振沖法加固大型儲(chǔ)罐軟土地基的工程實(shí)踐

左亞銳

誠(chéng)通企業(yè)管理（北京）有限公司（外包至中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司），北京 101399

阿爾及利亞某煉油廠位于該國(guó)SKIKDA工業(yè)區(qū)內(nèi)，整個(gè)廠區(qū)坐落在地中海南岸的一盆地內(nèi)，廠區(qū)內(nèi)的儲(chǔ)罐群由16座儲(chǔ)罐組成，其中最大的儲(chǔ)罐罐容為36 600 m3，罐體采用鋼制焊接浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，罐直徑52 m，罐高21.40 m，采用鋼筋混凝土環(huán)墻基礎(chǔ)。根據(jù)工藝要求，儲(chǔ)罐底面高出地面1 m。儲(chǔ)罐底面荷載為225 kN/m2，由于天然地基的承載力只有130 kN/m2，因此，需要對(duì)地基進(jìn)行處理。

該建設(shè)場(chǎng)地的地基土屬于第四系濱海相沉積與沖洪積的軟弱黏性土及粉細(xì)砂、含淤泥質(zhì)黏土等，基巖埋深大于48 m。在勘探深度范圍內(nèi)，自上而下地層分為7層：①肥沃黏土：呈軟塑～可塑狀態(tài)，屬高壓縮性土，平均厚度2.63 m；②中粗砂：級(jí)配不良，分選較差，飽和，松散～稍密狀態(tài)，中等～嚴(yán)重液化，平均層厚3.40 m，該層夾有黏粒含量較高的飽和粉砂，且為2層；③肥沃黏土：可塑～硬塑狀態(tài)，中高壓縮性土，平均厚度5.75 m；④肥沃黏土：由上而下呈軟塑～可塑狀態(tài)，部分呈流塑狀態(tài)，高壓塑性土，欠固結(jié)，有機(jī)質(zhì)含量較高，平均厚度21 m，該層含有5層粉細(xì)砂夾層；⑤肥沃黏土：呈可塑～硬塑狀態(tài)，屬中壓縮性土，該層中部一般夾有1～2層粉細(xì)砂透鏡體，平均厚度41.59 m，該層大部分未揭穿；⑥黏土質(zhì)圓礫：巖性不均勻，含大量的礫石及砂粒、鐵錳結(jié)核等，磨圓中等，呈渾圓狀，粒徑2～50 mm，層狀分布，呈飽和、中密狀態(tài)，該層大部分未揭穿或未揭露，在已揭穿的鉆孔中，厚度平均1.47 m，該層主要分布在第⑦層基巖風(fēng)化帶頂部，為沖洪積成因，礫石的成分為下伏母巖的風(fēng)化產(chǎn)物；⑦基巖：強(qiáng)度高，壓縮性極低，并且樁不進(jìn)入該層。

1 地基處理方案的選擇

選擇在軟土地基上進(jìn)行大型儲(chǔ)罐建造，產(chǎn)生較大沉降和不均勻沉降的情況時(shí)有發(fā)生，甚至地基有可能發(fā)生局部破壞和整體滑動(dòng)，導(dǎo)致儲(chǔ)罐無(wú)法使用。因此大型儲(chǔ)罐對(duì)罐基礎(chǔ)的變形限值進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定（見表1）[1-2]，而地基應(yīng)能夠滿足罐基礎(chǔ)變形限值的要求。

表1 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)變形限值

根據(jù)地質(zhì)和土的物理力學(xué)性質(zhì)及原位測(cè)試的成果，儲(chǔ)罐主要持力層為①～④層，其中除第②層為可液化的飽和砂層外，①、③、④層均為軟弱的肥沃黏土，具有含水量高、天然強(qiáng)度低、超過液限、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、承載力差等特性，儲(chǔ)罐的承載力和沉降要求均無(wú)法滿足。

在如此軟弱的地基上建造大型儲(chǔ)罐，在該國(guó)還是首次。阿爾及利亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了采用樁基和換填堆載預(yù)壓的地基處理方式。由于軟弱土層厚度大，樁基施工難度大，造價(jià)高；堆載預(yù)壓[3]雖然是處理軟土地基的一種有效方式，但由于完成固結(jié)和沉降的時(shí)間長(zhǎng)，工期難以保證。根據(jù)儲(chǔ)罐的要求、土質(zhì)分析以及以往工程實(shí)踐，經(jīng)過方案論證和比選，提出了采用振沖碎石樁輔以充水預(yù)壓的方式對(duì)儲(chǔ)罐地基進(jìn)行綜合處理。

