戰(zhàn)永亮，孫秀竹

（中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555）

0 引言

在軟土地基上建造大型儲(chǔ)罐的主要問(wèn)題[1]是，地基壓縮層內(nèi)土的強(qiáng)度低，承載力不足，變形大，造成基礎(chǔ)出現(xiàn)較大沉降。如前期不對(duì)這類地基進(jìn)行加固處理，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生較大的沉降以及不均勻沉降，甚至?xí)斐傻鼗植渴Х€(wěn)破壞，直接影響儲(chǔ)罐頂蓋的浮升和降落，造成連接管道處的斷裂等事故。國(guó)內(nèi)處理儲(chǔ)罐地基的方法很多，優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）復(fù)合地基處理儲(chǔ)罐地基在東營(yíng)地區(qū)尚屬首次。由于地基處理地域性經(jīng)驗(yàn)較強(qiáng)，CFG樁復(fù)合地基是否適合東營(yíng)地區(qū)，是本次試驗(yàn)研究主要探究的問(wèn)題。

1 工程概況

1.1 概況

勝利石油管理局?jǐn)M建東營(yíng)原油庫(kù)1號(hào)罐，擬建場(chǎng)地位于東營(yíng)市西城區(qū)濟(jì)寧路以南，西三路以東。地基處理利用CFG樁復(fù)合地基，樁長(zhǎng)16 m，樁徑400 mm，間距1600 mm，三角形布置，共1393根樁。1號(hào)罐為鋼制浮頂罐，罐容積為5萬(wàn)m3，罐直徑60 m，罐壁高19.35 m。罐體基礎(chǔ)采用混凝土環(huán)墻式基礎(chǔ)，環(huán)墻高1.8 m，寬0.55 m。

1.2 地質(zhì)情況

場(chǎng)地地質(zhì)屬于黃河三角洲沖積平原，除部分場(chǎng)地表層為雜填土和淤泥外，所揭露地層均由黃河三角洲第四紀(jì)新近沉積和一般沉積的黏性土、粉土及砂土構(gòu)成?？辈靾?bào)告提供的各層土的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.3 儲(chǔ)罐地基處理方案

本工程地基處理方案采用CFG樁復(fù)合地基。CFG樁是在沉管碎石樁的基礎(chǔ)上摻入適量石屑、粉煤灰和少量水泥加水拌和后制成的一種樁體。CFG樁復(fù)合地基由樁、樁間土及褥墊層3部分構(gòu)成，其加固機(jī)理為褥墊層受上部基礎(chǔ)荷載作用產(chǎn)生變形后以一定的比例將荷載分?jǐn)偨o樁及樁間土，使二者共同受力。同時(shí)土體受到樁的擠密而提高承載力，而樁又由于周圍土的側(cè)應(yīng)力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一個(gè)復(fù)合地基的受力整體，共同承擔(dān)上部基礎(chǔ)傳來(lái)的荷載。該處理技術(shù)適用于砂土，松散填土，粉質(zhì)黏土，淤泥質(zhì)黏土等地質(zhì)條件；工藝性能好，灌注方便，能大大縮短工期[2]。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 充水預(yù)壓監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

地基處理完成后，經(jīng)過(guò)復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)驗(yàn)證，地基承載力得到了提高并能滿足強(qiáng)度要求。為了進(jìn)一步有效地控制地基的穩(wěn)定，減少地基不均勻沉降，還需對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行充水預(yù)壓加固[3-4]。本次試驗(yàn)對(duì)東營(yíng)原油庫(kù)1號(hào)罐進(jìn)行了地基土壓力觀測(cè)及環(huán)墻基礎(chǔ)的沉降觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。試驗(yàn)充水加荷時(shí)間為22 d，最大加荷值207.4 kPa，恒載時(shí)間21 d，放水卸荷時(shí)間21 d，共計(jì)64 d。

圖1 環(huán)墻基礎(chǔ)豎向位移測(cè)點(diǎn)及地基土壓力觀測(cè)點(diǎn)位置圖

2.1 地基土壓力觀測(cè)及樁土荷載分擔(dān)比分析

在CFG樁的樁頂標(biāo)高處沿儲(chǔ)罐半徑方向共布置7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別位于儲(chǔ)罐基礎(chǔ)中心處1個(gè)、1/2半徑處3個(gè)、環(huán)墻底部3個(gè)。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分別在CFG樁樁頂，1/2樁間距及1/4樁間距處樁間土表面埋設(shè)1個(gè)土壓力計(jì)。土壓力計(jì)埋設(shè)位置見(jiàn)圖1。

