強(qiáng)夯法與CFG樁法在儲罐地基處理中的應(yīng)用

阮廣雄

（廣東寰球廣業(yè)工程有限公司,廣州 510655）

強(qiáng)夯法與CFG樁法在儲罐地基處理中的應(yīng)用

阮廣雄

（廣東寰球廣業(yè)工程有限公司,廣州 510655）

石油化工行業(yè)中大型儲罐的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)對整個(gè)工程有著重要影響。結(jié)合實(shí)際工程，采用強(qiáng)夯法及CFG樁法進(jìn)行儲罐地基處理，從設(shè)計(jì)角度分析方案的選取和處理效果，匯總了沉降監(jiān)測結(jié)果做對比總結(jié)。提出了關(guān)于大型儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為今后設(shè)計(jì)和施工提供參考。

儲罐；地基；強(qiáng)夯法；CFG樁；復(fù)合地基

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.019

1 引言

隨著石油化工工業(yè)的快速發(fā)展，各地開展了一大批儲罐工程建設(shè)，大部分建在臨?；驔_積平原的回填地區(qū) (靠近碼頭)，并且儲罐容量越來越大，特別是大型儲罐(≥50000m3)，直徑和高度大，豎向荷載重，對地基土的承載力和變形要求相當(dāng)高。尤其對差異沉降指標(biāo)控制嚴(yán)格，若超過工藝要求及規(guī)范允許值[1]，有可能導(dǎo)致罐體傾斜或失穩(wěn)，使儲罐破裂，造成嚴(yán)重的次生災(zāi)害。目前，工程技術(shù)人員在實(shí)踐探索中總結(jié)了一些儲罐地基處理的經(jīng)驗(yàn)成果[2～5]。筆者結(jié)合具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目，采用強(qiáng)夯法與CFG樁法處理大型儲罐地基，并在實(shí)踐中取得預(yù)期效果。

2 工程概況

國內(nèi)一煉油項(xiàng)目規(guī)劃十座10×104m3的內(nèi)浮頂式儲罐，每個(gè)儲罐直徑80m，高約20m。建設(shè)場區(qū)屬山前平原(沖、洪積成因)地貌，且位于挖填方區(qū)內(nèi)。場地第四系覆蓋層多為人工回填、沖洪積、湖相沉積、殘坡積成因，下伏基巖主要分布有寒武系、泥盆系白云巖、泥巖、砂巖、角礫巖及二疊系泥巖、砂巖、鋁土巖等。各巖土層地基承載力特征值和壓縮模量見表1。

場地為建筑抗震一般地段，中硬土，建筑場地類別Ⅱ類?？拐鹪O(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。無液化地層。

場地土對混凝土結(jié)構(gòu)為弱腐蝕，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋為微腐蝕，對鋼結(jié)構(gòu)為弱腐蝕。地下水類型主要為黏性土、

殘坡積土、全風(fēng)化基巖等層中的上層滯水，分布不均勻，基巖裂隙水不發(fā)育。鉆探期間水位變化幅度大，沒有統(tǒng)一穩(wěn)定的潛水水位。

表1 地基承載力特征值、壓縮模量

3 地基基礎(chǔ)方案

3.1 地基處理方案

根據(jù)勘察報(bào)告，場地淺部范圍內(nèi)存在第②-1、第③-1兩個(gè)軟弱層，黏土含有機(jī)質(zhì)，呈軟塑～可塑，中～高壓縮性，工程力學(xué)性質(zhì)差。鑒于此，初選方案有兩種：

方案一，樁基礎(chǔ)。不論在挖方區(qū)還是填方區(qū)，采用灌注樁或預(yù)制管樁等直接穿越兩個(gè)軟弱層。灌注樁樁徑0.6m，平均樁長14m，樁數(shù)約1 200根。

