丰南振宇每年500万吨凝析油项目振冲碎石桩静载试验研究

严小宁 李杰刚 王克佳 邱方胜

摘要通过对丰南振宇500万吨/年凝析油项目振冲碎石桩复合地基静载试验结果异常分析，找出结果失真的原因，得出处理结论，避免了重大的建设资金浪费和工期损失。对复合地基的设计、施工和检测等具有较重要的参考意义。

主题词振冲碎石桩静载试验桩间土静力触探复合地基承载力

丰南振宇500万吨/年凝析油项目位于唐山市丰南工业园区南侧。该区地质条件复杂，在承载力要求不大的情况下一般采用振动水冲碎石桩进行地基加固处理，该工程设计桩数12000多根，其中12个大罐是碎石桩处理的重点，采用“振冲碎石桩+充水预压”组合处理方法处理。在最先完成的石脑油浮顶罐区304-TK-002罐抽检作静载试验，从最先完成的2个单桩载荷试验和4个单桩复合地基载荷试验的测试结果看，两个单桩（1164与0601）竖向承载力特征值与设计值450kPa存在较大的差距，4个单桩复合地基载荷试验中，前两个（0544号与0647号）试验测试的数据偏低，后做的两个（0058与0811）试验测试数据达到了设计要求225 kPa。复合地基处理是否合格？是否需要在已有碎石桩处理基础上再进行其它地基处理？如何处理？如进行地基再处理，工期将耽误4个月以上，下一步施工队伍将不得不等3个月以上方可施工，地基处理成本将大幅升高，对建设单位及施工单位均有一定的影响。因此该项目振冲碎石桩静载试验研究势在必行。下面以304-TK-002罐为例进行分析，主要从场区工程地质条件、地基设计与施工、静载试验检测等几个方面进行综合分析研究。

1. 场区工程地质条件

场区地形较平坦，地基处理前场平平均标高6.82m，在25m勘探深度范围内，罐区地层自上而下主要有以下七层土：

①素填土：褐红色～杂色，粘性土为主要成分，用30吨振动压路机分层压实，压实系数大于0.95，厚度0.5～1.2m，层底标高5.97～6.44m。地基承载力（fak）为170kPa。

②粘土：灰褐色～黄褐色，高液限粘土，可塑状态，厚度1.4～3.5m，层底标高2.34～5.04m。地基承载力（fak）为130kPa。

③粉砂：黄褐色，松散～稍密，饱和，厚度0.8～2m，层底标高1.67～3.57m。地基承载力（fak）为120kPa。

④中粗砂：黄褐色，松散～稍密，饱和，厚度2.8～4m，层底标高-1.03～0.24m。地基承载力（fak）为130kPa。

⑤粘土：灰褐色，高液限粘土，可塑，厚度5～6.7m，层底标高-6.76～-6.03m。地基承载力（fak）为145kPa。

⑥粘土：灰黑色，高液限粘土，有机质含量较高，软塑～可塑，厚度15～24.7m，层底标高-21.76～-30.73m。地基承载力（fak）为105kPa。

⑦粉细砂：灰褐色，稍密～密实，饱和，厚度0.3～1.2m，层底标高-15.86～-13.18m。地基承载力（fak）为130kPa。

场区稳定地下水位在0.2～1.7m，位于8度抗震设防区，建筑场地类别为Ⅲ类，第③层粉砂和④层中粗砂对建筑物易产生中等～严重液化。

2. 地基设计与施工

在软土地基上建造油罐，“振冲碎石桩+充水预压”是一种经济有效的加固地基方法。它可以应用于范围很广的不同类型的软土地基加固[1]~[5]。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79－2002）进行地基处理设计，振冲碎石桩桩长15至23m，桩径1m，桩距1.7～1.9m，设计单桩承载力450kPa，复合地基承载力225kPa。

施工采用直径0.75m的75kw振冲器、90A密实电流、8～15s留振时间和0.5～0.6MPa的成孔水压。动力触探抽检单桩，击数均较高，一般每进尺10cm击数为9至30击，超过规范和说明书所要求的密实要求（每10cm击数不小于7.5击），从动力触探试验可见该罐碎石桩体密实、连续性好。从发掘桩体上部的信息试验可见场区碎石桩体质量良好。

