碎石桩与CFG桩联合换填法处理油罐不均匀吹填地基

2014-06-21杨秀军

建设监理 2014年1期

杨秀军

（新乡方圆工程管理有限公司，河南新乡 453000）

0 引言

近年来，大型原油储罐在沿海地区不断建设。许多油罐建设在人工吹填土地基上，但是吹填土工程相关区域已日益远离原来的河、海口沉积区，吹填土质也由早期的无黏性粉砂粒料，逐渐转为以黏粒含量为主的软黏土，从而造成吹填土地基渗透、固结特性越来越差，不均匀性明显。在此种软弱地基上建设大型油罐，组合型复合地基不断得到应用。笔者结合某油罐地基处理工程，说明利用碎石桩与 CFG 桩联合换填法，处理不均匀软弱吹填土地基的效果。

1 工程概况及工程地质条件

拟建油罐容量为 10×104m3，直径 80 m。建设场地原为海域，经人工吹填形成陆地，后又进行场地平整，浅部分布有吹填土及淤泥软弱土层，且厚度大，分布不均匀，不能满足拟建油罐的承载力及变形要求。需要进行地基处理。

场地土层按照地基土的沉积分布特点及工程地质性质，自上而下可分为以下 3 个单元层。

(1)第 1 单元层为填土及新近海相沉积地层，属软弱地层，可分为 3 层(包括亚层)：①层吹填土为褐黄～黄褐色，由人工吹填形成，吹填时间一般小于 5 年，成分以中粗砂、粗砾砂为主，夹有淤泥团块，结构松散，未经压实处理且分布不均匀，层厚 1.00 m～7.20 m；②1层淤泥为灰色，流塑，含较多有机质，具腥臭味，含少量砂，土质极差，压缩性高，稍有光泽，干强度高，韧性高,属于欠固结土，层厚 0.80 m～5.00 m；②2层中砂的颜色较杂，以灰～灰黑色为主，松散，饱和，矿物成分以石英、长石为主，分选差，层厚 0.50 m～2.50 m。

(2)第 2 单元层为第 4 系下更新统冲海积及海积地层，属相对软弱地层，可分为 4 层(包括亚层)：③1层黏土为褐黄色，局部灰白色，混杂紫红色，软塑～可塑，局部有粉细砂夹层，无摇振反应，切面光滑，干强度高，韧性高，层厚 0.70 m～6.80 m；③2层中砂为褐黄色，稍密～中密，饱和，矿物成分以石英、长石为主，分选差，一般含10%～15% 的黏性土，局部有 5 cm～8 cm 厚的铁质胶结层，部分地段为粉细砂或粗砂，层厚 0.70 m～8.50 m；③3层粉土为褐黄色，局部灰白色，稍密～中密，湿，部分地段为粉砂，该层夹有较多粉质黏土，层厚 1.50 m～2.90 m；③4层粉质黏土为褐黄色，混杂紫红色，可塑，局部有粉细砂夹层，无摇振反应，切面稍光滑，干强度较高，韧性较高，层厚 0.7 m～2.60 m；④层黏土为灰色，局部浅灰色，软塑～可塑，偶含腐殖物，部分地段呈粘土与粉砂互层，无摇振反应，切面稍光滑～光滑，干强度低～高，韧性低～高，局部地段为粉质粘土，该层自上而下由软塑渐变为可塑，在场地内均有分布，层厚 8.90 m～16.80 m；④夹层中砂(Q1m)为灰色，稍密～中密，饱和，矿物成分以石英、长石为主，分选较好，含少量黏性土，局部地段为细砂，层厚 0.60 m～4.50 m。

(3)第 3 单元层为第 4 系下更新统海积及冲海积地层，属工程性质较好的沉积地层，可分为：⑤层黏土为灰色、灰绿色，可塑～硬塑，局部坚硬，夹薄层粉砂，无摇振反应，切面光滑，干强度高，韧性高，局部地段为粉质黏土，揭露层厚为 10.30～25.30 m；⑤夹层中砂为灰色，中密～密实，饱和，矿物成分以石英、长石为主，分选较好，局部地段为细砂，揭露该层厚度 0.50 m～11.60 m。

2 地基处理方案设计

2.1 处理原则

(1)消除人工吹填①层的不均匀性。因为罐区西侧分布有大量淤泥，平均厚度 1 m，而罐区东侧只有部分区域存在。

(2)对①层吹填土、②1层淤泥及②2层中砂软弱土层进行地基预处理，提高其承载力，减小沉降，并消除地震液化。因为浅部分布的①层吹填土、②1层淤泥及②2层中砂属软弱土层，承载力低，压缩性高，不能满足拟建建(构)筑物的承载力及变形要求；且①层吹填中粗砂、②2层中砂为液化土层，场地地震液化等级为中等。

