國(guó)外某大型原油儲(chǔ)罐地基處理方案比選設(shè)計(jì)

趙洪輝 蘭 斐

青島中油巖土工程有限公司 山東 青島 266000

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，大型儲(chǔ)罐在石油、化工及油氣田等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這類儲(chǔ)罐具有直徑大、荷載重等特點(diǎn)[1]。大型儲(chǔ)罐建設(shè)過(guò)程中，其基礎(chǔ)面積較大，經(jīng)常會(huì)遇到軟弱、不均勻等不良土層作儲(chǔ)罐的地基，因此必須選取合適的方式對(duì)儲(chǔ)罐地基進(jìn)行處理。

對(duì)一個(gè)大型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)工程，地基處理方式的合理與否關(guān)系到整個(gè)工程項(xiàng)目的質(zhì)量、進(jìn)度和成本。當(dāng)今儲(chǔ)罐地基處理日益得到人們重視，本文的研究分析為后續(xù)相關(guān)大型儲(chǔ)罐地基處理方式的選擇提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)[2-4]。

1 工程概況

項(xiàng)目位于非洲貝寧南部海邊，地貌類型為濱海沉積地貌，場(chǎng)地平坦，局部為草地，部分為低矮的灌木叢。

勘察期間，正值雨季。在勘察深度范圍內(nèi)的地下水主要為第四系孔隙潛水，勘察場(chǎng)地內(nèi)地下水受到雨季降雨的影響，水位埋深較淺，平均水位1.8m。補(bǔ)給來(lái)源主要為諾奎湖及其泄洪通道及大氣降水，以蒸發(fā)和地下徑流方式排泄。根據(jù)勘察資料，場(chǎng)地內(nèi)存在多個(gè)軟弱層（⑤粉質(zhì)黏土、⑨- 1 泥炭質(zhì)土、12 含砂粉質(zhì)黏土、13 - 3 泥炭質(zhì)土），為確保軟弱下臥層承載力滿足設(shè)計(jì)要求，需分析確定合理地基處理方案，現(xiàn)場(chǎng)各地層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 場(chǎng)地地層條件

本工程設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐直徑為80m，儲(chǔ)罐高度為22m，設(shè)計(jì)使用年限為50a；建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)；儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。

2 天然狀態(tài)地基承載力驗(yàn)算

2.1 罐底地基承載力要求

十萬(wàn)立鋼制儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)參數(shù)如下：儲(chǔ)罐直徑D=80m，儲(chǔ)罐高度22m，儲(chǔ)罐最大充水重量1.15×106kN。計(jì)算得儲(chǔ)罐地基最大充水受壓（P 最大）計(jì)算式見式（1）。因此，要求罐底地基承載力不小于230kPa，且軟弱下臥層滿足承載力要求。

2.2 儲(chǔ)罐地基承載力驗(yàn)算

2.2.1 罐底承載力驗(yàn)算

罐底地基土按②中砂層（fak=190kPa）考慮，經(jīng)深度修正后（埋深2m）承載力（fa）的計(jì)算式見式（2）。fa=322kPa＞230kPa，即天然基底承載力滿足設(shè)計(jì)承載力計(jì)算要求。

2.2.2 軟弱下臥層承載力驗(yàn)算

對(duì)于⑤粉質(zhì)黏土，根據(jù)《鋼制儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50473- 2008) 附錄A，計(jì)算得下臥層頂面處附加應(yīng)力約為188kPa，層頂標(biāo)高取16.5m。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007- 2011）5.2.7 條規(guī)定[式（3）]：

其中：

可見，不滿足pz+pcz＜faz 要求，即天然狀態(tài)下⑤層軟弱下臥層不滿足設(shè)計(jì)承載力計(jì)算要求。

同理對(duì)⑨- 1 泥炭質(zhì)土層（層頂標(biāo)高取39.5m）進(jìn)行軟弱下臥層承載力驗(yàn)算，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，本儲(chǔ)罐施工項(xiàng)目必須進(jìn)行地基加固處理，以滿足軟弱下臥層承載力計(jì)算要求。由軟弱下臥層埋深，可判斷地基處理深度至少達(dá)到30m。

3 地基處理方案初選

結(jié)合本項(xiàng)目施工特點(diǎn)、地層條件及上述承載力分析結(jié)果，本項(xiàng)目需采取措施對(duì)軟弱下臥層進(jìn)行處理，避免地基不均勻沉降變形。處理方式主要包括樁基礎(chǔ)（灌注樁、鋼管樁）、復(fù)合地基（CFG 樁、高壓旋噴樁、攪拌樁）。

3.1 灌注樁

目前較為常見的灌注樁施工工藝主要包括：泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁、長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁后插鋼筋籠、沖孔灌注樁、干作業(yè)鉆/ 挖孔灌注樁及沉管灌注樁。現(xiàn)場(chǎng)地層以砂土（中密為主）、黏土為主，地下水位- 2m 左右，樁長(zhǎng)至少30m。為此，可采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁施工工藝。

3.2 鋼管樁

鋼管樁是采用鋼管作為樁體，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)錘擊沉樁或靜壓沉樁，使樁端深入至持力土層就位，采用焊接接樁、分段送入的施工方式。該工法適用土層范圍較廣、樁體強(qiáng)度高、施工周期短、當(dāng)?shù)赜蓄愃乒こ贪咐?、樁基質(zhì)量相對(duì)有保障。為此，可采用鋼管樁施工工藝。