3. 静载试验检测

本次检测参照地基处理的规范和标准的有关章节，采用堆载反力方式，按慢速维持荷载法进行试验。试验仪器采用中国徐州市建筑工程研究所研制的JCQ-503A型静力载荷测试仪，配合应变式力传感器、融栅式位移传感器、油泵流量控制器、油泵开关控制器、高压油泵和千斤顶等设备，进行地基基础的静力载荷测试。连接计算机时，能实时显示现场传感器状况、已采集的原始数据表和由此生成的各种曲线以及加载、卸载状态。可自动加载、补载和自动判稳等。试验目的是模拟单桩与复合地基的受力试验，提供单桩与复合地基承载力和变形模量。

根据试验数据绘制了沉降 ( s ) 与荷载 ( Q ) 的关系曲线（以下简称Q-s曲线、s-lg Q曲线）和沉降 ( s )与时间( t )的关系曲线(以下简称s-logt曲线)，现依据上述规范要求对试验结果进行分析。若已绘出最大荷载，且其值低于对应比例极限的荷载的2倍，则最大荷载值的一半即可作为承载力特征值；同时根据s/d等于0.015所对应的压力值为承载力特征值。对于以上两个取值方法，以有利于工程安全为原则，取较低值作为该复合地基载力特征值。

4. 综合分析

根据本项目的地质条件，设计方面选用振冲桩，可以有效的消除液化，同时有助于提高土层的均匀性，减少不均匀沉降，设计方案的选用是合理的。从动力触探的试验结果和发掘信息试验分析表明，桩体的密实度较好，说明施工的质量是有保证的。

综合分析勘察、设计、施工及静载测试过程的条件，对复合地基处理进行综合分析，查明了最开始所检测的4个静载试验结果异常的主要原因如下：

（1）、土体性质对试验结果有影响

与载荷板直接接触的第一层粘性土(特别是饱和软粘土)对测试结果影响较大。由于土的粘粒含量多，粒间结合力强，渗透性低，在振动力或挤压力的作用下，土中的孔隙水不易排出，故在振冲碎石桩的施工中，软土难以振挤密实。并且由于受振冲置换、填筑碎石桩的一系列振、冲、挤压等强烈的扰动，桩周围的土体出现超孔隙水压力，从而导致原地基土的强度降低。

通过在地基土处理后45天时与地基处理前的桩间土静力触探结果比较，可知地基土处理后45天时：第①层桩间土锥尖阻力（qc）、侧壁摩阻力（fs）、压缩模量（Es）、承载力（fak）分别是原来的0.84、0.59、0.89、0.88倍；第②层桩间土锥尖阻力（qc）、侧壁摩阻力（fs）、压缩模量（Es）、承载力（fak）分别是原来的3.60、1.42、1.54、2.21倍；第③层桩间土锥尖阻力（qc）、侧壁摩阻力（fs）、压缩模量（Es）、承载力（fak）分别是原来的4.85、4.71、4.85、3.13倍；第④层桩间土锥尖阻力（qc）、侧壁摩阻力（fs）、压缩模量（Es）、承载力（fak）分别是原来的0.94、1.03、0.96、0.95倍；第⑤层桩间土锥尖阻力（qc）、侧壁摩阻力（fs）、压缩模量（Es）、承载力（fak）分别是原来的0.95、1.39、0.99、0.96倍。

上述比较结果说明：对于以粘性土为主的桩间土来说，振动水冲碎石桩施工对粘性土扰动较大，由于振动水冲碎石桩施工完毕后粘性土恢复较慢，特别是上部的以粘性土为主的桩间土，施工时扰动较大，故检测时桩间土中的粘性土强度指标均低于地基处理前的强度指标。这种影响随着深度的增加而影响程度减小。而对于以砂土为主的桩间土来说，振动水冲碎石桩施工对于砂土起到振密作用，对于消除地层液化，提高地基土强度，其效果非常明显。桩间土强度的恢复随着时间的推移，将恢复到以前的强度甚至更强。