因此，采用的地基处理方式既要能消除吹填土的不均性和地基液化，又可以得到很高的地基承载力。

2.2 方案选择

根据工程特点和勘察场地的地层结构，对油罐地基考虑采用预制桩(预应力管桩或预制方桩)、钻孔灌注桩方案，或碎石桩与 CFG 桩联合换填垫层法复合地基方案。

2.2.1 桩基础方案

当采用此方案时，一方面上部软弱土层不进行预处理，压缩性高，提供给桩的侧摩阻力有限，并可能由于负摩擦产生附加沉降；另一方面由于油罐区域下无稳定的而良好的砂层作为桩端持力层，仅可以⑤层黏土作为桩端持力层，预制桩或钻孔灌注桩，桩长一般为 26.0 m～29.0 m，桩长较长。同时③2层中砂及层④夹层中砂局部分布较厚，且③2层中砂含 4 cm ～7 cm的铁锰质结核，对预制桩沉桩也会有一定影响。因此采用此方案时，本场地无较稳定且良好的桩端持力层，并需进行造价较高的承台建设，将导致总体建设费用增加。

2.2.2 组合桩复合地基

一方面考虑到碎石桩是水平挤、振，可以提高上部软弱土层的承载力，消除液化；另一方面 CFG 桩属于刚性桩，能提供较高的承载力；第三方面考虑到罐区范围内人工吹填土层的不均匀性，振冲碎石桩在西侧淤泥中成桩效果差，CFG桩施工后，垫层难以调整桩与桩间土的承载力，桩间土的承载力不能得到很好的发挥，同时考虑油罐东西两侧土层的不均匀性，采用整体换填，消除不均匀性。因此，采用此方案既可以达到消除地层液化和地层不均匀的目的，又能获得较高的承载力。具体设计参数如下。

(1)振冲碎石桩：采用 75 kW 振冲器；环墙外 3 排护桩按环形布桩，桩径 800 mm；环墙内按正方形布桩，桩径 1 000 mm，桩距 1 500 mm，桩长 8.5 m，共计 2 746 根。

(2)CFG 桩：采用长螺旋钻孔管内泵压混凝土灌注法成桩；环墙下按环形布桩，环墙内按正方形布桩；桩径400 mm，桩距 1 500 mm，桩长采用变桩长设计，中心范围内桩长 28.5 m，外围桩长 26.5 m，共计 2 351 根；桩身材料为C35 混凝土，桩体上部设置 4 m 长的钢筋笼，一方面可以防止在淤泥中的缩颈，另一方面增强桩体顶部抗水平力能力。

(3)换填垫层法：采用换土垫层解决碎石桩桩头松散及表层桩间土较软问题，将施工标高以下 1 m 内松散桩头及桩间软土挖除，用 3∶7 碎石砂土分层碾压密实至施工标高，压实系数大于 0.96。

(4)要求复合地基承载力特征值大于 260 kPa。

2.3 承载力计算

碎石桩与 CFG 桩复合地基属于多元复合地基，具体是由刚性桩(CFG 桩)、散体材料桩(碎石桩)与土形成的三元复合地基。复合地基承载力共有 3 部分组成，计算公式为

式中 fspk为复合地基承载力特征值；m1、m2分别为 CFG 桩和碎石桩的面积置换率；为 CFG 桩的单桩承载力特征值；Ap1为 CFG 桩的单桩横截面积；fpk2为碎石桩的桩体强度；fsk为桩间土承载力特征值；β、β2分别为桩间土和碎石桩承载力发挥度系数。将相关参数代入计算，复合地基承载力特征值为 270 kPa，满足设计要求。

3 施工

本工程施工时，先施工振冲碎石桩，再做换填垫层施工，最后施工 CFG 桩。考虑如下：先施工振冲碎石桩，避免振冲器对 CFG 桩的振动影响；换填施工在碎石桩施工完成后进行，可以降低碎石桩施工对下部土层的扰动；最后施工CFG 桩，避免换填开挖机械损坏桩体。

3.1 振冲碎石桩施工

(1)成桩时不能把振冲器刚接触填料瞬间的瞬时电流作为密实电流，瞬时电流并不能真实反映填料的密实程度。只有当电流达到设计要求的密实电流值并持续超过留振时间后，方可提升振冲器进行下一段投料制桩。