本工程采用的振沖碎石樁能夠達(dá)到的效果和作用如下：一是減少沉降量，通過碎石樁的置換原理形成復(fù)合地基，大幅度提高地基的承載力和地基的整體性；二是消除液化，通過振密原理消除第②層可液化的砂層；三是提高地基土強(qiáng)度，在儲(chǔ)罐充水預(yù)壓試驗(yàn)過程中，利用碎石樁作為地基的豎向排水通道，將飽和軟黏土空隙中的水?dāng)D壓排出，使地基在上部荷載的逐漸作用下，慢慢發(fā)生固結(jié)變形，最終提高地基土的強(qiáng)度，以滿足設(shè)計(jì)要求。

2 振沖碎石樁加固地基的原理

為了能夠減少儲(chǔ)罐沉降和不均勻沉降，有效消除在地震作用下的砂土液化，在軟弱的地基中選擇打入一定數(shù)量的碎石樁，通過碎石樁對(duì)原地基土的置換，促使碎石樁和樁間土發(fā)生變化形成復(fù)合地基，大幅度提高地基整體的承載力，這是振沖碎石樁加固地基的根本原理。

碎石樁主要是加固飽和軟黏土，起到土質(zhì)置換作用。由于碎石樁的樁體強(qiáng)度遠(yuǎn)大于周圍土質(zhì)，地基中的應(yīng)力會(huì)根據(jù)材料變形模量重新分配，碎石樁承擔(dān)了大部分載荷，利用碎石樁的樁體強(qiáng)度有效地解決了復(fù)合地基的承載力問題，同時(shí)碎石樁的樁間土具有約束效應(yīng)，也會(huì)間接提高碎石樁的強(qiáng)度。另外，在碎石樁施工過程中，水平方向的振動(dòng)會(huì)使樁體對(duì)地基土產(chǎn)生一定的擠壓密實(shí)作用，使樁間土強(qiáng)度提高，根據(jù)大量的工程試驗(yàn)結(jié)果，處理后的地基承載力一般可達(dá)200～300 kPa[4]。對(duì)于碎石樁沒有穿透的較厚軟弱土，也會(huì)因?yàn)樗槭瘶兜倪M(jìn)入從而形成復(fù)合地基，起到地基整體的墊層作用。而對(duì)儲(chǔ)罐地基進(jìn)行充水預(yù)壓，碎石樁還將承擔(dān)豎向排水作用，可加速土層固結(jié)，這樣儲(chǔ)罐所引起的沉降即可大大減少，從而使土層在使用荷載下的變形大為減少。

3 振沖碎石樁加固地基的設(shè)計(jì)

通過對(duì)原有地基的加固處理，使復(fù)合地基承載力特征值達(dá)到fspk≥225 kPa，沉降值和差異沉降值符合儲(chǔ)罐基礎(chǔ)變形限值，滿足儲(chǔ)罐對(duì)地基承載力以及對(duì)沉降和差異沉降的要求，這是本工程加固地基的主要目的。

新入職護(hù)理人員由于與臨床工作接觸時(shí)間較短，實(shí)踐操作能力不足較易出現(xiàn)護(hù)理工作失誤，帶來(lái)多方面不良影響，除外對(duì)護(hù)理理論知識(shí)的掌握不足也影響新入職護(hù)理人員的工作質(zhì)量與效率[8-9]。當(dāng)護(hù)士的護(hù)理質(zhì)量不能滿足臨床治療需求與患者對(duì)護(hù)理工作的需求時(shí)，患者的疾病康復(fù)效果與對(duì)護(hù)理工作的滿意度均受到較差影響[10-11]。許多學(xué)者均對(duì)如何提升新入職護(hù)理人員護(hù)理質(zhì)量進(jìn)行探索，在王春艷等[12]的研究中提出，核心能力培養(yǎng)可有效優(yōu)化ICU低年資護(hù)士的護(hù)理能力。與曾惠文等[13]觀點(diǎn)相似。本研究認(rèn)識(shí)到項(xiàng)目管理式優(yōu)化法的應(yīng)用價(jià)值，并在此基礎(chǔ)上實(shí)施綜合病例下站點(diǎn)式護(hù)理技能教學(xué)實(shí)踐法，效果較好。

