彌補(bǔ)振沖碎石樁地基處理承載力不足的方法

孟憲中， 張國堂， 宋 剛， 金 晶， 鄭鵬飛

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 徐州 221004； 2.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093)

為了提高中國石化企業(yè)的國際競爭力，更好地利用國際進(jìn)口原油資源，提高企業(yè)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，中國石化正逐步建設(shè)原油商業(yè)儲備基地。曹妃甸原油商業(yè)儲備庫項(xiàng)目是中國石化在華北地區(qū)建設(shè)的企業(yè)原油商業(yè)儲備基地之一，其建設(shè)有利于國家石油資源的合理配置，是保障國家原油儲備安全的重要戰(zhàn)略舉措，同時也將對把曹妃甸工業(yè)區(qū)建成我國新興的戰(zhàn)略性石化產(chǎn)業(yè)基地起到直接推動作用。

隨著儲罐設(shè)計(jì)和施工工藝的日趨完善和成熟，各種地基處理方法可以成功地解決儲罐基礎(chǔ)的不均勻沉降問題[1]。采用振沖碎石樁加固油罐地基，是一種經(jīng)濟(jì)合理的油罐地基加固方法，但是基礎(chǔ)處理不好，儲罐儲油后會發(fā)生不均勻下沉或地基局部塌陷[2]，造成罐壁撕裂或罐底板斷裂。彌補(bǔ)振沖碎石樁加固油罐地基的承載力不足問題，在不同工程地質(zhì)條件下采用不同的改良方法，是值得討論的問題。

1 工程概況

曹妃甸地處唐山南部的渤海灣西岸，位于天津港和京唐港之間，南面略高于北面，四周略高于中間，總面積為16 km2，距大陸最近點(diǎn)(林雀)17 km。至今已有5500多年的歷史，因島上原有曹妃廟而得名。

“面向大海有深槽，背靠陸地有灘涂”是曹妃甸最明顯的特征和優(yōu)勢，為大型深水港口和臨港工業(yè)的開發(fā)建設(shè)，提供了得天獨(dú)厚的條件。擬建曹妃甸原油商業(yè)儲備基地工程項(xiàng)目位于曹妃甸島的東南角，遷曹線(公路)16 km+000處東北側(cè)，距曹妃甸原油碼頭約7 km，庫區(qū)建設(shè)為320萬m3原油儲罐(單罐容量10萬m3)，占地1243 m×538 m。為達(dá)到工程項(xiàng)目主體方提出的單樁復(fù)合地基承載力≥260 kPa的要求，考慮到工程情況、加固面積、土石方運(yùn)輸以及工程造價(jià)等條件，決定采用振沖碎石樁復(fù)合地基施工。

2 地質(zhì)概況

本項(xiàng)目總共32個罐，每4個罐分為一區(qū)，共計(jì)8個罐區(qū)。根據(jù)野外鉆探現(xiàn)場鑒別和原位測試結(jié)果，結(jié)合土工試驗(yàn)成果，對其中擬建罐區(qū)八場地內(nèi)各主要地基土層的工程特性評述如下：

①強(qiáng)夯加固層：由沖填土和海相沉積粉細(xì)砂組成，經(jīng)強(qiáng)夯處理，加固效果較明顯，水平向地層分布較穩(wěn)定，土質(zhì)較均勻，強(qiáng)度較高，僅表層及沖填土與原地面接觸部位土質(zhì)較差。