(2)留振时间的长短可根据土层的情况适当调整。一般情况下控制在 5 s，但当遇到软弱土层时可适当延长至 8 s。

(3)施工中填料不宜过猛。原则上要“少吃多餐”，即要勤加料，每批又不能投料太多，每次投料量不宜大于孔内高度 50 cm。施工到罐区西侧时，在制桩过程中经常出现加密电流达不到要求的情况。分析原因是由于上部地层为淤泥，投料时，石料难以落到孔下部。应采取带料清孔和强迫填料的措施，保证石料能够顺利到达孔下部，加密电流符合施工要求。

3.2 CFG桩施工

(1)钻机前台指挥员在整个压灌过程中，必须时刻指挥和监控钻杆的提升速度，与输送泵操作工相互注意对方传递的信号，确定泵送、停泵、提钻和停止提钻的时机，保证泵送混凝土量和钻杆提升速度。灌注过程中，混合料泵送量应与拔管速度相配合；前台指挥要通过听声音、敲击钻杆，综合判断钻杆内的混凝土量，来控制提升速度，同时减少在饱和砂土层中停泵侍料；提拔管速度应按匀速控制，如遇淤泥或淤泥质土，拔管速度应适当放慢。

(2)放置钢筋笼放入桩体要垂直，必要时需将桩顶堆积土清除干净，防止钢筋笼带泥或土进入桩体。

3.3 换填法施工

(1)砂石垫层施工前，应将基坑底上的垃圾等杂物清理干净。必须清理到设计要求底面标高，将回落的松散垃圾、石子等杂物清除干净。由于换填的软弱土层为淤泥质土，开始换填前一定将淤泥清理干净，并做好基底的排水工作，保证换填前基底的干燥。

(2)由于施工区地下水位较高，并且场地离海边较近，要防止地下水位对垫层的影响，每层铺好后及时碾压，防止地下水位由于毛细作用上升到垫层中，改变垫层的含水率，影响碾压效果。

4 施工检测结果

通过碎石桩桩体重型动力触探、桩周重型动力触探、单桩静载试验、CFG 桩低应变测试、单桩复合地基静载试验、桩间土标准贯入试验和静力触探试验等方法的综合检测，依据检测结果，对油罐地基的处理效果进行评价，并提出以下结论。

(1)碎石桩单桩静载荷试验共检测 14 根。结果表明：单桩静载试验 Q-s 曲线呈缓变曲线，碎石桩单桩承载力特征值≥100 kN，满足设计要求。

(2)碎石桩桩体动探共检测 27 根碎石桩桩。结果表明：除浅层 10 cm～20 cm 地基土击数较低，各土层深度内平均桩体动探 7.2～12.6 击，呈稍密～中密状态，碎石桩施工质量较好。

(3)碎石桩桩周(桩径)动探共检测 4 根。结果表明：碎石桩处理深度范围内，碎石桩桩体直径为 0.94 m～1.06 m，平均值为 1.00 m，符合设计要求。

(4)桩间土标准贯入试验及静力触探试验共检测 60 个点。结果表明：通过碎石处理深度范围内各层土原位测试各项指标分析，土层物理力学指标打桩后提高较明显，桩间土处理深度范围内不存在液化点，无液化现象，达到消除软弱土层液化的目的。

(5)CFG 桩单桩复合地基静载试验共检测 12 个点。全部试验点加载至最大荷载(即 520 kPa)时，均未出现沉降急剧增大、土挤出、承压板周围明显隆起等现象，最大沉降量均小于压板边长的 6%，CFG 单桩复合地基承载力特征值≥260 kPa，满足设计要求。

(6)CFG 桩低应变共检测 234 根桩。结果表明：所有被检测工程桩桩体完整性方面均为完整或基本完整，均符合设计要求。

5 充水试验及其效果

油罐主体施工完成，在充水试验过程中对设置在环墙上的沉降点进行了观测。最终沉降结果如表 1 所示。

表 1 沉降点沉降结果

由以上监测数据可以看出，油罐环墙基础累计平均沉降量和最大累计沉降量较小，表明地基处理消除了软弱土层的高压缩性，控制了沉降；对径点最大累计沉降差均小于要求的数值，表明罐体没有出现大的平面倾斜，地基处理均匀性较好；作为充水沉降观测重要指标的相邻点最大累计沉降差，监测结果均小于规范要求的 25 mm，说明罐周不均匀沉降在规范允许的范围内，环墙基础倾斜接近平面倾斜，不会造成罐体扭曲变形。因此，油罐的地基处理达到了预期的效果。