3.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)浮頂儲(chǔ)罐的特性和儲(chǔ)罐所在場(chǎng)地的地質(zhì)條件，地基加固處理面積要大于儲(chǔ)罐基礎(chǔ)面積，一般要擴(kuò)大至儲(chǔ)罐基礎(chǔ)邊緣外2～4排樁，結(jié)合本工程36 600 m3浮頂油罐所在場(chǎng)地的位置條件，地基加固處理面積選擇擴(kuò)大至儲(chǔ)罐基礎(chǔ)邊緣外3排樁。

布樁形式采用等邊三角形布置，樁徑1000mm，根據(jù)變形控制的要求以及排水固結(jié)的需要，確定樁端進(jìn)入第④層肥沃黏土，由于罐中心區(qū)域沉降量相對(duì)外圍區(qū)域大，罐中心區(qū)域的樁長(zhǎng)為23 m，外圍區(qū)域樁長(zhǎng)為18 m。

3.2 樁距的確定

面積置換率不但決定復(fù)合地基承載力的大小，而且是表示樁間距的一個(gè)指標(biāo)。為使碎石樁的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化，選擇恰當(dāng)?shù)闹凳窃O(shè)計(jì)關(guān)鍵。面積置換率m是樁的斷面面積與其影響面積之比，一般表示為：

式中：d為樁的直徑；de為樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，對(duì)于等邊三角形布樁，de=1.05 s，s為樁間距。

確定值一般根據(jù)規(guī)范[5]：

式中：Esp為復(fù)合土層壓縮模量；Es為樁間土壓縮模量；n為樁土應(yīng)力比。

黏土的樁土應(yīng)力比受樁體材料、地基土性、樁位布置、樁間距以及施工質(zhì)量影響較大，其應(yīng)力比n值不是一個(gè)常數(shù)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)際的樁土應(yīng)力比實(shí)測(cè)值，最大為6，最小為1.4，一般為2～5[3-6]。由于樁土應(yīng)力比的變化范圍較大，而且在設(shè)計(jì)初期無(wú)法取得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)資料計(jì)算出來(lái)的數(shù)值差異較大。

為了確定值的合理性，根據(jù)單樁承載力特征值、處理后的樁間土承載力特征值、復(fù)合地基承載力特征值，計(jì)算得出值。以36 600 m3浮頂儲(chǔ)罐為例，根據(jù)規(guī)范[5]，復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算用以下公式：

通過計(jì)算得出，36 600 m3浮頂儲(chǔ)罐對(duì)地基承載力的要求為fspk≥225 kPa，因此fspk≥225 kPa即為復(fù)合地基承載力的特征值；根據(jù)綜合單樁極限承載力法和類似工程實(shí)例，fpk值取450 kPa；選擇地基處理前的天然地基承載力特征值進(jìn)行替代，fsk值取130 kPa。由式（3） 計(jì)算得出：m=0.297；由式（1） 計(jì)算得出：de=1 835 mm；根據(jù)式de=1.05 s計(jì)算得：s=1 748 mm，取s=1 750 mm。儲(chǔ)罐基礎(chǔ)平面布置見圖1。

圖1 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)平面布置

3.3 變形計(jì)算

根據(jù)國(guó)家GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，對(duì)復(fù)合地基的變形進(jìn)行計(jì)算得出，對(duì)于處理前的地基沉降量，罐中心為-2.626 m，罐邊緣為-1.375 m；對(duì)于加固處理后的復(fù)合地基最終沉降量，罐中心為-1.015 m，罐邊緣為-0.614 m；對(duì)于充水預(yù)壓期間完成的沉降量，罐中心為-0.717 m，罐邊緣為-0.367 m；對(duì)于充水預(yù)壓后的剩余沉降量，罐中心為-0.298 m，罐邊緣為-0.247 m（小于0.30 m）；錐面變形為0.998。變形計(jì)算結(jié)果滿足儲(chǔ)罐運(yùn)行要求。

