濕陷性黃土場(chǎng)地大型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

郭 東, 郭 明

(1 中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710018；2 長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司，西安 710018)

0 引言

為響應(yīng)逐步建立和完善國(guó)家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備體系,越來(lái)越多石油儲(chǔ)備庫(kù)得到建設(shè),10萬(wàn)方及以上大型鋼儲(chǔ)罐是其中重要的組成部分。我國(guó)西北地區(qū)是石油的重要產(chǎn)地及儲(chǔ)運(yùn)地,近年來(lái)隨著儲(chǔ)備庫(kù)的規(guī)劃及實(shí)施,已經(jīng)建成或正在建設(shè)一批大型石油鋼儲(chǔ)罐,其地基土層濕陷性黃土分布廣、厚度大、含水率低是場(chǎng)地主要特征[1],且天然地基承載力一般不能滿足大型儲(chǔ)罐對(duì)地基承載力的要求。消除濕陷性、提高地基承載力、減小不均勻沉降是大型儲(chǔ)罐地基及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要解決的主要問(wèn)題[2],同時(shí)合理選擇地基處理形式對(duì)節(jié)約投資、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。基于上述問(wèn)題,本文結(jié)合實(shí)際工程,介紹了濕陷性黃土場(chǎng)地上大型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

工程位于陜西省西北部,屬于大型原油儲(chǔ)備庫(kù),2010年工程建成,對(duì)于提高我國(guó)陸上石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備具有重要意義,項(xiàng)目建設(shè)整體效果圖見圖1。

圖1 項(xiàng)目建設(shè)整體效果圖

工程主要分為站場(chǎng)生活區(qū)及儲(chǔ)罐區(qū),儲(chǔ)罐區(qū)包含新建6具10萬(wàn)方大型原油儲(chǔ)罐,儲(chǔ)罐采用浮頂鋼油罐,直徑80.0m,罐壁高21.8m,罐內(nèi)最高液位高20.2m,物料重度8.5 kN/m3,罐壁重9 389 kN(包括保溫層),罐自重198 000kN, 充水預(yù)壓重1 030 000kN。場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g,對(duì)應(yīng)地震烈度為6度,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s,基礎(chǔ)抗震設(shè)防類別為乙類;抗震措施按7度考慮,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。場(chǎng)地地基土層屬于濕陷性黃土,按濕陷性場(chǎng)地上的建筑物劃分屬于甲類構(gòu)筑物。

2 地質(zhì)條件

場(chǎng)地地貌單元屬于山前沖洪積平原,地形起伏稍大、地勢(shì)開闊,場(chǎng)地分布地層主要為三大層:黃土狀土、馬蘭黃土和離石黃土,地層縱向和橫向分布較為均勻,場(chǎng)地土層分布見表1。

表1 場(chǎng)地土層分布

場(chǎng)地為山地區(qū)域,地下水埋藏較深,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不考慮地下水的影響。1#罐所在區(qū)域局部土層濕陷性等級(jí)為Ⅱ級(jí)自重濕陷,其他區(qū)域土層濕陷性等級(jí)為Ⅰ級(jí)非自重,濕陷性土層深度范圍為5.5～14.5m;其他罐場(chǎng)地土層濕陷性等級(jí)均為Ⅰ級(jí)非自重,濕陷性土層深度范圍為2.5～15.5m。

限于篇幅,表2僅列出1#罐部分探點(diǎn)濕陷性土層特性。此外,1#、3#罐局部場(chǎng)地位于填方區(qū),最大填方深度1#罐約為6.0m,3#罐約為2.0m。6#罐場(chǎng)地位于挖方區(qū),最大挖方深度約為5.0m。在5#罐區(qū)東南角形成小型黃土坑穴。

表2 1#罐場(chǎng)地濕陷性土層參數(shù)

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

罐體直徑大、高度高,罐體荷載在罐四周底部分布較為集中,受地基土層的均勻性影響較為敏感,采用鋼筋混凝土環(huán)墻式基礎(chǔ),使儲(chǔ)罐在充水預(yù)壓過(guò)程中均勻沉降,同時(shí)儲(chǔ)罐罐壁的安全及可靠性得到保障[3]。另外,在環(huán)墻內(nèi)采用中心坡向四周的分層壓實(shí)墊層,使罐體底部沉降滿足要求,保證罐體底部安全?；A(chǔ)部分?jǐn)嗝嬉妶D2,其中β為罐壁伸入環(huán)墻頂面寬度系數(shù),一般可取0.4～0.6;γL為罐內(nèi)使用階段儲(chǔ)存介質(zhì)的重度,kN/m3;hL為環(huán)墻頂面至罐內(nèi)最高儲(chǔ)液面高度,m;βγLhL為罐內(nèi)儲(chǔ)存介質(zhì)通過(guò)罐體傳至環(huán)墻基礎(chǔ)的壓力,kPa;gk為罐壁傳給環(huán)墻的線荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m;γC為環(huán)墻的重度,kN/m3;γm為環(huán)墻內(nèi)各層的平均重度,kN/m3;h為環(huán)墻高度,m。