1）地基土壓力觀測(cè)。本次試驗(yàn)實(shí)測(cè)樁頂、樁間土處應(yīng)力隨荷載時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖2。

通過(guò)分析加荷卸荷-基底應(yīng)力曲線可以得到：樁頂及樁間土的應(yīng)力變化曲線與加荷曲線形狀基本一致，且增加幅度變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明樁頂及樁間土在加荷過(guò)程中不存在應(yīng)力滯后問(wèn)題；隨著荷載增大，基底應(yīng)力不斷增大，總體來(lái)看樁頂處應(yīng)力最大，1/4樁間距處應(yīng)力次之，1/2樁間距處應(yīng)力最??；應(yīng)力增幅也是樁頂?shù)淖畲螅?/4樁間距處次之，1/2樁間距處最小；實(shí)測(cè)曲線中顯示在恒荷階段后期，樁頂和1/4樁間距處應(yīng)力略有增加，而1/2樁間距處應(yīng)力略有降低，這是隨著樁間土的壓縮變形，應(yīng)力不斷向樁頂轉(zhuǎn)移的結(jié)果。

2）樁土荷載分擔(dān)比分析。由樁土應(yīng)力可以計(jì)算出樁土的荷載分擔(dān)比，本次試驗(yàn)得到的樁土應(yīng)力比及樁土荷載分擔(dān)變化情況見(jiàn)圖3。

通過(guò)對(duì)樁土應(yīng)力比曲線及樁土荷載分擔(dān)比曲線分析可以總結(jié)得出：加荷初期階段，褥墊層在較小荷載作用下壓縮變形，樁端無(wú)刺入，表現(xiàn)出樁土應(yīng)力比不大，樁間土先于樁體發(fā)揮承載力；當(dāng)荷載進(jìn)一步增加，隨著樁間土的壓縮變形樁頂承擔(dān)荷載逐漸加大，最終超過(guò)樁間土；恒荷階段樁間土（1/2樁間土處）承擔(dān)的荷載穩(wěn)定在100 kPa左右，而樁頂荷載已達(dá)2200 kPa左右，CFG樁承擔(dān)的荷載約占60%，樁間土承擔(dān)荷載占40%；卸荷后，樁土荷載分擔(dān)比迅速恢復(fù)到加荷前的水平。說(shuō)明在CFG樁復(fù)合地基中，褥墊層-樁土相互作用發(fā)揮充分，CFG樁的樁體作用也比較明顯。

2.2 環(huán)墻基礎(chǔ)沉降觀測(cè)及結(jié)果分析

為了研究CFG樁復(fù)合地基在儲(chǔ)罐實(shí)際荷載作用下的工作情況，在充水試壓期間對(duì)1號(hào)罐地基基礎(chǔ)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)。測(cè)點(diǎn)的平面布置見(jiàn)圖1。

1）最終沉降分析。儲(chǔ)罐在充水加荷卸荷時(shí)，環(huán)墻豎向位移與儲(chǔ)罐荷載之間的變化情況，荷載-時(shí)間-豎向位移關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。從圖4中看出，沉降隨荷載增加而逐漸增大，當(dāng)荷載達(dá)到最大并恒載時(shí)，沉降仍隨時(shí)間而緩慢增大，并趨向穩(wěn)定。罐周24個(gè)觀測(cè)點(diǎn)最大沉降值見(jiàn)表3。

圖2 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖3 樁土荷載分擔(dān)比分析曲線

圖4 荷載-時(shí)間-沉降曲線及荷載-時(shí)間-沉降速率曲線

表3 儲(chǔ)罐環(huán)墻各測(cè)點(diǎn)最大沉降值mm

通過(guò)充水預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降，可以推算儲(chǔ)罐地基沉降穩(wěn)定后的最終沉降。按SH/T 3123-2001《石油化工鋼儲(chǔ)罐地基預(yù)壓監(jiān)測(cè)規(guī)程》，采用指數(shù)曲線擬合法推算地基最終沉降量：

式中：S1，S2，S3為地基固結(jié)時(shí)間段內(nèi)的3個(gè)沉降量，分別為荷載-時(shí)間-沉降關(guān)系曲線中與t1，t2，t3對(duì)應(yīng)的沉降值，mm；t1，t2，t3分別為加載停止后從零算起的3個(gè)歷時(shí)時(shí)間，d。

經(jīng)計(jì)算，環(huán)基最終沉降量推算值S∞為132.6 mm。經(jīng)過(guò)22 d加荷21 d恒載后，罐周平均固結(jié)度為98%，固結(jié)相當(dāng)快，這主要是因?yàn)椴捎昧藙傂詷稄?fù)合地基，控制了加固體范圍內(nèi)的變形。

