（山东电力建设第三工程公司 266100）
摘要：总结沙特扎瓦尔项目几种应用的地基处理方式，为后续项目该系统设计提出指导和建议方案。
关键词：堆载预压法，强夯法，强夯置换法，砂石桩，沙质粘土
该论文的主要目的是通过分析对该项目应用的几种地基处理方式，研究他们应用范围及设计建议，供后续类似地质条件下的项目工程进行参考。
1、论文正文：
1.1 堆载预压法的应用（Surcharge Method）：
1.1.1应用原理：
压缩性较大的淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土及沙质粘土地基在松散到中等密实的状态下，由建筑物荷载传递到基底产生附加应力，会导致产生较大的沉降。如下图01（a）所示，当预估的建筑物基底附加应力为Δσ’(p),可压缩土层厚度为Hc，其相应的沉降量为：Sc(p)=Cc*Hc/(1+e0)*log[(Δσ’0+Δσ’(p))/Δσ’0],沉降将随着时间逐步增加并最终稳定。假设在基础施工之前，对基础所在的土层施加堆土荷载产生（Δσ’(p)+Δσ’(f)）的附加应力，其相应的沉降量为：Sc(p+f)=Cc*Hc/(1+e0)*log[(Δσ’0+Δσ’(p)+Δσ’(f))/Δσ’0]，则该土层在该应力下的总沉降将会增加，即Sc(p+f)>Sc(p),则达到基础相对应的附件应力Δσ’(p)的时间将会缩短。
考虑到在附加应力作用下会产生超孔隙水压力，其压力的消散需要一定的时间，这样将会延长土壤固结沉降时间，通过适当的排水措施来尽快释放孔隙水压力可以加快地基的固结沉降，排水方式一般分为沙井和聚乙烯排水板(PVDs)两种.
1.1.2方案设计概述：
以采用聚乙烯排水板排水方案(PVDs)的堆载预压法来简要说明设计步骤：
第一步:确定基础形式和最大允许沉降量,最大沉降量的一般规定：独立基础为25mm，阀板基础为50mm，建议尽量采用阀板基础；
第二步:估算基础尺寸、深度和基底压力，计算基底附加应力Δσ’(p)，按照预压应力（Δσ’(p)+Δσ’(f)）=（1.3-2.0）*Δσ’(p)，该系数的主要目的是设置一个大于设计基底附加应力的荷载加快沉降，通过较小的固结度达到预计的沉降量；
第三步:参照地质剖面图，确定各层粘土层厚度Hc，初始孔隙比Δe0,竖向固结系数Cv；
第四步:根据项目总体进度计划，推算拟处理地基的合适加载时间t2，
第五步:根据Δσ’(p)/σ’0和Δσ’(p)/Δσ’(f)的两个数值，σ’0取粘土层厚度中间位置对应的自重应力，利用公式Ur,v=log[1+Δσ’(p)/σ’0]/log{1+Δσ’(p)/σ’0*[1+Δσ’(f)/Δσ’(p)]}，计算出固结度Ur,v-Degree of Consolidation, 得出时间系数Tv=Cv*t2/H2,其中H为最大排水路径，双向排水取Hc的一半；
第六步:根据Tv=π/4*[Uv（%）/100]2，得出Uv=Sqrt[（4*Tv）/π]*100
第七步:根据Ur,v=1-（1-Uv）*（1-Ur）得出Ur=1-（1-Ur,v）/（1-Uv）；
第八步:计算排水板的等效直径dw=2*(a+b)/π；
第九步:计算(Tr’)1=Tr’/α’=-ln(1-Ur)/8,计算Tr’=Cvr*t2/dw2,其中Cvr=kh/{[Δe/Δσ*(1+eav)]*γw},可近似等于Cv；
第十步:计算α’=Tr’/(Tr’)1，并用下表计算出n值；
第十一步:根据n=de/dw，得出影响直径de=n*dw；
第十二步:选择排水间距：d=de/1.05(三角形布置)、d=de/1.128(方形布置)。
其最终的相关设计参数应在施工完成后通过现场试验来最终确定，上述计算仅建议用在方案设计阶段。
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1.2 强夯强夯置换法的应用（Dynamic Compaction/Dynamic Replacement）：
1.2.1应用原理：
强夯法（DC）的基本原理较为简单。颗粒土（Granular Soil）如砂性土、非饱和沙质粘性土与杂填土地基在冲击外力的情况下压缩土壤颗粒之间的间隙和排出孔隙水增加土壤的密实度，从而达到提高地基土的承载力。强夯即采用一定质量的夯锤（8-35吨之间）提升至一定高度（7.5-30.5m）后自由下落，其产生的强大的夯击能和冲击波作用夯实土层，从而达到使地基土迅速排水固结的办法。
强夯置换法（DR）基本与强夯法一致，在强夯的过程中由于地基土被压缩产生沉陷，沉陷部分使用砂石进行回填后继续进行夯实的方式。
1.2.2 方案设计概述：
强夯法的主要设计参数有效夯实深度（DI，Significant Depth of Densification），而方案设计的控制要素主要包括夯锤重量（Wh，Dropping Weight），下落高度（h, Dropping Height）和夯点布置(Spacing)，前两个要素直接影响到地基土的有效夯实深度，而最后一个要素主要控制地基土整体承载力。