方案二，地基處理。挖方區(qū)和填方區(qū)的處理方式分別考慮，對于挖方區(qū)采用強(qiáng)夯法(高能級)，對于填方區(qū)采用強(qiáng)夯(低能級)+復(fù)合地基聯(lián)合法。

對于方案一，樁基礎(chǔ)施工周期短，承載力高，以端承為主的樁基沉降和差異沉降小，但樁長較長，以摩擦為主的樁基又不能滿足儲罐對地基變形的要求；且樁基需設(shè)置鋼筋混凝土承臺（又稱“大圓餅”，面積不小于罐底板面積，混凝土用量相當(dāng)高），整體成本偏高。對于方案二，針對性強(qiáng)，有成本優(yōu)勢，地基承載力可滿足儲罐荷重要求，但對沉降的控制未必能達(dá)到預(yù)想效果，且施工周期長。結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工周期等指標(biāo)，選用方案二且按以下原則進(jìn)行地基處理：

1)挖方區(qū)采用15 000kN·m能級強(qiáng)夯法輔以換填軟弱土層，換填料均為當(dāng)?shù)厝菀撰@取的級配灰?guī)r碎塊石料。再用3000kN·m能級強(qiáng)夯至設(shè)計(jì)要求。

2)填方區(qū)先用4000kN·m能級強(qiáng)夯至160kPa，再用0.5m樁徑、14m樁長的CFG樁形成復(fù)合地基，樁數(shù)約1381根。

3)要求處理后地基承載力達(dá)到260kPa，壓縮模量不小于18MPa。

各方案估算成本對比見表2。

表2 地基處理方案估算成本對比

3.2 儲罐基礎(chǔ)選型

儲罐基礎(chǔ)選型時(shí)應(yīng)根據(jù)儲罐的型式、容積、地質(zhì)條件、地基處理方法、施工技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行綜合考慮。目前，有4種常用基礎(chǔ)型式：護(hù)坡式基礎(chǔ)、環(huán)墻式基礎(chǔ)、外環(huán)墻式基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。本項(xiàng)目做了地基處理，適宜選用整體剛度較大并且對差異沉降有一定調(diào)節(jié)作用的環(huán)墻式基礎(chǔ)。環(huán)墻基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)也可視為地基處理的延伸。

4 地基承載力和變形計(jì)算

4.1 地基承載力計(jì)算

挖方區(qū)通過高能級強(qiáng)夯來達(dá)到承載力不小于260kPa，壓縮模量不小于 18MPa的加固要求，有效加固深度10.0～13.0m。填方區(qū)先用低能級普夯一遍，再施工CFG樁。采用長螺旋泵壓灌注成樁，C20混凝土，樁徑0.5m，樁端以第⑤-1層為持力層。選取編號T-001C儲罐中的代表性鉆孔ZK97作為計(jì)算依據(jù)，T-001C儲罐勘探點(diǎn)布置見圖1，鉆孔土層信息見表3。

圖1 T—001C儲罐勘探點(diǎn)平面布置圖

表3 鉆孔ZK97土層信息

1)單樁承載力特征值Ra，安全系數(shù)取2。

2)樁體試塊抗壓強(qiáng)度平均值fcu

3)CFG樁復(fù)合地基承載力特征值fspk

按規(guī)范[6]，樁間土承載力折減系數(shù)取β=0.7；處理后樁間土承載力特征值取低能級強(qiáng)夯后達(dá)到要求的fsk=160kPa；CFG樁按2m×2m間距布置，對應(yīng)的面積置換率由此得復(fù)合地基承載力特征值=296kPa＞260kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4)復(fù)合地基壓縮模量Es

由于第①層素填土在強(qiáng)夯時(shí)基本被灰?guī)r碎塊及石料置換掉，環(huán)墻基礎(chǔ)落在置換層上，其下臥層則為第②層粉質(zhì)黏土，壓縮模量為6.4MPa。強(qiáng)夯后土層fak=160kPa，CFG壓縮模量提高系數(shù)若要使復(fù)合地基滿足Es≥ 18MPa，則必須使置換層及第②層粉質(zhì)黏土的壓縮模量在強(qiáng)夯后達(dá)到10MPa以上，而這一要求通過強(qiáng)夯是不難實(shí)現(xiàn)的。即CFG樁復(fù)合地基的Es能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 變形驗(yàn)算

