冷换设备和容器基础遇软土地基提高 桩基水平承载力问题

王晓晶(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266061)

0 引言

石油化工冷换设备和卧式容器基础除了承受竖向荷载以外，还要承受基础顶部传来的水平推力，这个水平推力包括基础顶部相连管道传来的温度应力，基础顶部活荷载、温度变化在设备支撑面上引起的摩擦力及停产检修时的抽芯力，设备传来的风荷载，地震作用下水平推力。所以水平承载力的计算也很重要，尤其基础遇软土地基时基础承受水平荷载能力较低。

1 石油化工冷换设备和容器桩基础设计中要充分考虑水平承载力

石油化工冷换设备和容器桩基础设计中通常主要承担竖向荷载为主，这其中结构自重大约占15%，使用荷载占85%左右根据[1]。同时，石油化工冷换设备和容器基础通常也要抵抗风荷载和地震作用，风和地震对冷换设备和容器基础产生的效应一是会产生倾覆力矩根据[2]，另一就是会产生基底剪力，倾覆力矩则是无非对竖向受力构件产生轴向力作用。“冷换设备基础计算简图”，但基底剪力则必须由水平抗力来承担。在天然地基设计中，石油化工冷换设备和容器基础水平抗力主要由基底与土的摩擦力、基础周边土的土压力，共同来提供，对于粘性土、砂土等，混凝土与其之间的摩擦系数通常可以达到0.45左右。因此，仅仅光基底的摩擦力这一项，相当于轴向压力的45%。而地震或风荷载引起的基底剪力，由于受地震烈度及结构自震周期影响等，很难超过10%根据[3]。因此，在天然地基的情况下，石油化工冷换设备和容器基础水平承载力都是很容易被满足的，这也是我们一般不讨论的话题，但这并不代表水平承载力不存在。

但是对于石油化工冷换设备和容器桩基础而言，则不同。首先，石油化工冷换设备和容器桩基础我们常规意义上来讲，主要以承受竖向荷载为主，很少有人认为石油化工冷换设备和容器桩基础需要承担全部的水平承载力，因为这样会务必大幅增加桩的数量，造成工程造价大幅上升。就包括我们常用的PKPM计算软件，自动选桩的时候，都是以竖向力为主，而水平承载力都是加强构造为主根据[4]。例如在桩基规范[5]中，明确要求了基坑外肥槽回填的要求，就是通过加强承台周边的回填土的密实度，来把承台牢牢的约束住，从而来完成水平抗力的提供。这种做法其实也是有很多工程经验的，在工程界也是得到了认可。

但是，这样做前提是必须把回填土作为一个重点的“构件”来对待。但在实际操作中，施工单位、甲方及监理单位很难有特别懂的人才，通常大家都是把主要精力放在混凝土构件中。对于回填土，很多时候都是睁一只眼闭一只眼，容易留下工程隐患。因此，作为结构设计人员应充分重视石油化工冷换设备和容器桩基水平承载力计算。

2 石油化工冷换设备和容器桩基水平承载力的现状

通常，我们计算石油化工冷换设备和容器桩基水平承载力时，基本考虑以竖向力为主，水平承载力尤其是群桩水平承载力。考虑的因素为承台与土的土压力、承台底与土的摩擦力等，进行修正后，一般群桩承载力提高可最小达到约1.7以上，这部分贡献很大。因此，在工程设计中，应充分加强对回填土的要求，例如采用级配砂石、灰土或压实性较好的土分层夯实回填，即可保证结构安全。

3 石油化工冷换设备和容器软土地基中桩基水平承载力常见的问题

在石油化工冷换设备和容器结构设计中，软土地基常见问题是石油化工冷换设备和容器桩基垂直承载力可以做的很高，但是水平承载力不高。如果按照水平承载力控制桩的数量，则造成较大的浪费，一般业主难以承受。为此，如何提高石油化工冷换设备和容器桩基水平承载力，是需要作为一个设计人员要解决的问题。这也是在实际工程中，最经常遇到的问题。那么如何在能提高石油化工冷换设备和容器桩基水平承载力，主要是根据桩基的形式、地质条件、施工工艺等几个方面综合考虑，充分论证，选出最合理的方案。

