强夯法与CFG桩法在储罐地基处理中的应用

阮广雄

（广东寰球广业工程有限公司,广州 510655）

强夯法与CFG桩法在储罐地基处理中的应用

阮广雄

（广东寰球广业工程有限公司,广州 510655）

石油化工行业中大型储罐的地基基础设计对整个工程有着重要影响。结合实际工程，采用强夯法及CFG桩法进行储罐地基处理，从设计角度分析方案的选取和处理效果，汇总了沉降监测结果做对比总结。提出了关于大型储罐地基基础设计中的几点实践经验，为今后设计和施工提供参考。

储罐；地基；强夯法；CFG桩；复合地基

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.019

1 引言

随着石油化工工业的快速发展，各地开展了一大批储罐工程建设，大部分建在临海或冲积平原的回填地区 (靠近码头)，并且储罐容量越来越大，特别是大型储罐(≥50000m3)，直径和高度大，竖向荷载重，对地基土的承载力和变形要求相当高。尤其对差异沉降指标控制严格，若超过工艺要求及规范允许值[1]，有可能导致罐体倾斜或失稳，使储罐破裂，造成严重的次生灾害。目前，工程技术人员在实践探索中总结了一些储罐地基处理的经验成果[2～5]。笔者结合具体设计项目，采用强夯法与CFG桩法处理大型储罐地基，并在实践中取得预期效果。

2 工程概况

国内一炼油项目规划十座10×104m3的内浮顶式储罐，每个储罐直径80m，高约20m。建设场区属山前平原(冲、洪积成因)地貌，且位于挖填方区内。场地第四系覆盖层多为人工回填、冲洪积、湖相沉积、残坡积成因，下伏基岩主要分布有寒武系、泥盆系白云岩、泥岩、砂岩、角砾岩及二叠系泥岩、砂岩、铝土岩等。各岩土层地基承载力特征值和压缩模量见表1。

场地为建筑抗震一般地段，中硬土，建筑场地类别Ⅱ类。抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.20g，设计地震分组为第三组。无液化地层。

场地土对混凝土结构为弱腐蚀，对钢筋混凝土结构中钢筋为微腐蚀，对钢结构为弱腐蚀。地下水类型主要为黏性土、

残坡积土、全风化基岩等层中的上层滞水，分布不均匀，基岩裂隙水不发育。钻探期间水位变化幅度大，没有统一稳定的潜水水位。

表1 地基承载力特征值、压缩模量

3 地基基础方案

3.1 地基处理方案

根据勘察报告，场地浅部范围内存在第②-1、第③-1两个软弱层，黏土含有机质，呈软塑～可塑，中～高压缩性，工程力学性质差。鉴于此，初选方案有两种：

方案一，桩基础。不论在挖方区还是填方区，采用灌注桩或预制管桩等直接穿越两个软弱层。灌注桩桩径0.6m，平均桩长14m，桩数约1 200根。

方案二，地基处理。挖方区和填方区的处理方式分别考虑，对于挖方区采用强夯法(高能级)，对于填方区采用强夯(低能级)+复合地基联合法。

对于方案一，桩基础施工周期短，承载力高，以端承为主的桩基沉降和差异沉降小，但桩长较长，以摩擦为主的桩基又不能满足储罐对地基变形的要求；且桩基需设置钢筋混凝土承台（又称“大圆饼”，面积不小于罐底板面积，混凝土用量相当高），整体成本偏高。对于方案二，针对性强，有成本优势，地基承载力可满足储罐荷重要求，但对沉降的控制未必能达到预想效果，且施工周期长。结合当地经验，综合技术、经济、施工周期等指标，选用方案二且按以下原则进行地基处理：