①1沖填土：沖填后受強(qiáng)夯影響較小，分布不穩(wěn)定，厚度小，強(qiáng)度較低。

②1粉細(xì)砂：分布不穩(wěn)定，不連續(xù)，厚度較小，且土質(zhì)不均，底部土質(zhì)較弱，強(qiáng)度相對較低。

②粉細(xì)砂：分布較穩(wěn)定，層厚較大，工程力學(xué)性質(zhì)較好。

②2粉砂夾粉質(zhì)粘土：分布較穩(wěn)定，但土質(zhì)不均，局部較軟弱，工程性質(zhì)相對較差。

③粉質(zhì)粘土夾粉砂：分布較穩(wěn)定，但土質(zhì)軟，且不均勻，夾薄層粉砂或砂團(tuán)，埋深較大，是本場地的軟弱地基土層。

③1粉砂：分布不穩(wěn)定，不連續(xù)，土質(zhì)較好，強(qiáng)度較高。

④粉質(zhì)粘土及粉土：分布較穩(wěn)定，土質(zhì)不均，局部夾粉砂層，埋深較大，強(qiáng)度一般，可作為復(fù)合地基樁端持力層。

⑤粉質(zhì)粘土及粘土：分布穩(wěn)定，層厚較大，埋深較大，土質(zhì)較好，可作為預(yù)制樁樁端持力層。

⑤1粉土：分布不穩(wěn)定，且層厚不大，但埋深較大，土質(zhì)較好，可作為預(yù)制樁樁端持力層。

⑥粉細(xì)砂：分布穩(wěn)定，層厚大，埋深大，土質(zhì)好，是本場地良好的樁端持力層。

工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

場地地下水主要為賦存于上部第四系土層中的孔隙潛水和下部砂層中的微承壓水，由于場地為原海域吹填造地形成，吹填用水和砂均取自大海，周邊陸地也是吹填造地形成，故目前場地淺層地下水主要為海水，水位近地表。地下水主要接受大氣降水及周邊區(qū)域地表水或地下水補(bǔ)給，大氣蒸發(fā)及人工汲水為其主要排泄途徑。

水對混凝土結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性；在長期浸水條件下，水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性，在干濕交替條件下，水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具強(qiáng)腐蝕性，水對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

3 振沖碎石樁設(shè)計(jì)要求

3.1 密實(shí)電流與留振時間

對振沖碎石樁而言，密實(shí)電流和留振時間并不是單一控制指標(biāo)，密實(shí)電流與留振時間是息息相關(guān)，尤其是在軟粘土地基中設(shè)計(jì)振沖碎石樁，要把密實(shí)電流和留振時間統(tǒng)一考慮[3]。本工程采用振沖器功率130 kW。其中加密電流-空載電流>50 A，如圖2所示樁身結(jié)構(gòu)，上部10 m樁徑1.3 m段留振時間>10 s，下部20 m樁徑1.2 m段留振時間>8 s，加密段長度300～500 mm，造孔水壓0.4～0.6 MPa，加密水壓0.3～0.5 MPa。

3.2 填料量

填料量是指樁長方向每米需要的碎石量，只有當(dāng)填料量滿足設(shè)計(jì)要求時才能達(dá)到要求的置換率，從而起到提高地基承載力的作用[4]。在碎石樁的振制過程中，每批填料不宜過多，并應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求均勻控制，采取“少吃多餐”的原則。

振沖碎石樁的填料量在樁長確定的條件下由樁徑?jīng)Q定，樁徑由造孔孔徑和填料加密向外擠擴(kuò)程度決定(造孔孔徑和填料加密向外擠擴(kuò)程度與原地層的軟硬、松散密實(shí)有著很大的關(guān)系)，樁徑控制由加密電流、留振時間和水壓調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

單樁填料量的計(jì)算不能僅依據(jù)松散石料的體積進(jìn)行，實(shí)際上石料在松散堆積和密實(shí)狀態(tài)下的差別較大，本文認(rèn)為使用松散石料計(jì)量時單樁最小填料量按下式[5]計(jì)算：

圖1工程地質(zhì)剖面
Fig.1Engineering geology profile

圖2 振沖碎石樁樁身結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of vibro-replacement stone piles

(1)

式中：d——設(shè)計(jì)樁徑；L——設(shè)計(jì)樁長；k——密實(shí)系數(shù)，取1.1～1.2。

3.3 樁距設(shè)計(jì)計(jì)算

振沖碎石樁復(fù)合地基樁間距的設(shè)計(jì)是整個設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，在初步設(shè)計(jì)時復(fù)合地基的承載力特征值可按下式[6]計(jì)算：

fspk=〔1+m(n-1)〕fsk

(2)

式中：fspk——碎石樁復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa：m——面積置換率；n——樁土應(yīng)力比,無實(shí)測資料時可取2～4。

在本項(xiàng)目中，按照主體方提出的設(shè)計(jì)要求，碎石樁單樁復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值≥260 kPa，即此處取值為260 kPa。