（2）、降雨对试验结果有不利影响

由于降雨的原因，场地内的雨水不能及时排出而渗入土体，使土体中含水量增大，导致坑底土体变软呈可塑状态，强度降低。载荷板下桩与土之间作用力减弱，从而造成了承载力的降低。

（3）、应力分布垫层（碎石垫层）的设置对测试结果有直接影响

2个单桩载荷试验和前2个单桩复合地基载荷试验，设计远没有提出模拟实际的设计工况设置应力分布垫层，因此刚开始测试的4个静载试验结果均偏低。

图1单桩复合地基载荷试验示意图

在后做的2个单桩复合载荷试验的测试中，在桩顶和载荷板下添加了一个按设计工况的应力分布垫层（参见图1：a. 单桩复合地基试验前，基坑开挖一定的深度，并保证基坑不被扰动；b. 试验以碎石垫层顶标高作为基础底标高；c. 试验前碎石垫层应分层压实，并铺找平层，碎石垫层覆盖直径应不小于承载板直径D+1.2m、并不小于3m；d. 碎石垫层的厚度不小于400mm），其试验的结果与设计相符。

（4）、单桩承载力降低的原因

振动水冲碎石桩在粘土中是置换而不是挤密。因此除上述原因外，在单桩的试验时，在上部荷载产生的附加应力作用下，地下水沿桩体上升，使桩体周围粘土浸泡、软化，从而产生一薄层的软弱面，对桩体约束减弱，在上部荷载作用下桩体易发生侧向变形和沉降，从而造成单桩的沉降量增大。

从最开始的几个静载试验情况初步看，有这么一条规律：如果静载试验模拟了设计要求的有压实碎石垫层的实际工况，则检测结果合格；反之，就出现检测结果异常。通过对最开始4个异常的试验结果分析研究发现，这种异常主要是试验没有模拟设计要求的实际工况所造成的，其次是土体性质对试验结果有影响和降雨对试验结果有不利影响。最开始4个异常的试验结果只是一种暂时的中间值，是一种假象，不是真实的最终实际承载能力，地基强度随着时间的推移将有一定的提高，没有模拟设计要求的实际工况可以通过模拟设计要求的实际工况纠正。降雨对试验结果有不利影响可以通过采取防水措施来大大减少。充水预压将提高的25%左右的地基承载能力仍将作为一种安全储备。模拟实际工况是应该的，不严格模拟实际工况试验没有工程意义。因此继续模拟实际工况进行载荷试验，试验基坑已经用塑料布遮盖，以尽可能避免受雨水影响基坑扰动，发现后续单桩复合静载试验试验均符合这一规律性，因此已有碎石桩地基处理在设计实际工况下是合格的。

刚开始4个单桩和单桩复合地基静载荷试验的结果不理想的主要原因是由于振冲碎石桩对第①层土的扰动没有得到完全的恢复、碎石桩静载试验没有严格按照设计实际工况试验及降雨影响造成的，导致复合地基承载力静载试验结果失真。

对试验结果产生严重影响的主要为厚度4m 的第①层素填土，该层土厚度相对于整个石脑油罐区范围的计算压缩层厚度是一个相对的薄层，该层沉降量的增减不会对整个罐区的沉降造决定性的影响。考虑“如果静载试验模拟了设计要求的有压实碎石垫层的实际工况，则检测结果合格”的规律及充水预压因素、成桩3个月后各单体处第①层桩间土均恢复至或超过勘察时的地基强度，因此不需要再对第①层土范围内的碎石桩地基进行补充处理。

5. 结语

通过对该项目上述研究，得出了如下主要结论：

（1）振冲碎石桩设计方案的选用是合理的。

（2）说明振冲碎石桩施工的质量是有保证的。

（3）碎石桩静载试验必须严格按照设计实际工况试验，尽可能避免受雨水影响基坑扰动。

（4）不需要再对第①层土范围内的碎石桩进行补充处理。

该工程经岩土监测证实了振冲碎石桩复合地基能够满足建筑物对地基承载力和沉降的设计要求。