1)挖方区采用15 000kN·m能级强夯法辅以换填软弱土层，换填料均为当地容易获取的级配灰岩碎块石料。再用3000kN·m能级强夯至设计要求。

2)填方区先用4000kN·m能级强夯至160kPa，再用0.5m桩径、14m桩长的CFG桩形成复合地基，桩数约1381根。

3)要求处理后地基承载力达到260kPa，压缩模量不小于18MPa。

各方案估算成本对比见表2。

表2 地基处理方案估算成本对比

3.2 储罐基础选型

储罐基础选型时应根据储罐的型式、容积、地质条件、地基处理方法、施工技术条件和经济合理性进行综合考虑。目前，有4种常用基础型式：护坡式基础、环墙式基础、外环墙式基础和桩基础。本项目做了地基处理，适宜选用整体刚度较大并且对差异沉降有一定调节作用的环墙式基础。环墙基础的设计也可视为地基处理的延伸。

4 地基承载力和变形计算

4.1 地基承载力计算

挖方区通过高能级强夯来达到承载力不小于260kPa，压缩模量不小于 18MPa的加固要求，有效加固深度10.0～13.0m。填方区先用低能级普夯一遍，再施工CFG桩。采用长螺旋泵压灌注成桩，C20混凝土，桩径0.5m，桩端以第⑤-1层为持力层。选取编号T-001C储罐中的代表性钻孔ZK97作为计算依据，T-001C储罐勘探点布置见图1，钻孔土层信息见表3。

图1 T—001C储罐勘探点平面布置图

表3 钻孔ZK97土层信息

1)单桩承载力特征值Ra，安全系数取2。

2)桩体试块抗压强度平均值fcu

3)CFG桩复合地基承载力特征值fspk

按规范[6]，桩间土承载力折减系数取β=0.7；处理后桩间土承载力特征值取低能级强夯后达到要求的fsk=160kPa；CFG桩按2m×2m间距布置，对应的面积置换率由此得复合地基承载力特征值=296kPa＞260kPa，满足设计要求。

4)复合地基压缩模量Es

由于第①层素填土在强夯时基本被灰岩碎块及石料置换掉，环墙基础落在置换层上，其下卧层则为第②层粉质黏土，压缩模量为6.4MPa。强夯后土层fak=160kPa，CFG压缩模量提高系数若要使复合地基满足Es≥ 18MPa，则必须使置换层及第②层粉质黏土的压缩模量在强夯后达到10MPa以上，而这一要求通过强夯是不难实现的。即CFG桩复合地基的Es能满足设计要求。

4.2 变形验算

储罐地基变形特征有三个：整体倾斜（任意直径方向）、罐周边不均匀沉降、罐中心与周边沉降差。规范对这三个特征均有量化的允许值，以此作为控制储罐地基变形的指标。本项目每座10×104m3内浮顶储罐直径Dt=80m，沿周边布置12个勘探点，每个勘探点的沉降差可视为罐周边不均匀沉降。查规范[1]得：

据相关调查结果显示:在回答“我碰到问题首先找谁商量”时，选择同伴选项的占70%，选择父母的占10%，选择老师的占8%，选择其他的占12%。这表明，当学生碰到麻烦时，他们首先想到的是自己的同伴。社会心理学的研究证明，与在各方面接近自己的人交往，人们普遍更能打开话题，交友交心，因为人际吸引具有一致性原则，相似的人更容易相互肯定，更容易进行平等交往，也更能增强交往的效果。

储罐底板一般都设计成一定坡度，从圆心坡向四周，既有工艺操作流程上的要求，也有对罐底板采取措施抵消较大变形的考虑，类似于大跨度结构跨中起拱的原理。本工程储罐底板采用2%的设计坡度（起拱），规范要求沉降稳定后底板的坡度≥0.008，也就是说罐中心与周边沉降差应≤2%～0.008，则(半径40m)：

以T-001C储罐为例，见图1，根据各个钻孔的土层信息进行沉降计算，得到罐中心点及周边12个点的沉降值，再取相互两点的沉降值之差与比较，即可验算该储罐地基变形是否满足规范要求。T-001C储罐沉降验算见表4～表7，其余储罐同此做法进行验算。

表4 T-001C罐各钻孔沉降值

表5 T-001C罐整体倾斜(任意直径方向)

表6 T-001C罐周边不均匀沉降

表7 T-001C罐中心点ZK98与周边沉降差(沉降稳定后)