3.4 樁長、樁徑及處理范圍確定

根據(jù)振沖碎石樁復(fù)合地基樁長及處理范圍設(shè)計(jì)原則，結(jié)合曹妃甸原油商業(yè)儲備基地工程狀況對樁長和加固范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，且對于場地內(nèi)土層被評價(jià)為易液化土層的地基土，樁長的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮穿透易液化土層。但液化土層埋置較深時，可參照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 500011-2011)[7]有關(guān)規(guī)定確定。建筑物建成后，地基在荷載作用下會產(chǎn)生不均勻沉降，當(dāng)不均勻沉降過大時，會導(dǎo)致建筑物發(fā)生破壞[8]，為減小不均勻沉降．可考慮不同分區(qū)采用不同樁長設(shè)計(jì)的方法。

根據(jù)儲油罐建設(shè)工程的經(jīng)驗(yàn)，沉降量一般為由儲油罐中心向外逐漸減小。由于儲罐半徑40 m，考慮到施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件等各項(xiàng)因素，碎石樁處理范圍應(yīng)大于基底范圍，處理寬度在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大4排。對可液化地基，基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大寬度不應(yīng)小于可液化土層厚度的1/2，并不小于5 m[9]。

3.5 振沖碎石樁復(fù)合地基平面布置及要求

以原油罐區(qū)八T-29號罐為例，振沖碎石樁布置見圖3，該罐樁數(shù)為1519根；具體樁長應(yīng)按現(xiàn)場的實(shí)際地質(zhì)情況確定，但不得小于30 m。

圖3振沖碎石樁樁位布置
Fig.3Layout of vibro-replacement stone piles

樁的施工及工程質(zhì)量驗(yàn)收按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79-2002)、《石油化工鋼儲罐地基處理技術(shù)規(guī)范》(SH/T 3083-1997)及《水電水利工程振沖法地基處理規(guī)范》(DL/T 5214-2005)中的相關(guān)要求。

樁體材料采用含泥量≯5%的碎石，粒徑為20～150 mm，振沖碎石樁施工完畢后將頂部的松散樁體挖除，隨后分層夯實(shí)鋪設(shè)500 mm厚的碎石墊層，壓實(shí)系數(shù)≮0.95，單樁復(fù)合地基承載力特征值>260 kPa。

4 質(zhì)量檢驗(yàn)與效果分析

4.1 檢測工作布置

按照要求，在所有各罐碎石樁施工完成15天后，采用單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，單樁靜載試驗(yàn)，樁間土靜載試驗(yàn)，樁間土鉆孔取土、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，靜力觸探試驗(yàn)，樁體及樁周邊超重型動力觸探試驗(yàn)，樁間土壓力盒測試等方法進(jìn)行綜合對比檢測[10-14]。結(jié)合實(shí)際情況，本文主要對T-29號罐進(jìn)行描述，詳見表1。

4.2 檢測結(jié)果與效果分析

4.2.1 單樁復(fù)合地基靜載實(shí)驗(yàn)

單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可見，Pc29-1-1、Pc29-13-61、Pc29-19-69號等3個試驗(yàn)點(diǎn)復(fù)合地基承載力特征值為227.5 kPa，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，其余5個試驗(yàn)點(diǎn)復(fù)合地基承載力特征值≥260 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 T-29號罐碎石樁施工后檢測工作布置Table 1 Test arrangement for the vibro-replacement piles for Tank T-29

表2 T-29號罐單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 2 Static load test results of the single pile composite foundation for Tank T-29

4.2.2 單樁靜載實(shí)驗(yàn)

單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果見表3，該罐碎石樁單樁淺層承載力特征值431～633 kPa，離散性較大，平均為547.4 kPa。

表3 T-29號罐單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 3 Static load test results of single piles for Tank T-29

4.2.3 樁間土靜載實(shí)驗(yàn)

樁間土靜載試驗(yàn)結(jié)果見表4，該罐區(qū)場地持力層的樁間土承載力特征值建議取185.6 kPa。

表4 T-29號罐樁間土靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 4 Static load test results of soil between piles for Tank T-29