圖2 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)斷面

3.1 基礎(chǔ)截面確定

根據(jù)圖2,為了使儲(chǔ)罐環(huán)墻基礎(chǔ)及環(huán)墻基礎(chǔ)內(nèi)墊層發(fā)生均勻沉降,則要求環(huán)墻基底壓力與同標(biāo)高環(huán)墻內(nèi)土層壓力相當(dāng),即:

(1)

由此可以得出環(huán)墻寬度b:

(2)

式(2)即為《石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T 3068—2007)[4]中儲(chǔ)罐環(huán)墻基礎(chǔ)寬度計(jì)算公式。同時(shí),為減小罐內(nèi)儲(chǔ)存介質(zhì)通過(guò)罐體傳至環(huán)墻基礎(chǔ)的壓力,基礎(chǔ)頂部?jī)?nèi)側(cè)采用切角構(gòu)造做法。

按全部罐壁荷載直接傳至環(huán)墻頂計(jì)算,gk為37.4 kN/m,β為0.5,γL為8.5 kN/m3,hL為20.2m,γC為25 kN/m3,γm為19 kN/m3;h為2.0m,計(jì)算得:

b取0.6m。作用于環(huán)墻基礎(chǔ)的最大環(huán)向力主要來(lái)自罐內(nèi)充水預(yù)壓荷載及環(huán)墻內(nèi)土體對(duì)環(huán)墻產(chǎn)生的側(cè)壓力。所以,環(huán)墻基礎(chǔ)環(huán)向作用效應(yīng)按式(3)確定。

Ft=(γQWγWhW+γQmγmh)KR

(3)

式中:Ft為環(huán)墻單位高環(huán)向力設(shè)計(jì)值,kN/m;γQW、γQm分別為水、環(huán)墻內(nèi)各層自重分項(xiàng)系數(shù),分別取1.1、1.0;γW、γm分別為水的重度、環(huán)墻內(nèi)各層的平均重度,kN/m3,分別取9.8、19.0;hW為罐內(nèi)最高儲(chǔ)水面高度,m,為20.2m;K為環(huán)墻側(cè)壓力系數(shù),按軟土地區(qū)取0.50;R為環(huán)墻中心半徑,m,為40.0m。

按式(3)計(jì)算得:

Ft=(1.1×9.8×20.2+1.0×19×2)×0.5×40=5115.12kN/m

3.2 基礎(chǔ)配筋

按軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)[5],儲(chǔ)罐環(huán)墻基礎(chǔ)縱向受力鋼筋計(jì)算見式(4)。

(4)

式中:γo為重要性系數(shù),取1.0;As為環(huán)墻單位高環(huán)向鋼筋的截面面積,mm2;fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2。

儲(chǔ)罐環(huán)墻基礎(chǔ)豎向配筋按受彎構(gòu)件最小配筋率0.215%確定。鋼筋采用HRB400,fy為360N/mm2,100mm高度范圍內(nèi)基礎(chǔ)受力鋼筋計(jì)算得:

圖3 環(huán)墻基礎(chǔ)配筋示意

3.3 地基處理方案

針對(duì)濕陷性黃土地區(qū),地基處理方法有多種[6],如:強(qiáng)夯法、墊層法、樁基、擠密法以及預(yù)浸水法等[7]。考慮罐區(qū)周圍存在已建站場(chǎng),強(qiáng)夯震動(dòng)劇烈,噪音大;另外,場(chǎng)地存在較厚濕陷性土層,不適宜強(qiáng)夯處理。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,對(duì)樁間土擠密效果不理想,要達(dá)到擠密土消除濕陷性,則樁數(shù)較多,造價(jià)較高,不能充分發(fā)揮該樁本身高強(qiáng)度的特點(diǎn),所以不適宜采用此方法[8]。由于濕陷土層較厚,按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2004)[9]要求,甲類建(構(gòu))筑物地基土應(yīng)全部消除濕陷性,采用墊層法,墊層厚度太大,土方量大,工程投資高,所以墊層法不適合本工程。采用預(yù)浸水法處理地基時(shí)[10],要求浸水坑邊緣至鄰近建筑物的距離不宜小于50m。由于罐區(qū)附近存在已建建筑物,所以此法不適用于本工程地基處理。