儲罐地基變形特征有三個(gè)：整體傾斜（任意直徑方向）、罐周邊不均勻沉降、罐中心與周邊沉降差。規(guī)范對這三個(gè)特征均有量化的允許值，以此作為控制儲罐地基變形的指標(biāo)。本項(xiàng)目每座10×104m3內(nèi)浮頂儲罐直徑Dt=80m，沿周邊布置12個(gè)勘探點(diǎn)，每個(gè)勘探點(diǎn)的沉降差可視為罐周邊不均勻沉降。查規(guī)范[1]得：

據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示:在回答“我碰到問題首先找誰商量”時(shí)，選擇同伴選項(xiàng)的占70%，選擇父母的占10%，選擇老師的占8%，選擇其他的占12%。這表明，當(dāng)學(xué)生碰到麻煩時(shí)，他們首先想到的是自己的同伴。社會心理學(xué)的研究證明，與在各方面接近自己的人交往，人們普遍更能打開話題，交友交心，因?yàn)槿穗H吸引具有一致性原則，相似的人更容易相互肯定，更容易進(jìn)行平等交往，也更能增強(qiáng)交往的效果。

儲罐底板一般都設(shè)計(jì)成一定坡度，從圓心坡向四周，既有工藝操作流程上的要求，也有對罐底板采取措施抵消較大變形的考慮，類似于大跨度結(jié)構(gòu)跨中起拱的原理。本工程儲罐底板采用2%的設(shè)計(jì)坡度（起拱），規(guī)范要求沉降穩(wěn)定后底板的坡度≥0.008，也就是說罐中心與周邊沉降差應(yīng)≤2%～0.008，則(半徑40m)：

以T-001C儲罐為例，見圖1，根據(jù)各個(gè)鉆孔的土層信息進(jìn)行沉降計(jì)算，得到罐中心點(diǎn)及周邊12個(gè)點(diǎn)的沉降值，再取相互兩點(diǎn)的沉降值之差與比較，即可驗(yàn)算該儲罐地基變形是否滿足規(guī)范要求。T-001C儲罐沉降驗(yàn)算見表4～表7，其余儲罐同此做法進(jìn)行驗(yàn)算。

表4 T-001C罐各鉆孔沉降值

表5 T-001C罐整體傾斜(任意直徑方向)

表6 T-001C罐周邊不均勻沉降

表7 T-001C罐中心點(diǎn)ZK98與周邊沉降差(沉降穩(wěn)定后)

5個(gè)點(diǎn)超出限值。分析原因，是由于計(jì)算各鉆孔沉降值時(shí)采用了原始土層的壓縮模量，該鉆孔中軟弱層較厚致使計(jì)算值偏大，如ZK108的沉降值達(dá)25.8cm。而實(shí)際上，在CFG樁施工前，場地進(jìn)行了低能級的強(qiáng)夯，有關(guān)位置的壓縮模量應(yīng)比原始壓縮模量要大得多，實(shí)際的計(jì)算值基本能滿足設(shè)計(jì)要求。另一方面，儲罐選用整體剛度較大的環(huán)墻式基礎(chǔ)，對罐周邊不均勻沉降有良好調(diào)節(jié)作用，實(shí)踐證明了該地基處理方案是可行的。

5 實(shí)測沉降結(jié)果及分析

儲罐施工完成后進(jìn)行充水預(yù)壓試驗(yàn)，實(shí)測各儲罐的平均沉降值、整體傾斜最大值(任意直徑方向沉降差最大值)、罐周邊不均勻沉降最大值(相鄰點(diǎn)沉降差最大值)，列于表8、表9。

