CFG桩处理大型油罐地基

林平 朱林

摘要：CFG桩是水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩。在天然地基中设置一定比例的CFG桩体置换土体，形成CFG桩复合地基，发挥桩有较小沉降量可提供较大承载力的特点，从而提高复合地基的承载力和稳定性。

关键词：CFG桩、承载力、复合地基、油罐

前言：近年来，随着我国经济建设的高速发展，国内原油储罐建设也赢来了高潮，且库容越来越大，大型储罐应用越来越广泛。原油储罐的增大，受附加力影响的土层深度也随之增大，势必造成罐基础的沉降较大，相应的罐底板不均匀变形也大。为控制罐基础不均匀沉降过大而影响储罐的正常使用，需要重点考虑地基的承载力、变形和不均匀变形，进而考虑对油罐地基进行适当处理。本文介绍的CFG桩复合地基，是我公司设计完成的大型油罐地基处理取得成功的案例。

一、 工程概况

大庆林源地区某大型原油商业储备库工程，由12座10X104m3外浮顶原油储罐组成，罐体直径80m，罐高21.8m，钢筋混凝土环梁式基础。上部结构设计要求地基承载力为280Kpa，同时要求罐基础直径方向上的最终沉降差不大于0.004D（D为油罐内径），沿罐壁圆周方向任意10m弧长内的沉降差不应大于25mm。场地工程地质情况如下：

（1）杂填土：主要由粘性土、灰渣、碎石、砖块组成，稍湿，松散。该层分布不连续，层厚0.50-2.00米。

（2）耕土：主要由粘性土、粉土、粉砂组成，含少量植物根系，稍湿，松散。该层分布不连续，层厚0.50-0.70米。

（3）粉土：黄褐色，局部与粉砂和粉质粘土互层。摇振反应迅速，无光泽，干强度低、韧性低，稍湿，呈中密-密实状态。该层分布不连续，层厚1.50-3.70米。fak=170KPa，Es=5.0Mpa。

（4）粉质粘土：黄褐色，大部分与粉土互层。摇振反应中等，稍有光泽，干强度中等、韧性中等，呈可塑-硬塑状态。该层分布不连续，层厚1.70-2.50米。fak=160KPa，Es=4.6Mpa。

（5）粉砂：黄褐色，局部与粉质粘土、粉土和细砂互层。石英-长石质，均粒，级配不良，充填粘性土，稍湿，水下饱和，呈中密状态。该层分布连续，层厚6.60-10.00米。fak=170KPa，Es=10.0Mpa。

（5-1）粉质粘土：黄褐色。摇振反应中等，稍有光泽，干强度中等、韧性中等，呈可塑-软塑状态。该层分布不连续，层厚1.70-2.50米。fak=130KPa，Es=4.5Mpa。

（6）粉質粘土：黄褐色-灰色，无味，大部分与粉土互层。摇振反应中等，稍有光泽，干强度中等、韧性中等，呈可塑状态，局部呈软塑状态。该层分布不连续，层厚0.50-4.00米。fak=130KPa，Es=4.7Mpa。

（7）粉砂：灰色，无味，大部分与粉土互层。石英-长石质，均粒，级配一般，充填少量粘性土，饱和，呈稍密状态。该层分布连续，层厚7.60-11.50米。fak=160KPa， Es=8.0Mpa。

（7-1）粉质粘土：灰色，无味，摇振反应中等，稍有光泽，干强度中等、韧性中等，呈软塑状态。该层分布不连续，层厚0.80米。fak=130KPa，Es=4.5 Mpa。

（8）粘土：灰色，无味，摇振反应无，有光泽，干强度高、韧性高，局部有粉质粘土夹层，呈硬塑-坚硬状态，局部呈可塑状态。该层分布连续，层厚3.50-8.20米。fak=240KPa，Es=7.4Mpa。

（9）粉质粘土：灰色，无味，摇振反应中等，稍有光泽，干强度中等、韧性中等，局部有粘土夹层，呈可塑状态。该层分布不连续，层厚1.00-6.70米。fak=190KPa， Es=5.5Mpa。

（10）粉砂：灰色，无味，石英-长石质，级配不良，充填少量粘性土，饱和，呈密实状态。局部有粉土夹层。该层分布连续，层厚2.70-10.00米。fak=190KPa， Es=11.0Mpa。