經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比,本工程地基處理利用原場(chǎng)地地基土承載力,采用復(fù)合地基處理方法[11]。在進(jìn)行復(fù)合地基方案確定時(shí),針對(duì)各儲(chǔ)罐基礎(chǔ)分別對(duì)三種方案進(jìn)行比選。方案一:孔內(nèi)深層強(qiáng)夯樁(DDC樁)+灰土石墊層;方案二:擠土夯擴(kuò)混凝土大頭樁+灰土石墊層;方案三:沉管成孔素混凝土灌注樁(CFG樁)+灰土石墊層。三種方案均按經(jīng)驗(yàn)值公式確定復(fù)合地基承載力。樁間距按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2002)[12](簡(jiǎn)稱地基規(guī)范)提供公式進(jìn)行計(jì)算。

1#罐處于填方區(qū),相對(duì)于場(chǎng)地地坪最大填方深度約為6.0m?？紤]到如果先填方后打樁的施工作業(yè)方法,樁長(zhǎng)較長(zhǎng),很難滿足施工工藝的要求。所以,采用先打樁后填方的施工作業(yè)方法。由于①土層部分表層為耕土,厚度較薄,在進(jìn)行樁施工時(shí),先挖除該土層至②土層,然后打樁,打樁完成后采用灰土墊層填至灰土石墊層底標(biāo)高,樁長(zhǎng)穿透地基土濕陷性土層,樁的最小長(zhǎng)度約為13.0m。根據(jù)地基規(guī)范,按照墊層法核算地基承載力,PZ+PCZ≤fh,即墊層底面處的附加應(yīng)力PZ與墊層底面處土的自重應(yīng)力PCZ不應(yīng)大于墊層下土的承載力fh。經(jīng)過(guò)核算,①、②土層均不能完全滿足作為持力層時(shí)承載力的要求,經(jīng)修正后③土層承載力滿足設(shè)計(jì)要求。所以,選擇③土層作為地基持力層。挖除①土層打樁至③土層時(shí),樁的最小長(zhǎng)度約為11.0m。由此確定1#罐樁的長(zhǎng)度為13.0m。1#儲(chǔ)罐地基處理示意圖見圖4。

圖4 1#儲(chǔ)罐地基處理示意

方案一選用DDC樁成孔直徑400mm,樁徑500mm,樁間距1.3m,樁數(shù)4801根,樁身為擠密2∶8灰土。根據(jù)地基規(guī)范及《孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法技術(shù)規(guī)程》(CECS 197∶2006)[13],處理后復(fù)合地基承載力特征值估算值為543.61kPa。方案二擠土夯擴(kuò)混凝土大頭樁成孔直徑400mm,擴(kuò)大頭徑700mm,樁間距1.5m,樁數(shù)3 570根,樁身為C20混凝土。根據(jù)地基規(guī)范估算,單樁承載力1205.76kN,復(fù)合地基承載力684.61kPa。方案三采用400mm直徑的CFG樁,樁間距1.3m,樁數(shù)4 801根,樁身為C20混凝土。根據(jù)地基規(guī)范估算單樁承載力為810.12kN,復(fù)合地基承載力為501.72kPa。

2#、4#、5#罐灰土石墊層層底標(biāo)高處于挖方區(qū),且均處于②土層。所以直接在灰土石墊層下打樁。同1#罐,應(yīng)消除地基土的全部濕陷量,所以保證樁長(zhǎng)穿透地基土濕陷性土層,從灰土石墊層底標(biāo)高開始算起,穿透濕陷性土層(14.5m),樁的最小長(zhǎng)度約為11.5m。經(jīng)過(guò)核算,①、②土層均不能完全滿足作為持力層時(shí)承載力的要求,經(jīng)修正后③土層承載力滿足設(shè)計(jì)要求。所以,選擇③土層作為地基持力層。從灰土石墊層底算起,打樁至③土層時(shí),樁的最小長(zhǎng)度約為13.5m。由此確定2#、4#、5#樁的長(zhǎng)度為13.5m。地基處理同1#罐。

