩端阻力占承载力的主要部分，这是典型的端承桩；但对于京阳工程这种桩长径比大于35的情况而言，在外荷载的作用下则是桩侧阻力先于桩端阻力发挥出来，且以桩侧阻力（包括桩侧土层及嵌岩段的侧阻力）占承载力的绝大部分，与摩擦型桩类似，而且当嵌岩深度大于桩径5倍时，其桩端阻力几乎接近于零。因此，对于这种长径比较大的嵌岩桩，除了设计上严格控制沉渣厚度、施工上采用较为先进的清渣工艺外，利用其嵌岩段侧阻力大、端阻力小的特点设计上严格控制沉渣厚度、施工上采用较为先进的清渣工艺外，利用其嵌岩段侧阻力大、端阻力小的特性，将嵌岩深度控制在一定范围内，则可以认为孔底沉渣对承载力的影响是很小的，为此，对桩长径比大于3.5、φ1.2m的桩型，我们将嵌入中等风化岩的最大深度为5.2m(4.33D)，根据规范提供的估算公式，求得单桩垂直极限承载力为Quk=20692kN，其中桩侧土层的侧阻力占29.3%，嵌岩段侧阻力占66.3%，而桩端阻力仅占4.4%。为了对估算的单桩承载力进行验证，以获得真实的承载力，我们亦进行了试桩，试桩结果见下表。
　桩 桩径m 　桩长m 桩长 桩端嵌入中风 单桩竖向极限 相应沉降量mm
　号 　　　　　　　径比　　化岩层厚度m 　承载力/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
　　从表1可以看出，当嵌岩深度小于5D时，这种长径比大的桩，其承载力是随嵌岩深度增加而增加的，也就是说靠嵌岩段侧阻力的增加来提高承载力，而端阻力对承载力的影响却很小，这种特性与我们的理论分析是一致的。
　　由于本场地土属7度抗震设防区，且处于长江岩边空旷地带，其水平地震力或风荷载产生的水平力都是不小的，而地基上部覆盖层却为很厚的淤泥质软土，相应的地基土水平弹性抗力小，因此，采用大直径的桩基来承受水平荷载，不但是必须的，且是经济的，相应的地基土水平弹性抗力小，因此，采用大径的桩基来承受水平荷载，不但是必须的，且是经济的，这也是我们考虑确定采用大直径钻孔桩的重要原因之一。单桩水平承载力估算则是根据桩与承台及地基土共同工作的原理，利用桩本身的刚度和地基土的水平弹性抗力来求得的；水平承载力试桩时采用的是临界荷载及桩顶水平变位的双探标准，其结果与理论计算基本吻合。
1.3 嵌岩钻孔灌注桩的施工工艺及收钻标准的确定
　　根据不同的地质情况确定合理的钻进工艺是钻孔灌注桩施工的关键之一，目前有正循环及反循环两大钻进工艺。采用正循环工艺施工时，护壁泥浆是由钻孔中心的导管通过一定的压力注入至孔底的，孔底泥浆在压力作用下将沉渣向四周排挤并一同沿孔周壁不断上返，因而对孔道壁产生一定的正压力，对防止孔壁坍塌起到了积极的作用，但其对沉渣清理的效果不是太好。而反循环钻进工艺是利用泥浆池与孔口的高度落差，使护壁泥浆沿钻孔四周流入孔道，再由孔中心的吸力泵通过导管将泥浆及沉渣一起抽出，形成循环。孔壁四周的泥浆是由上而下流动，因而对孔壁产生一定的负压力，特别是当泥浆补给跟不上吸力泵的抽浆速度时，孔道内泥浆面标高急骤下降，孔道内的部分高度形成了“空孔” ，孔壁上的负压力值急率亦相对较小，而本工程的地质特点昌：游泥质软土护壁困难，收钻前桩端沉渣不易清理，但钻进时切削下的土、岩渣粒径却不大，无需提心二次破碎的问题。笔者经过慎重的考虑，并与建设单位协商讨论，确定了本工程采用以正循环工艺钻进，收钻时以反循环吸力泵清理桩端沉渣的综合施工工艺，并以是否具备按此工艺施工的能力作为招、投标时的重要依据，从而保证了能够较好解决孔壁坍塌、桩端沉渣清理困难的问题，为单桩高承载力的获得奠定了基础。