（11）粘土：灰色，无味，摇振反应无，有光泽，干强度高、韧性高，局部有粉质粘土夹层，呈硬塑-坚硬状态，局部呈可塑状态。该层分布连续，钻探该层最大厚度21.50米。fak=210KPa，Es=7.4Mpa。

（11-1）粉质粘土：灰色，无味，摇振反应中等，稍有光泽，干强度中等、韧性中等，呈软塑状态。该层分布不连续，层厚1.00-6.70米。fak=150KPa，Es=5.5Mpa。

勘察期间，所有钻孔均遇见地下水，其类型为潜水，水位埋深3.70-9.80米，相当于绝对标高134.02-134.50米。该地下水主要以大气降水、地下水的迳流为补给来源。

勘察报告建议：当基础底面持力层的强度和变形不能满足设计要求时，可采用桩基础，也可采用CFG桩等复合地基。

二、地基处理方案的确定

依据该场地岩土工程勘察报告，场地内各地层天然地基承载力及压缩模量均较低且土层厚度分布不均，土层天然地基承载力只有130kPa～170kPa。

因该场地的地质条件限制，采用天然地基或浅层地基处理方法无法满足储罐对地基的承载力及差异沉降的要求。为保证储罐安全运行，需对油罐地基进行处理。根据勘察报告给出的建议，采用钢筋混凝土桩基础时，其造价偏高；采用砂石桩、灰土挤密桩等柔性桩体复合地基时，土层对桩体的约束低，至使采用柔性桩复合地基的置换率高，地基处理成本高且工期长。经讨论后确定采用CFG桩复合地基的处理方法来对地基进行处理。CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。其成本低，施工速度快，非挤土成孔对饱和粉砂扰动小，泵压灌孔提供了足够的桩侧阻力，为本工程复合地基处理较好方法。

三、试桩检测

检测目的：1）、为12个10×104m3储罐基础复合地基设计提供依据。2）、为大面积施工检验提供对比数据。

拟采用复合地基处理方法的有关参数

1）、储罐参数

储罐内壁直径80m，高21.8m，新建罐场地设计标高为140.10m。

2）、复合地基处理方法

拟建罐基础复合地基采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG）法，桩长为23.0m-25.0m、桩径400㎜、混凝土强度C25。采用正三角形布桩，桩中心距1650mm--1750mm。