6#罐場(chǎng)地處于挖方區(qū)。罐底灰土石墊層底位于②土層,直接在灰土石墊層下打樁,從灰土石墊層底標(biāo)高開始算起,穿透濕陷性土層(14.0m),樁最小長(zhǎng)度約為7.5m。經(jīng)過(guò)核算,②土層不能完全滿足作為持力層時(shí)承載力的要求,經(jīng)修正后③土層承載力滿足設(shè)計(jì)要求。所以,選擇③土層作為地基持力層。從灰土石墊層底算起,打樁至③土層時(shí),樁的最小長(zhǎng)度約為8.5m。由此確定6#樁的長(zhǎng)度為8.5m。

3.4 地基處理方案比選

對(duì)地基處理方案一、二、三進(jìn)行參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析,見表3、4。方案一、二、三的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表5。

表3 地基處理方案參數(shù)分析

表4 地基處理方案經(jīng)濟(jì)性分析/(萬(wàn)元/具)

表5 地基處理方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

綜上所述,地基處理采用方案一:孔內(nèi)深層強(qiáng)夯樁(DDC樁)+灰土石墊層。地基處理四分之一部分DDC樁平面布置見圖5。

圖5 DDC樁平面布置示意

DDC樁體采用2∶8灰土,處理后要求樁體平均壓實(shí)系數(shù)不小于0.97,樁間土平均擠密系數(shù)不小于0.93,且施工前對(duì)場(chǎng)地地基土層進(jìn)行增濕。

3.5 地基土層增濕

場(chǎng)地地基土層以粉土為主,含水率的高低對(duì)基樁成孔及樁間土壓實(shí)系數(shù)影響較大,間接影響消除土層濕陷性的效果[14]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)[15],當(dāng)含水率小于10%時(shí),土體為較干性土層,土體可塑性差,干強(qiáng)度低,施工成樁時(shí)成孔困難,沉管不易拔出,甚至出現(xiàn)沉管被拔斷的現(xiàn)象,且根據(jù)試樁結(jié)果樁間土平均擠密系數(shù)較難達(dá)到0.93的要求[16];含水率過(guò)高時(shí),沉管后塌孔較為嚴(yán)重,且注水增濕成本較大。

因此,本工程在進(jìn)行地基處理前,對(duì)場(chǎng)地土層進(jìn)行增濕作業(yè),使土層達(dá)到最優(yōu)含水率。增濕方案采用400mm直徑沉管成增濕孔,孔位于DDC三樁中心位置,孔底深為DDC樁以上2.0m,孔內(nèi)分層填中粗砂至孔口以下0.5m并注水,使水均勻滲入周圍土層。注水量按試驗(yàn)確定的最優(yōu)含水量計(jì)算控制,土層含水率基本控制在12%～15%。注水完成后注水孔上部采用2∶8灰土分層回填并夯實(shí),土層增濕平面示意見圖6。

圖6 場(chǎng)地土層增濕平面

3.6 罐體充水預(yù)壓

儲(chǔ)罐安裝完畢后,進(jìn)行罐內(nèi)充水預(yù)壓,其目的是檢查焊接質(zhì)量,同時(shí)也對(duì)地基進(jìn)行預(yù)壓,使主要沉降在充水預(yù)壓過(guò)程中大部分完成,兩者結(jié)合在一起進(jìn)行。第一次以2m/d的進(jìn)水速度向罐內(nèi)充水到儲(chǔ)罐高度的1/3進(jìn)行沉降觀測(cè),當(dāng)沉降速率不大于10mm/d時(shí)可繼續(xù)充水,以后每次充水高度均為儲(chǔ)罐高度的1/3,且進(jìn)行沉降觀測(cè),每次充水后應(yīng)至少保持48h進(jìn)行觀測(cè),嚴(yán)格控制沉降速率小于10mm/d,如此漸進(jìn)直至充水到最高液位,繼續(xù)進(jìn)行沉降觀測(cè),當(dāng)沉降速率小于5mm/d時(shí),認(rèn)為充水預(yù)壓達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),隨即放水卸荷。但放水時(shí)速度不應(yīng)太快,放水速度以2m/d為宜,放一次水停24h,實(shí)測(cè)地基的回彈,重復(fù)上述工序,直到放水完成[17]。限于篇幅,僅列出2#罐周邊兩處及罐中心點(diǎn)的沉降觀測(cè)結(jié)果,見圖7。