先将方案设计步骤简要介绍如下：
第一步:确定基础形式和最大允许沉降量,最大沉降量的一般规定：独立基础为25mm，阀板基础为50mm；
第二步:估算基础尺寸、深度和基底压力；
第三步:根据基础宽度尺寸B和深度Df，确定地基处理所需要达到的有效影响深度DI，DI=b>4*B+Df；
第四步:综合当地施工机械情况决定夯锤重量Wh，下落高度h，进而决定夯锤截面积A和夯锤宽度D；
第五步:计算DI/D=b/D；
第六步:根据计算的b/D,按照下表计算得出N*Wh*h/(A*b)，其中N为击数；
第七步：根据上一步计算结果，且Wh，h，A，b已知，可得出需要的击数N；
第八步：根据上表计算出a/D的值，夯点布置间距Sg应等于或者略小于a，即Sg<=a,按照经验可以取Sg=（0.8-1.0）*a，如下图所示：
其最终的相关设计参数应在施工完成后通过现场试验来最终确定，上述计算仅建议用在方案设计阶段。
1.2.3 在项目上的应用及推广：
沙特扎瓦尔项目中对地基承载力要求大于150KN/m2,总沉降25mm的浅基础（非桩基基础）普遍进行了强夯方式的地基处理工作，结合强夯置换法、夯后预压的方式，处理了厂区燃油区域、储油罐区域、燃气站、非生产厂区和BOP区域（集控楼除外）。以BOP区域为例，强夯的主要参数为：夯锤重量18吨、下落距离18m、击数18和夯点间距7m*7m，处理后的地基承载力参数经过现场PMT试验达到200Kpa和11.7mm的对应沉降量要求，满足设计需要。
强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。对高饱和度的粉土与黏性土等地基，当采用在夯坑内回填块石、碎石或其他粗颗粒材料进行强夯置换时，应通过现场试验确定其适用性。强夯不得用于不允许对工程周围建筑物及设备有一定振动影响的地基加固，必需时，应采取防振、隔振措施。
1.3 砂石桩（Sand/Stone Pillar）：
1.3.1应用原理：
该种地基处理类似桩基原理，即在软弱地基土中通过一定的设备机械和施工工艺形成若干个砂石桩，通过砂石桩承载上部结构传递给基础的荷载。采用振冲器（Viobroflot）成孔，使用6-40mm石料进行填充，利用振冲器进行压实，桩直径在0.5-0.75m之间，间距1.5-3m之间，大面积处理地基时，有效经济深度一般在6-10m之间。
该种处理方式对不排水剪切强度在10-50KN/m2的软弱地基有比较好的效果，因为如果剪切强度过小，会导致地基土无法提供足够的侧向约束保证砂石桩发挥承载能力，这也是与普通桩基不一样的地方。
1.3.2 方案设计概述：
方案设计主要考虑砂石桩的承载力Qall和沉降Se，砂石桩主要的破坏形式为在结构荷载作用下发生胀裂破坏（Bulging of Column），即砂石桩周围的地基土约束失效，失去侧向约束，进而桩身破坏，无法承载，而发生该种破坏形式主要集中在基底标高以下至(2.5-3)*D之间。
极限承载力Qu建议Qu=Min{（π/4）*D2*tan2（45+φ’/2）*（6*Cu，π*D*L*Cu}，安全系数FS=1.5-2，因而地基承载力设计值Qall=Qu/FS。其中D-砂石桩直径，m；φ’-砂石桩内摩擦角；Cu-地基土的不排水剪切强度，Mpa；L-砂石桩有效深度，m。
弹性沉降量的计算Se=Q*Id/(L*Eclay)(Q<Q1时)和Se=Q*Id/(L*Eclay)+（Q-Q1）*Id/(4*L*Eclay)(Q>Q1时),其中Q-荷载，N；L-砂石桩有效深度，mm；Eclay-地基土弹性模量，Mpa；Q1=(0.1*D*L*Eclay)/Id；Id-影响系数，与K=Ecol/Eclay和L/D及泊松比μclay=0.5相关。
砂石桩顶应铺设一层厚度为300-500mm的砂石垫层，然后再开始施工基础。其最终的相关设计参数应在施工完成后通过现场试验来最终确定，上述计算仅建议用在方案设计阶段。
1.3.3 在项目上的应用及推广：
沙特扎瓦尔项目中升压站控制楼采用砂石桩的地基处理方式，桩直径D=600mm，桩深L=6m,布置间距3.0m，建筑物采用筏板基础。
砂石桩对不排水剪切强度在10-50KN/m2的软弱粘土地基有比较好的处理效果，基础推荐采用筏板基础或者其他联合基础形式，主要考虑通过基础刚度来控制差异沉降过大的目的。
参考文献：
a)Principles of Foundation Engineering 7th Edition SI Units；
b)MENARD REPORTS for Soil Improvement Work in RAZ AL KHAIR Phase 1 Package “P”。
作者简介
葛前进，工作单位：山东电力建设第三工程公司，职务：项目副经理 设计部土建专工
论文作者:葛前进
论文发表刊物:《电力设备》2016年第15期
论文发表时间:2016/11/7
标签：地基论文; 砂石论文; 基础论文; 应力论文; 方案设计论文; 基底论文; 瓦尔论文; 《电力设备》2016年第15期论文;