在平整碾压后场地进行CFG桩施工，CFG桩上设置500mm厚碎石垫层作为褥垫层，褥垫层压实系数为0.9。

CFG桩端持力层为（8）粘土层，桩端进入持力层深度800mm。

检测工作量

本次检测工作对6组18根桩分别进行低应变、高应变和复合地基检测，完成工作量如下：

低应变检测数量：18根

高应变检测数量：18根

复合地基检测数量：18个试验点

低应变检测目的：检测桩身缺陷及其位置，判定桩身完整性类别。

高应变检测目的：确定单桩竖向承载力特征值，检测桩身完整性；与复合地基静载荷试验数据比对分析，为大面积施工检验提供对比数据。

复合地基静载荷试验：测定承压扳下应力主要影响范围内复合土层的承载力和变形参数。

检测结果如下：

桩号 载荷板面积（㎡） 复合地基承载力极限值（kPa） 沉降量（㎜） 高应变检测极限承载力（kN） 低应变

1-1 2.65 800 26.83 1409 I类桩

桩身结构完整

1-2 2.65 800 29.46 1370 I类桩

桩身结构完整

1-3 2.36 960 25.57 1398 I类桩

桩身结构完整

2-1 2.36 880 30.04 1399 I类桩

桩身结构完整

2-2 2.36 880 30.04 1460 I类桩

桩身结构完整

2-3 2.36 800 31.42 1453 I类桩

桩身结构完整

3-1 2.36 960 23.54 1428 I类桩

桩身结构完整

3-2 2.36 960 23.01 1483 I类桩

桩身结构完整

3-3 2.36 960 25.41 1458 I类桩

桩身结构完整

4-1 2.65 800 21.66 1432 I类桩

桩身结构完整

4-2 2.65 800 24.31 1528 I类桩

桩身结构完整

4-3 2.65 800 29.07 1503 I类桩

桩身结构完整

5-1 2.65 800 23.37 1454 I类桩

桩身结构完整

5-2 2.65 800 31.23 1561 I类桩

桩身结構完整

5-3 2.36 960 29.85 1465 I类桩

桩身结构完整

6-1 2.65 800 33.05 1513 I类桩

桩身结构完整

6-2 2.65 800 28.27 1419 I类桩

桩身结构完整

6-3 2.65 800 27.12 1502 I类桩

桩身结构完整

结论与建议：

1、该场地地形平坦，场地分布较均匀，无不良地质作用，场地稳定，适宜建筑。

2、当采用正三角形布桩，桩间距<1.75m，本次检测各测点复合地基承载力特征值fspk=400kPa。

3、当：1）、场地（3）粉土、（4）粉质粘土做为复合地基的复合土层；2）、采用超流态混凝土桩作为CFG桩的复合地基桩长为23.0 m -25.0 m、桩径0.4 m；3）、粘土层做为桩端持力层，桩端进入持力层不小于800㎜；4）、桩布置方式为等边三角形布桩，桩距≤1.75m时，拟建场地各储罐基础下复合地基承载力特征值fspk、压缩模量Es可采用下列值：

（3）粉土： fspk=400kPa Es=11.8Mpa

（4）粉质粘土： fspk=400kPa Es=11.5Mpa

4.该拟建建筑物若采用CFG桩基础，当采用超流态混凝土灌注桩时，各土层的侧阻力特征值qsia和桩端阻力值qpa 可采用下表值。

地层编号 地层名称 压灌桩 备注

qsia （kPa） qpa（kPa）

（3） 粉土 20

（4） 粉质粘土 22

（5） 粉砂 20 220

（6） 粉质粘土 17

（7） 粉砂 22 280

（7-1） 粉质粘土 12

（8） 粘土 40 650

大面积施工时可采用高应变检测控制施工质量。

四、CFG桩复合地基的设计

根据10X104m3外浮顶原油储罐本身的结构对地基的要求，结合地质条件及现场试桩结果，对CFG桩的加固范围、桩距、桩长的设计如下：

1.桩径、桩距

根据试桩结果，结合上部结构附加压力分布状况对地基的影响，在布桩时划分成三个区域：Ⅰ区为圆形区域，以罐中心为圆心，半径为20.0m，采用正三角形布桩，桩中心距1.70m，该区内共布513根桩；Ⅱ区为环形区域，以罐中心为圆心，内圆半径为20.0m，外圆半径为39.7m，采用正三角形布桩，桩中心距1.80m，该区内共布1277根桩；Ⅲ区在罐基础环梁中心线下均布桩70根。所有CFG桩桩径均为400mm。桩位布置图见“图1”。

图1 10X104m3储罐CFG桩位布置图

2.桩长

根据地勘报告提供的地质情况，经计算，桩端持力层为（8）粘土层，桩端进入持力层深度不小于800mm，桩长不小于23m。

3.承载力及沉降计算

复合地基承载力特征值按下式计算：

fspk=mRa/Ap+（1-m）fsk

地基沉降按下式计算：

取其中一个罐基础为例，该罐基础范围内共布置13个钻孔，通过程序计算，复合地基承载力特征值最小331kPa，最大378kPa，修正后复合地基承载力特征值最小377kPa，最大418kPa（与试桩结果基本吻合）；环梁处最大沉降值36.6mm，最小沉降值34.3mm，沉降差最大2.3mm，远小于规范的要求。

4.褥垫层设计

褥垫层材料采用级配碎石，厚度为500mm，级配碎石最大粒径不宜大于30mm。

五、沉降观测

储罐建成后，其基础经充水预压，罐基础环梁最大沉降35.2mm，最小沉降32.0mm，均在规范允许范围内。该12座储罐现已运行8年，使用状况良好。

结语

1、采用CFG桩加固地基，其承载力提高明显，加固效果显著，从而满足建设大型储罐的需求。

2、CFG桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低工程造价。

3、CFG桩施工一般采用长螺旋钻成孔泵送混凝土法，无钢筋笼制作等工序，成孔成桩一次完成，施工简便，工期短。

4、CFG桩施工时，不需泥浆护壁，没有泥浆外运，无环境污染。

参考文献

1） 大型储罐基础地基处理与工程实例，徐至钧主编，许朝铨、黄左坚等编著，中国标准出版社，2009.05