5 補(bǔ)強(qiáng)處理方案

針對T-29號罐局部樁基檢測結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求的主要原因分析：由于制樁過程中振動、擠壓和擾動等因素的影響，使樁間土中出現(xiàn)了較大的超靜孔隙水壓力，樁間土的強(qiáng)度相應(yīng)降低，而造地時此區(qū)域?yàn)榕潘?，為整個場地的最低點(diǎn)，土層含水率始終處于飽和狀態(tài)[15]，地質(zhì)條件相對其他區(qū)域較差；此區(qū)域在樁基施工期間，商儲庫場地周圍造地同時進(jìn)行，目前商儲庫場地周圍造地約高出1 m左右，致使地下水位一直處于高水位狀態(tài)；施工期間平均降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試樁施工時的降水量。以上原因造成原地基土層對樁的束縛力較差[16]，振沖碎石樁施工時對此類地質(zhì)條件無針對性施工，施工后樁體對樁間土的擠密作用較小[17]，只達(dá)到了置換的作用，承載力提高約30%左右，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

針對以上情況，為了避免水壓振沖擾動，提出采用干法振沖碎石樁補(bǔ)強(qiáng)處理方案，即沉管碎石樁方案[15]：樁身長6 m，能夠穿入松散層；樁徑0.5 m，對原樁體不會產(chǎn)生破壞作用[18]，對樁間土的二次擠密作用能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。沉管碎石樁復(fù)合地基平面布置如圖4。

圖4沉管碎石樁樁位布置
Fig.4Layout of sinking pipe stone piles

該罐共完成振沖碎石樁1519根，其中罐基礎(chǔ)范圍內(nèi)為1141根，罐基礎(chǔ)外為378根。

共完成沉管碎石樁1083根，均位于罐基礎(chǔ)范圍內(nèi)，樁長為6 m，樁徑均為0.5 m。

6 補(bǔ)強(qiáng)后質(zhì)量檢驗(yàn)與效果分析

按照要求，在本罐沉管碎石樁施工完成7天后，采用單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)對復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測，相關(guān)檢測要求見表5，靜載試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 T-29號罐沉管碎石樁施工后檢測工作布置Table 5 Test arrangement for sinking pipe stone piles for Tank T-29

在本罐沉管碎石樁施工完成后，共進(jìn)行了6個點(diǎn)單樁(振沖碎石樁)復(fù)合地基靜載實(shí)驗(yàn)，在2.1、2.2、2.3 m樁間距各進(jìn)行了2個點(diǎn)。壓板邊長對應(yīng)m2，最大至最大荷載(520 kPa)時，均未出現(xiàn)沉降急劇增大、土擠壓、層壓板周圍明顯隆起等現(xiàn)象，最終沉降量為26.16～55.68 mm，均小于壓板寬度的10%。

表6 T-29號罐補(bǔ)強(qiáng)后單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 6 Static load test results of the single pile composite foundation after reinforcement for Tank T-29

加載量為復(fù)合地基承載力特征值的2倍即520 kPa，單級荷載按照65 kPa進(jìn)行加載，表6中6個點(diǎn)的單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示，各檢測點(diǎn)加載根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，復(fù)合地基承載力特征值取最大加載量的一半和s/b=0.02(即40 mm)所對應(yīng)的壓力兩者小值作為復(fù)合地基承載力特征值，結(jié)果顯示各檢測點(diǎn)復(fù)合地基承載力特征值≥260 kPa。

7 結(jié)語

振沖碎石樁在軟土中成樁與土層的約束力有密切的關(guān)系，特別是抗剪強(qiáng)度過低的軟土，不易成樁，存在樁身不密實(shí)或者充盈率過大的現(xiàn)象。因此對超軟土進(jìn)行振沖碎石樁施工時，對樁徑、樁間距、密實(shí)電流、留振時間、加密段長度等參數(shù)的確定宜慎重，應(yīng)通過現(xiàn)場設(shè)置試驗(yàn)區(qū)驗(yàn)證給設(shè)計(jì)及施工人員提供參數(shù)，根據(jù)不同的地質(zhì)條件因地制宜地設(shè)計(jì)和選擇施工方法。鑒于振沖碎石樁在曹妃甸原油商業(yè)儲備基地工程中的應(yīng)用，采取沉管碎石樁進(jìn)行再次處理后，其形成的碎石樁復(fù)合地基既發(fā)揮原土的負(fù)載能力，又加入了強(qiáng)度高的樁體承擔(dān)更大的荷載，很大程度的提高了地基的承載力和穩(wěn)定性，減少了地基在荷載下的沉降量，加固效果較明顯。不同的方法不同的工藝在施工中的改進(jìn)有待探討和驗(yàn)證，也值得今后在類似的工程建設(shè)中有選擇性地應(yīng)用和推廣。