4 常见的几种提高石油化工冷换设备和容器桩基水平承载力的方法

4.1 提高桩径

提高桩基直径，增加桩的自身刚度，同时增加桩与土的接触面积，是提高石油化工冷换设备和容器桩基水平承载力的主要是途径。但是缺点是，增加桩径，对材料用量是成平方关系增加，增加造价显著，主要应用于地质条件相对较好、桩基长度适中的情况。例如一些其嵌岩桩，表层为一些较好砂土或者粘性土，荷载较大的情况，通常考虑可以增加桩径后，增加桩基的水平承载力，这种情况受力比较清晰，容易得到各方理论认可，施工质量容易得到保障。

4.2 后压浆法

后压浆一般用于钻孔灌注桩中，通常用于桩基长度较长，大于20 m，地质条件以砂土层、黏土层相互交互的条件中，在地震烈度较高或者风荷载较大，结构受水平荷载作用较明显。这种情形下，一般采用后压浆法，具体施工措施如下：在机械成孔后，在桩基的钢筋笼外侧绑扎直径25 mm注浆管，注浆管的高度根据地勘报告确定其位置，通常选择在砂土层侧，注浆点可以选择两处或者三处，具体根据实际设计要求，一般至少选择两处。如果为较大提高水平承载力，可尽量考虑上，如为既提高竖向承载力同时也提高水平承载力，则可沿桩基全高设置注浆点。注浆管随钢筋笼下沉至孔中，待浇筑桩基混凝土2天后，受先进行用清水进行冲洗，保障注浆孔通常，待混凝土7天初凝后开始采用高标号水泥砂浆记性注浆，注浆的多少由注浆泵压力进行控制，同时密切注意地表是否有砂浆溢出，则停止注浆。

在实际工程操作中，应选用有经验的施工队伍，进行控制，设计中，应充分论证土层的厚度因素以及是否为砂土层，如果为纯粘性土或者淤泥层，应仔细论证其实用性。

根据以往工程经验，采用后压浆后，桩基的竖向和承载力可提高，目前这种工艺也非常纯熟，应用也越来越广。

4.3 采用表层土固化方法

表层土固化，在我国南方某些省市得到了很广泛的利用。现以江苏连云港为例，那里的工业园区大部分为虾池和盐场，表层淤泥层承载力很低，基本处于流塑状态，厚度很大，一般在15 m作用，场地类别通常在IV类，特征周期为0.9 s，地质条件极其恶劣，且腐蚀性非常严重。为此，当地对此等类型地基通常采用固化剂来固化表层土：一是可以提高桩基的水平承载力；另一个是为现场施工提供机械条件，在实际工程操作中取得了较好的效果。

固化土设计，首先，固化剂应选用正规厂家产品，固化剂的掺量应根据厂家说明书和设计要求，进行配置，施工必须要由经验施工队伍施工，最主要的参数，固化厚度，通常情况下根据设计的要求，考虑的因素为表层的土的力学特性，采用桩型直径的大小，以及当地的实际经验，一般可以采用2×(D+1)，其中D为桩基直径，一般情况下，不小于1.5 m，固化范围，桩基外侧最小不小于1.5 m。固化土是提高桩基水平承载力最有效也是最经济方法之一。固化剂来固化表层土，是最有效的方法也是最直接的方法，希望这种方法在全国其他地方能继续推广并应用。固化的同时，不单单提高桩基的水平承载力，同时也能提高桩基的竖向承载力。

4.4 采用斜桩来提高承台整体抗倾覆

这种情况通常用于码头及港口中，采用斜桩的水平分量，来提高整体的抗推功能，但在陆地项目中应用不多，主要受施工机具等影响，操作起来比较复杂，难以实现，故在此不再进行论述。

5 结语

综上所述，石油化工冷换设备和容器桩基的水平承载力问题，在近年来越来越收到重视。随着走出去，国家的基础设施公司，逐步进入国际市场，那我们的设计理念也将逐渐与国际进行接轨。在国际项目中，甚至直接用基底剪力的标准值除以桩基的水平承载力特征值，其他因素均为安全因素，在计算中不予考虑。为此，越来越多的大型设计院越来重视桩基数量的控制一般都是由水平承载力来控制，而不是简单地由竖向力控制桩基的数量，使得结构的整体安全性得到了更多的保障。

但是在提高桩基水平承载力措施上必须因地制宜，根据实用荷载的要求、土层的厚度、桩基的长度、地震烈度等综合因素，统筹考虑，最终选出合适的方法，既能保证结构安全，又能使得结构造价不至于过度沉重，使得项目容易向前推进。