5个点超出限值。分析原因，是由于计算各钻孔沉降值时采用了原始土层的压缩模量，该钻孔中软弱层较厚致使计算值偏大，如ZK108的沉降值达25.8cm。而实际上，在CFG桩施工前，场地进行了低能级的强夯，有关位置的压缩模量应比原始压缩模量要大得多，实际的计算值基本能满足设计要求。另一方面，储罐选用整体刚度较大的环墙式基础，对罐周边不均匀沉降有良好调节作用，实践证明了该地基处理方案是可行的。

5 实测沉降结果及分析

储罐施工完成后进行充水预压试验，实测各储罐的平均沉降值、整体倾斜最大值(任意直径方向沉降差最大值)、罐周边不均匀沉降最大值(相邻点沉降差最大值)，列于表8、表9。

表8 挖方区采用高能级强夯后各储罐实测沉降

表9 填方区采用低能级强夯+CFG桩处理后各储罐实测沉降

另一方面，比较强夯法与强夯+CFG桩法的沉降结果实测值，虽然前者（高能级强夯法）的整体平均沉降比后者（低能级强夯+CFG桩法）小，但整体倾斜、周边沉降差这两个规范给出的主要控制指标，前者均比后者大，说明后者在储罐地基处理的使用上效果更优。深入分析原因，CFG桩复合地基由于使用物理力学性质更好的填料形成增强体置换了部分土体，对于各个测点的沉降值来说比较平均，由此算得的倾斜、沉降差数值相对小；而在计算复合地基变形时，除了复合土层自身的变形，还需计算以下未加固土层的变形（即计算深度应大于复合土层深度），因此算得的地基整体变形有可能大于采用高能级强夯后的地基变形。

6 结语

本项目在挖填方场区进行大型储罐基础的施工，总结以下几点经验。

1)储罐地基基础设计中，除了计算地基承载力，还需要重视地基变形验算。规范给出了三个变形控制指标：整体倾斜（任意直径方向）、罐周边不均匀沉降和罐中心与周边沉降差（沉降稳定后）。

2)当具备可行性和适用性时，大型储罐地基基础采用强夯法或复合地基比直接采用桩基础更具经济上的优势。

3)挖方区采用15 000kN·m以上的高能级强夯加固，填方区采用4000kN·m低能级强夯+CFG桩复合地基，两者均可取得良好的地基处理效果，并可满足大型储罐对地基承载力和变形的要求。

4)罐基础的设计也可视为地基处理的延伸，环墙式基础整体刚度大，对差异沉降有一定调节作用，在技术和经济指标的综合上比其他基础形式更加均衡。

【1】GB 50473—2008钢制储罐地基基础设计规范[S].

【2】罗聪.中洛线石油储罐地基处理技术分析[J].建筑工程技术与设计，2015（4）：45-46.

【3】刘畅.大型储罐地基的选择以及计算[J].硅谷，2014（1）：89-90.

【4】林齐云.基于碎石桩复合地基的钢储罐地基加固分析[J].中国新技术新产品，2012（7）：44-44.

【5】赵荣超.浅析大型储罐基础设计与地基处理[J].科技创新导报，2015(29)：68-69.

【6】JGJ79—2012建筑地基处理技术规范[S].

Application of theDynamic CompactionMethod and CFG Pile Method in StorageTank Foundation Treatment Project

RUAN Guang-xiong
(GuangdongGlobalConstructionEngineeringCo.Ltd.，Guangzhou 510655，China)

The foundation design of large storage tanks in petrochemical industry has an important influence on the whole project. CombinedwithanactualprojectwhichusingthedynamiccompactionmethodandCFGpilemethodtodealwiththestoragetankfoundation, theselectionandtreatmenteffectoftheprogramisanalyzedfromadesignpointofview,andthesummaryofthesettlementmonitoringresults are summarized.Some practical experience in the design of large storage tank foundation is put forward,which provides reference for the designandconstructioninthefuture.

storagetank;foundation;dynamiccompactionmethod;CFGpile;compositefoundation

TU472

B

1007-9467（2016）07-0086-04

2016-02-15

阮广雄（1980～），男，广东南海人，工程师，从事建筑结构设计与研究，（电子信箱）rgx1980@163.com。