基樁沈陷對石化工廠危害之探討與建議

 
前言
 
石化工廠的生產設施或結構物,由於形狀特性、建物荷重、以及作業需求,常須使用改良式基樁作為基礎下部構造,以提高承載力。因傳統預力基樁在預鑄廠製作和現場施工過程中,人為因素造成結構不穩定及不確定性,恐造成基樁沈陷的危害。
 
而改良式基樁藉由鋼筋混凝土,取代原有摩擦握裹力的模式,並強化樁體的接樁處理技術及抗拉拔強度,進而降低受害程度,也降低日後工安隱憂。
 
石化工廠中基樁沈陷之原因
 
本文探討重點,在於基樁結構力學差異性。以基樁形式作為深基礎支承來說明,當接樁點位處在含有鹽份的地下海水及土壤中時,其接樁焊道受到生鏽侵蝕達一定程度後,使得基樁端鈑脫離而造成斷樁現象(圖2)。再者,基樁與承台間樁頭處理的摩擦握裹力,在基樁外部環境與內部結構不穩定狀態下(地震、機械震動、土壤錯動、土壤液化、混凝土老化、低強度水灰浮沫層等),易造成樁與建築物之間產生鬆脫、滑動和沈陷。
 
當基樁沈陷問題產生,將造成結構損害。對石化工廠而言,因工安造成的災害,如爆炸、火災、毒氣、水污染或空氣污染等,除直接造成營運損失外,通常會對企業形象發生重大的直接衝擊與影響,也會讓決策管理階層承受莫大的社會壓力。
 
防治方案探討
 
基樁植入至地下後之潛勢變化,主要有二。
 
1.因接樁結構問題而導致基樁沈陷或差異沈陷,進而造成災害。
 
2.因基樁樁頭處理之摩擦力耗弱,進而造成災害。
 
針對上述基樁的接樁處結構與樁頭處理工法,提出以下建議方案。
 
方案一 :基樁接樁處斷樁之防治
 
基樁接樁處斷樁主要的成因,乃是基樁端鈑的焊接焊道受到鏽蝕破壞,而導致上樁和下樁間呈現錯位脫離狀態。當接樁焊接處位於海水中或含高濃度鹽份之地下水時,則加速生鏽惡化情形。(圖2)
 
改良式接樁技術(圖1),係利用基樁中空處,加以形成一個完整的鋼筋混凝土結構,並具以下優點。
 
1. 接樁處理技術可使基樁接樁部位的拉力抵抗提升(表1)。
 
2. 接樁處理技術可使基樁接樁部位的水平剪力抵抗增加(圖3)。
 
 
 

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 圖1 接樁結構立體示意圖 表1  接樁用水平剪力筋傳遞能力

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1  接樁用水平剪力筋傳遞能力

 

  

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圖2  接樁處理及鏽蝕作用  

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圖3  改良式接樁處理示意圖 

   
方案二:基樁樁頭處理的摩擦耗弱之防治
 
傳統植入式預力基樁工法,常遇樁頭處理的摩擦力耗弱的隱憂。
 
1. 添加膨脹劑容易被疏忽或蓄意被疏忽,造成品質良莠不一。
 
2. 樁頭鑽芯施工機械過早進入工地施作,造成CLSM初凝結構破壞。
 
3. 離心式生產的基樁內壁緊貼一層低強度水灰浮沫層,造成摩擦握裹力耗弱或喪失(圖4、5)。
 
4. 鑽芯處理後基樁內壁清理的輕忽,造成殘土附著於樁內壁影響摩擦握裹力 (圖6) 。
 
5. 填芯混凝土澆注及搗實不確實,易有混凝土蜂窩現象,造成最終的摩擦力及其耐久度弱化。
 
6. 樁體與二次澆置填芯混凝土之間,產生乾縮裂縫,造成摩擦握裹力減損。(圖7)。
 

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圖4  樁內壁水灰浮沫層垂滴凝固 

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圖5  水灰浮沫層緊貼內壁(筆尖處) 

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圖6 殘土附著於樁內壁(鑽芯後窺視內孔)

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圖7 乾縮裂縫產生

   
 
改良式基樁樁頭處理技術與傳統植入式工法大致相同。植入過程中,頂部設置有預鑄中空樁頭處理機制,以上、下封板形成空間,基樁中空處的空氣及CLSM,須由下擋板下方的排氣孔往上排出。(圖10)
 
植樁完成後的樁頭處理(圖11),以鈑手工具即可開啟樁頂的封板,預鑄中空樁頭處理空間,馬上完整顯現露出(圖12),即可進行後續填芯混凝土的灌注工作。無需動用到鑽掘機來做後續鑽芯處理,和減少樁體不必要的土壤擾動。
 
此工法對於工種或工班間,可減少銜接時間。譬如需快速建廠的工程項目(高科技工廠建廠工程),和抗震動基礎之強化設計(超大型壓縮機或空壓機)(圖8)。
 
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圖8  利用鋼筋混凝土結構力學傳遞力量(紅色圈處)
 
改良式基樁樁內的填芯混凝土,僅須使用普通混凝土,無須如傳統基樁使用添加膨脹劑的混凝土,節省施工成本。樁頭處理技術可使基樁樁頭部位,拉力、水平剪力抵抗承受度大增(圖9)。由於採用結構完整的鋼筋混凝土結合機制,免除傳統基樁樁頭處理之摩擦握裹力耗弱的隱憂,使得基樁樁頭的耐久性可以更好。
 
 

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圖9 樁頭剪力鋼筋結構立體示意圖 

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圖10 植入過程中(藉由排氣孔排出空氣及CLSM)

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 圖11 植入完成(樁頭處理全樣貌)

 

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 圖12 上蓋板打開(預鑄式水平剪力筋排列)

 
 
 結論與建議
 
鏽蝕增加基樁發生斷樁風險。再者,樁內壁水灰浮沫層,和樁頭鑽掘後內壁附土之介面問題,將是影響基樁與承台間力量傳遞的成敗與否。因此,基樁沈陷,有賴於新觀念來解決。
 
改良式基樁的核心技術,是利用鋼筋混凝土取代摩擦力,使基樁作為深基礎結構之下,讓建築物或設備更穩定更長久,並可節省工期、建設資金成本,皆優於傳統基樁的植入式工法。同時還能夠提供樁頭部位更強的抗拉拔力、抗剪力等特性。 
 
參考文獻
 
 [1] 余韋慶(2015)。 ”預應力基樁樁頭處理與承台間力學傳遞之行為模式探討”。技師報,972期。
 
 [2] 張家齊、劉文宗、李勝男(2013)。”DH-PHC鑽掘植入式預力基樁之樁頭處理技術應用”。第三屆中國國際樁與深基礎峰會論文集,pp.197~206,中國上海市。
 

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