3.3 CFG 樁

CFG 樁為水泥粉煤灰碎石樁，樁和樁間土通過(guò)褥墊層形成CFG 樁復(fù)合地基。CFG 樁在受力特性方面介于碎石樁和鋼筋混凝土樁之間，樁身具有一定剛度，樁體承載力取決于樁側(cè)摩阻力和樁端端承力之和或樁體材料強(qiáng)度。本工程為滿足軟弱下臥層承載力要求，同時(shí)考慮到樁端宜落在承載力較高土層，CFG 樁長(zhǎng)需達(dá)到30m 及以上，地層多含中密及以上砂層，現(xiàn)有長(zhǎng)螺旋工藝無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求深度，故不適合采用。

3.4 高壓旋噴樁

旋噴樁是以高壓旋轉(zhuǎn)的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合形成的水泥加固體，由旋噴樁和原地基土組成共同承擔(dān)荷載的人工地基稱為旋噴樁復(fù)合地基。該工法適用于砂土、黏土地層，有效加固深度30m 以上，外購(gòu)材料少、施工振動(dòng)小、噪聲較低、成本低、周期短。為此，高壓旋噴樁工藝適用于本場(chǎng)地。

3.5 攪拌樁

水泥土攪拌樁適用于處理黏性土、砂土（松散、中密）等，不適用于密實(shí)的砂類土，以及地下水滲流影響成樁質(zhì)量的土層。本工程現(xiàn)場(chǎng)地層含多層中密～密實(shí)砂土，且地下水具有一定的流動(dòng)性，因此不適用。

4 地基處理方案技術(shù)/經(jīng)濟(jì)比選

經(jīng)初步選擇，該工程地基處理方案可在灌注樁、鋼管樁和高壓旋噴樁三種方案中進(jìn)行選擇。

4.1 鋼筋混凝土灌注樁

設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐采用鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)，以?層中粗砂為樁端持力層，設(shè)計(jì)有效樁長(zhǎng)43m，樁端進(jìn)入持力層≥1.2m，樁徑800mm，單個(gè)儲(chǔ)罐樁基礎(chǔ)數(shù)量為361 根，均勻?qū)ΨQ布置。樁身混凝土C40，樁身主筋規(guī)格均為12C16mm，樁頂下4m 范圍內(nèi)螺旋箍筋為C8@100，其余段箍筋為C8@200，加強(qiáng)箍為C16@2000，加強(qiáng)箍與主筋焊接。項(xiàng)目總造價(jià)預(yù)估3900 萬(wàn)美元，樁基施工總工期約5～6 個(gè)月。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)單樁承載力特征值為儲(chǔ)罐最大重量÷設(shè)計(jì)總樁數(shù)=1.15×106÷ 361=3185kN；根據(jù)地層參數(shù)及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算得該型樁單樁承載力特征值為3700kN＞3185kN，滿足承載力要求。

4.2 鋼管樁

設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐采用Φ600×14 閉口型鋼管樁基礎(chǔ)，以⑧層粉質(zhì)黏土為樁端持力層，設(shè)計(jì)有效樁長(zhǎng)28m，樁端進(jìn)入持力層≥1.0m，單個(gè)儲(chǔ)罐樁基礎(chǔ)數(shù)量為725 根，均勻?qū)ΨQ布置。鋼樁年腐蝕速率在水位波動(dòng)區(qū)的最大值為0.3mm/ y，本設(shè)計(jì)鋼管樁腐蝕余量按2mm 考慮,基樁外表面刷2mm 厚雙組份環(huán)氧涂料，涂層黏結(jié)強(qiáng)度不小于11MPa。項(xiàng)目總造價(jià)預(yù)估4600 萬(wàn)美元，樁基施工總工期約2～3 個(gè)月。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)單樁承載力特征值為儲(chǔ)罐最大重量÷設(shè)計(jì)總樁數(shù)=1.15×106÷725=1586kN；根據(jù)地層參數(shù)及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算得該型樁單樁承載力特征值為1900kN＞1586kN，滿足承載力要求。

4.3 高壓旋噴樁

設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐地基采用雙管高壓旋噴樁進(jìn)行加固處理，處理深度30m，樁端落在⑧層粉質(zhì)黏土上，樁端進(jìn)入持力層≥1.0m，樁徑600mm，正方形布置，樁間距為1.3m，復(fù)合地基面積置換率為m≈16.7%。水泥材料采用P.O 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比宜為0.8～1.0，注漿壓力≥25MPa，注漿量80～120L/ min，空氣壓力0.7MPa，提升速度10～20cm/ min，轉(zhuǎn)速8～16cm/ min。項(xiàng)目總造價(jià)預(yù)估2800 萬(wàn)美元，樁基施工總工期約3～4 個(gè)月。

驗(yàn)算得到，經(jīng)高壓旋噴樁加固處理后，儲(chǔ)罐軟弱下臥層承載力滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

通過(guò)對(duì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)三方案進(jìn)行綜合比選，混凝土灌注樁方案施工周期長(zhǎng)、當(dāng)?shù)厥硬牧蟻?lái)源不便，基礎(chǔ)造價(jià)較高；鋼管樁方案雖然原料供應(yīng)方便、施工周期短，但其成本較高，對(duì)防腐質(zhì)量要求較高；旋噴樁復(fù)合地基成本低、工期相對(duì)較短，原材料主要為水泥，受原材料制約少，故推薦選用高壓旋噴樁進(jìn)行儲(chǔ)罐地基加固處理。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于某大型儲(chǔ)罐地基處理工程，提出了高壓旋噴樁復(fù)合地基加固技術(shù)方案，借助地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，詳細(xì)計(jì)算了加固處理后復(fù)合地基的承載能力，確保設(shè)計(jì)方案滿足上部結(jié)構(gòu)載荷要求。目前復(fù)合地基和柔性基礎(chǔ)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大型儲(chǔ)罐地基處理領(lǐng)域，此類地基處理方案相對(duì)較經(jīng)濟(jì)，已在大量工程中得到廣泛應(yīng)用，并取得良好的工程效果。