涡压挤扩法处理储罐地基*

涡压挤扩法处理储罐地基*

李春宝1 陈海阳1王传波2

1中国石油大学（华东）2青岛昊河水泥制品有限责任公司

涡压挤扩机理是利用钢套管在旋转的过程中使涡压腔内的流态混凝土获得动能和静压能(其中静压能占主导)，获得静压能的流态混凝土经过涡压腔口被涡压叶片挤压到套管外的周围土体中，使流态混凝土在深度土层位置向水平方向挤扩。通过分析涡压叶片、流态混凝土以及周围土体的受力关系，得出混凝土介质向土体质中挤入的力学条件。综合分析表明，采用涡压挤扩法处理储罐地基在理论上是可行的，在消耗低成本的前提下可大幅提高地基承载力。

涡压挤扩机理；储罐地基；混凝土；工艺

在软土地基上建造大型储罐，地基处理是关系到储罐工程成败的一项关键技术问题，它直接影响储罐的安全和正常使用[1-2]。储罐地基处理方法主要有换土处理、密实处理、排水处理、胶结处理及土加筋处理等方案[3]。但是每种方案都存在各种弊端阻碍其广泛推广。因此，提出且验证了“涡压挤扩机理”，并将“涡压挤扩机理”应用于储罐地基处理。设计了带有涡压叶片的钢套管，可在非开挖地面原土的情况下沿水平方向将流态混凝土涡压挤扩到需要加固的土层中，在该土层附近区域形成增强体，提高该土层在水平方向和竖直方向抗剪强度，降低土体的压缩性，改善砂土的动力特性。该方法适用性强，处理深度大，简单易行，可保证质量，且造价低廉。

1 涡压挤扩机理的提出与验证

涡压挤扩机理是利用钢套管在旋转的过程中使涡压腔内的流态混凝土获得动能和静压能（其中静压能占主导），获得静压能的流态混凝土经过涡压腔口被涡压叶片挤压到套管外的周围土体中，使流态混凝土在深度土层位置向水平方向挤扩。

（1）试验验证。此机理已在中国石油大学（华东）岩土工程实验室内得到验证。运用涡压挤扩机理进行地基处理的过程中，石子被挤入到周围土体中形成扩径体，能够有效地挤密桩周土体；水泥浆被挤扩带入到周围土体中与其凝结固化，起到了胶结土体的作用。桩体、扩径体和周围的胶结土体形成的共同体使得地基土在水平方向和竖直方向的整体强度得到了大幅度提高。

（2）理论验证。为了能够实现涡压挤扩混凝土到周围土体中，还需要分析涡压叶片、流态混凝土以及周围土体的受力关系。建立了三者的力学模型，计算混凝土介质（以粗骨料为主）向土体介质中挤入的力学条件。取A点为研究对象，进行力学分析。瞬时运动时，涡压叶片与周围土体的运动可视为平行运动的关系，将涡压叶片等效为刚体（无变形），刚体与可压缩土体保持平行运动状态，将粗骨料（石子）理想化为刚性圆球。计算涡压叶片刚体在力的作用下，粗骨料与可压缩土体的相对运动关系，即粗骨料向可压缩土体内的挤入路径和挤入条件。等效刚体与刚性圆球之间的摩擦系数为μ1，法向力为N1，摩擦力为f1；可压缩土体与刚性圆球之间的摩擦系数为μ2，法向力为N2，摩擦力为f2。推导可知：当θ，μ1，μ2的关系满足时，粗骨料（石子）即可挤入到涡压腔外的土体中去。

2 使用设备

涡压挤扩法处理储罐地基使用的施工设备主要由挤扩设备和桩架两部分组成，挤扩设备包括涡压钢套管、涡压腔、预制混凝土引导头，桩架由锤击装置、旋扭装置、车体、立柱和斜撑等组成。

钢套管底部设置为开口，顶部设置与旋扭设备匹配的齿轮；靠近钢套管底部设有涡压腔，涡压腔由涡压叶片和涡压叶片上下两端之间的钢套管所围成的空间组成；在涡压叶片处开设两个对称的涡压腔口，作为混凝土向外水平挤压的出口，涡压腔口的宽度为钢套管1/4周长，开口高度与涡压叶片的高度相同；涡压叶片由两个完全相同的半圆环钢板反对称焊接而成，呈S形，S形涡压叶片两顶点之间的直线距离与钢套管的直径相同；S形涡压叶片的两顶点分别与涡压腔出口的竖向侧边焊接固定，将焊缝打磨光滑，涡压叶片所采用的钢材型号、钢板厚度与钢套管的钢材型号、钢板厚度相同，使得涡压叶片与钢套管之间连接形成顺滑曲面，有利于流态混凝土沿水平方向向外挤压。为了使混凝土引导头恰好能嵌入钢套管底部，将钢套管底部的内外径尺寸设计为与预制混凝土引导头相匹配形状尺寸，并留有一定空隙以保证套管拔出时能够顺利与预制混凝土引导脱离；旋转齿轮作为锤击套管和旋扭套管的传力装置，其内侧为光圆柱面，外侧设有啮合齿，旋转齿轮的内径与钢套管的外径相同，旋转齿轮的顶面与钢套管的顶面齐平，旋转齿轮箍焊在钢套管的顶部外侧。

3 工艺流程

（1）钢套管就位，将预制混凝土引导头对准要锤管入土的部位，将钢套管座落于引导头上。

（2）锤管入土，利用夯锤将钢套管连同引导头一同打入土层至预定标高。

（3）灌注流态混凝土，将地基处理所用的流态混凝土从钢套管顶部灌注到钢套管内。

（4）旋扭套管，将旋扭动力设备连接到钢套管顶部的旋转齿轮上，通过转动旋转齿轮带动钢套管一同旋转。在涡压叶片的挤压驱动作用下，套管内流态混凝土经过涡压腔口被沿水平方向涡压挤扩到周围土体中，起到挤密、填充、胶结土体的作用，达到地基处理的目的；旋扭至该土层加固处理需要的强度之后，结束旋扭。

（5）提升套管，完成当前土层的加固处理之后，提升钢套管至上一层需要加固的土层。

（6）实施上一土层地基处理，重复第3步～第4步，完成上一层土层的加固处理。

（7）根据工程需要加固土层的数量，重复实施第3步～第5步。

（8）拔出钢套管，将所有需要加固的地基土层处理完毕后，将流态混凝土灌注到钢套管内部至地面位置，缓慢拔出钢套管，完成该点的地基处理工作。

4 结论

通过分析涡压叶片、流态混凝土以及周围土体的受力关系，得出混凝土介质向土体质中挤入的力学条件。涡压挤扩法处理储罐地基的施工工艺简单，设备易加工制作，与现行的储罐地基处理设备兼容性好，略加改造即可用于本方案。综合分析表明，采用涡压挤扩法处理储罐地基在理论上是可行的，在消耗低成本的前提下可大幅提高地基承载力。随着对其更深入的研究，亦可将其应用到油气田地面工程中的井架锚桩、固井及泥浆护壁等方面。

[1]李玲，王卫，井少华，等．大型储罐底板施工变形控制[J]．油气田地面工程，2013，32（8)）：6-97.

[2]袁中立，闫伦江．LNG低温储罐的设计及建造技术[J]．石油工程建设，2007，33（5）：19-22.

[3]徐至均．大型储罐基础地基处理与工程实例[M]．北京：中国标准出版社，2009.

（栏目主持 焦晓梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.063

基金论文：2013年国家自然科学基金项目（51208510）；2014年中国石油大学(华东)研究生自主创新基金项目（14CX06067A）。