表8 挖方區(qū)采用高能級強(qiáng)夯后各儲罐實(shí)測沉降

表9 填方區(qū)采用低能級強(qiáng)夯+CFG樁處理后各儲罐實(shí)測沉降

另一方面，比較強(qiáng)夯法與強(qiáng)夯+CFG樁法的沉降結(jié)果實(shí)測值，雖然前者（高能級強(qiáng)夯法）的整體平均沉降比后者（低能級強(qiáng)夯+CFG樁法）小，但整體傾斜、周邊沉降差這兩個(gè)規(guī)范給出的主要控制指標(biāo)，前者均比后者大，說明后者在儲罐地基處理的使用上效果更優(yōu)。深入分析原因，CFG樁復(fù)合地基由于使用物理力學(xué)性質(zhì)更好的填料形成增強(qiáng)體置換了部分土體，對于各個(gè)測點(diǎn)的沉降值來說比較平均，由此算得的傾斜、沉降差數(shù)值相對?。欢谟?jì)算復(fù)合地基變形時(shí)，除了復(fù)合土層自身的變形，還需計(jì)算以下未加固土層的變形（即計(jì)算深度應(yīng)大于復(fù)合土層深度），因此算得的地基整體變形有可能大于采用高能級強(qiáng)夯后的地基變形。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目在挖填方場區(qū)進(jìn)行大型儲罐基礎(chǔ)的施工，總結(jié)以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。

1)儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，除了計(jì)算地基承載力，還需要重視地基變形驗(yàn)算。規(guī)范給出了三個(gè)變形控制指標(biāo)：整體傾斜（任意直徑方向）、罐周邊不均勻沉降和罐中心與周邊沉降差（沉降穩(wěn)定后）。

2)當(dāng)具備可行性和適用性時(shí)，大型儲罐地基基礎(chǔ)采用強(qiáng)夯法或復(fù)合地基比直接采用樁基礎(chǔ)更具經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。

3)挖方區(qū)采用15 000kN·m以上的高能級強(qiáng)夯加固，填方區(qū)采用4000kN·m低能級強(qiáng)夯+CFG樁復(fù)合地基，兩者均可取得良好的地基處理效果，并可滿足大型儲罐對地基承載力和變形的要求。

4)罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)也可視為地基處理的延伸，環(huán)墻式基礎(chǔ)整體剛度大，對差異沉降有一定調(diào)節(jié)作用，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合上比其他基礎(chǔ)形式更加均衡。

【1】GB 50473—2008鋼制儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【2】羅聰.中洛線石油儲罐地基處理技術(shù)分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015（4）：45-46.

【3】劉暢.大型儲罐地基的選擇以及計(jì)算[J].硅谷，2014（1）：89-90.

【4】林齊云.基于碎石樁復(fù)合地基的鋼儲罐地基加固分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（7）：44-44.

【5】趙榮超.淺析大型儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與地基處理[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015(29)：68-69.

【6】JGJ79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

Application of theDynamic CompactionMethod and CFG Pile Method in StorageTank Foundation Treatment Project

RUAN Guang-xiong
(GuangdongGlobalConstructionEngineeringCo.Ltd.，Guangzhou 510655，China)

The foundation design of large storage tanks in petrochemical industry has an important influence on the whole project. CombinedwithanactualprojectwhichusingthedynamiccompactionmethodandCFGpilemethodtodealwiththestoragetankfoundation, theselectionandtreatmenteffectoftheprogramisanalyzedfromadesignpointofview,andthesummaryofthesettlementmonitoringresults are summarized.Some practical experience in the design of large storage tank foundation is put forward,which provides reference for the designandconstructioninthefuture.

storagetank;foundation;dynamiccompactionmethod;CFGpile;compositefoundation

TU472

B

1007-9467（2016）07-0086-04

2016-02-15

阮廣雄（1980～），男，廣東南海人，工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）rgx1980@163.com。