圖7 2#罐充水預(yù)壓沉降

由圖7可以看出,2#罐周邊及中心點(diǎn)地基沉降隨充水荷載的增大而增大,第15d充滿水后地基沉降雖有增大趨勢(shì),但沉降趨于穩(wěn)定,且罐中心點(diǎn)地基沉降始終大于周邊點(diǎn),中心點(diǎn)、周邊點(diǎn)地基最大沉降分別為71、43mm,罐底錐面沉降差為28mm。第19d開始放水,隨著儲(chǔ)罐卸荷,地基沉降略有回彈,罐中心點(diǎn)及周邊點(diǎn)地基回彈量分別為14、11mm。

3.7 地基沉降

(1)地基變形估算

本工程儲(chǔ)罐地基變形主要由兩部分組成,一部分為DDC樁復(fù)合地基壓縮變形,另一部分為復(fù)合地基下臥層壓縮變形,這兩部分劃分為兩種土層,根據(jù)地基規(guī)范中的分層總和法估算地基變形量。

p0包括儲(chǔ)罐充水自重、環(huán)墻內(nèi)填料及環(huán)墻基礎(chǔ)底部灰土石墊層自重,按式(5)計(jì)算:

(5)

式中Dt為環(huán)墻基礎(chǔ)外邊緣直徑。

以2#罐中心及周邊兩點(diǎn)沉降計(jì)算為例,①～⑧土層壓縮模量分別為19.20、26.10、28.39、18.81、20.51、20.93、31.67、30.25MPa,復(fù)合地基對(duì)應(yīng)為②土層,其壓縮模量按照地基規(guī)范進(jìn)行計(jì)算,取值為78.3MPa,中心點(diǎn)、周邊點(diǎn)1、2計(jì)算沉降分別為82.6、43.7、42.5mm。限于篇幅,其他各罐地基沉降估算結(jié)果見圖8。

圖8 沉降估算結(jié)果及實(shí)測(cè)值

由圖8可以看出,各罐中心點(diǎn)沉降估算值在78～96mm之間,周邊點(diǎn)沉降估算值在36～49mm之間,各罐實(shí)測(cè)中間點(diǎn)沉降及周邊點(diǎn)平均沉降分別在66～73mm 及28～32mm之間,且中心點(diǎn)沉降均大于周邊點(diǎn),錐面沉降差最大為41mm,罐基礎(chǔ)沉降及錐面沉降差均滿足設(shè)計(jì)要求[19-20]。由此說(shuō)明,地基處理實(shí)施效果良好。

(2)地基沉降觀測(cè)

沉降觀測(cè)包括罐基礎(chǔ)完工后、儲(chǔ)罐充水預(yù)壓前、充水過(guò)程中、充滿水穩(wěn)壓階段、放水后等全過(guò)程的各個(gè)階段。每個(gè)罐基礎(chǔ)周邊設(shè)置28個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn),沿圓周方向?qū)ΨQ均勻設(shè)置,且在罐中心設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。各罐地基沉降實(shí)測(cè)見圖8。中心點(diǎn)與周邊點(diǎn)豎向最大沉降差為53mm,周邊相鄰測(cè)點(diǎn)間最大沉降差為14mm,充水預(yù)壓后錐面坡度均大于0.008。

圖9為儲(chǔ)罐主體完成時(shí)照片。儲(chǔ)罐地基實(shí)測(cè)沉降均小于理論估算值,地基處理實(shí)施效果能夠達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期,且工程建成投產(chǎn)以來(lái),運(yùn)行安全、穩(wěn)定。

圖9 儲(chǔ)罐主體完成時(shí)照片

4 結(jié)論

(1)本工程場(chǎng)地土層具有西北地區(qū)濕陷性黃土場(chǎng)地的通用特性,本文從提高土層承載力及均勻性,消除濕陷性角度出發(fā),通過(guò)經(jīng)濟(jì)性和施工可行性論證,探索了一種具有良好經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益的地基處理方法,采用分層總和法進(jìn)行地基沉降估算,并和充水預(yù)壓后的沉降觀測(cè)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了地基處理方案的合理性,根據(jù)對(duì)比結(jié)果,各儲(chǔ)罐復(fù)合地基沉降值均小于理論計(jì)算值。

(2)在施工過(guò)程中,通過(guò)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行增濕作業(yè),解決了施工時(shí)沉管不易、拔管困難、土層濕陷性不易消除等問(wèn)題,保證了地基處理方案的順利實(shí)施。這一方法可廣泛應(yīng)用于DDC樁土層含水率較低的粉土場(chǎng)地。