4 施工工藝

振沖碎石樁加固地基的工藝首先是使用振沖器水沖成孔，待造孔至設(shè)計(jì)深度時(shí)進(jìn)入清孔階段，反復(fù)提升下放，使之達(dá)到預(yù)定的直徑和清理掉孔中泥漿的目的。清孔后，將一定級(jí)配的碎石填入孔內(nèi)，再用振沖器振密碎石，反復(fù)填料、振密直至形成碎石樁。見圖2。

圖2 振沖碎石樁施工工藝示意

結(jié)合本工程的實(shí)際情況，采用了75 kW的振沖器，密實(shí)電流為90 A，留振時(shí)間為10～20 s。碎石料采用40～70 mm和25～40 mm兩種粒徑的碎石，填料充盈系數(shù)為1.2～1.4。施工順序由罐中心向罐邊緣施工，并采用跳打的方式，防止鄰樁的擾動(dòng)。36 600 m3浮頂儲(chǔ)罐共成樁1 189根，其中中心區(qū)域217根，樁長(zhǎng)23 m，外圍區(qū)域972根，樁長(zhǎng)18 m。

在樁施工完成之后，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)施工之前，應(yīng)將松散的樁頭清理干凈，并進(jìn)行機(jī)械碾壓，隨后鋪厚度為400 mm的碎石墊層，其壓實(shí)系數(shù)≥0.95。

5 試驗(yàn)與效果評(píng)價(jià)

試驗(yàn)區(qū)域：儲(chǔ)罐周邊的試樁區(qū)。試驗(yàn)時(shí)間：成樁3周之后。試驗(yàn)對(duì)象：選取5個(gè)具有代表性的樁位。試驗(yàn)方法：按照J(rèn)GJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》附錄A規(guī)定[5]進(jìn)行單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，采用直徑1.85 m的壓板，荷載按照設(shè)計(jì)荷載的2倍加載。試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表中試驗(yàn)結(jié)果可知，復(fù)合地基承載力特征值和變形模量均符合設(shè)計(jì)要求。

表2 單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)結(jié)果

成樁40 d后采用靜力觸探對(duì)加固后的樁間土進(jìn)行了檢測(cè)，在有代表性的位置選取4個(gè)點(diǎn)測(cè)試，對(duì)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分層數(shù)理統(tǒng)計(jì)，測(cè)試結(jié)果及與加固前的靜力觸探資料對(duì)比見表3。

表3 地基土處理前后靜力觸探試驗(yàn)成果對(duì)比

振沖碎石樁的地基處理施工方法雖然會(huì)對(duì)黏性土擾動(dòng)較大，且恢復(fù)較慢等，但從上述比較結(jié)果可知：以黏性土為主的①、③、④層樁間土，在靜力觸探檢測(cè)時(shí)，樁間土的強(qiáng)度將會(huì)進(jìn)一步恢復(fù)提高；而對(duì)于以砂土為主的②層樁間土，取得的效果非常顯著，經(jīng)過振沖碎石樁對(duì)砂土的振密，消除了砂土液化，提高了地基土強(qiáng)度。

儲(chǔ)罐主體建成后，利用儲(chǔ)罐的充水試驗(yàn)進(jìn)行了預(yù)壓，預(yù)壓完成后，實(shí)測(cè)罐周的最終沉降量為-0.63 m，剩余沉降量小于0.30 m，充水61 d后的固結(jié)度超過80%。

6 結(jié)束語(yǔ)

振沖碎石樁加固大型儲(chǔ)罐地基處理的工程實(shí)踐，證明了該方法應(yīng)用于軟土地質(zhì)條件是可行的，能夠有效地提高地基土承載力，減少沉降和不均勻沉降，而且消除了地震時(shí)砂土的液化，加固效果顯著，可以滿足設(shè)計(jì)要求。該方法具有施工簡(jiǎn)便、設(shè)備機(jī)具投入少、施工進(jìn)度快、工程造價(jià)低、成樁質(zhì)量便于控制等優(yōu)點(diǎn)，推廣應(yīng)用前景良好。由于振沖法的設(shè)計(jì)目前還處在半理論半經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)，從本工程實(shí)踐總結(jié)出的碎石樁與充水預(yù)壓綜合處理大型儲(chǔ)罐軟土地基的經(jīng)驗(yàn)，可供類似地質(zhì)條件下的工程借鑒。