儲(chǔ)罐環(huán)墻沉降隨荷載增加而逐漸增大，當(dāng)荷載達(dá)到最大并維持恒載時(shí)，沉降仍隨時(shí)間而緩慢增大，并趨向穩(wěn)定。放水卸荷后，豎向位移回彈9.4 mm，回彈率7.2%。荷載-時(shí)間-豎向位移關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

充水預(yù)壓初期，平均沉降速率變化不大。當(dāng)充水至107.2 kPa時(shí)，平均沉降速率急劇增大，此時(shí)樁間土受力沉降；當(dāng)荷載接近恒載時(shí)，平均沉降速率達(dá)到最大值14.5 mm/d；恒載后，沉降速率急劇減小并趨于穩(wěn)定。從圖上看出，沉降反應(yīng)比荷載變化滯后2 d，也即應(yīng)力傳遞需要2 d時(shí)間。這是在以后的充水預(yù)壓沉降監(jiān)測(cè)中特別需要注意的。需要對(duì)地基沉降發(fā)展提前兩天判斷，若出現(xiàn)沉降發(fā)展過(guò)快，雖未超過(guò)規(guī)范允許值，也應(yīng)及時(shí)停止加荷，加強(qiáng)觀測(cè)，以避免地基失穩(wěn)事故的發(fā)生。

2）不均勻沉降分析

儲(chǔ)罐環(huán)墻基礎(chǔ)的變形分析主要從控制環(huán)基的平面傾斜和非平面傾斜兩方面考慮。從環(huán)基的沉降投影及沉降展開(kāi)圖可以看到整個(gè)環(huán)墻邊緣沉降值的變化情況，從而判斷儲(chǔ)罐是否發(fā)生傾斜或者扭曲，是否對(duì)儲(chǔ)罐安全構(gòu)成威脅。1號(hào)儲(chǔ)罐不均勻沉降分析見(jiàn)圖5。

圖5 環(huán)基不均勻沉降分析圖

罐周19號(hào)觀測(cè)點(diǎn)沉降量最大，為173.8 mm，12號(hào)觀測(cè)點(diǎn)沉降量最小，為103.9 mm。任意直徑方向最大沉降差為50.3 mm（6號(hào)與18號(hào)方向），平面傾斜為50.3 mm，滿足設(shè)計(jì)對(duì)浮頂罐平面傾斜小于0.004 D=240 mm的要求。罐周邊相鄰觀測(cè)點(diǎn)的最大沉降差為15.8 mm（15號(hào)與16號(hào)之間），=0.0021<0.0025，滿足要求。

從儲(chǔ)罐環(huán)墻最大沉降觀測(cè)點(diǎn)與其徑向?qū)?yīng)觀測(cè)點(diǎn)的差值變化可以看出環(huán)基平面傾斜的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)7號(hào)觀測(cè)點(diǎn)與19號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的沉降曲線可以看出，兩點(diǎn)的沉降在卸荷前已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的平面傾斜也基本穩(wěn)定，不會(huì)繼續(xù)向不利的方向發(fā)展。從最大沉降觀測(cè)點(diǎn)與最小沉降觀測(cè)點(diǎn)的差值變化可以看出儲(chǔ)罐基礎(chǔ)非平面傾斜的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)12號(hào)觀測(cè)點(diǎn)與19號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的沉降曲線可以看出，兩點(diǎn)的沉降在卸荷前已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的非平面傾斜也基本穩(wěn)定，不會(huì)繼續(xù)向不利的方向發(fā)展。這兩者也是非常重要的控制儲(chǔ)罐充水加荷的控制指標(biāo)，是判定儲(chǔ)罐地基是否安全和是否對(duì)儲(chǔ)罐本身造成破壞的關(guān)鍵性指標(biāo)。

3 結(jié)論

1）東營(yíng)原油庫(kù)50000 m3儲(chǔ)罐，充水預(yù)壓期間土壓力測(cè)試結(jié)果表明：恒載時(shí)CFG樁承擔(dān)的荷載約為60%，而樁間土承擔(dān)荷載為40%；卸載后，樁土荷載分擔(dān)比迅速恢復(fù)到加荷前的水平。說(shuō)明在CFG樁復(fù)合地基中，CFG樁的樁體作用明顯。

2）充水預(yù)壓沉降觀測(cè)結(jié)果表明：充水預(yù)壓的危險(xiǎn)階段出現(xiàn)在充水預(yù)壓即將達(dá)到恒載時(shí)，同時(shí)沉降反應(yīng)比荷載變化滯后2 d，必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)。

3）儲(chǔ)罐環(huán)墻最大沉降觀測(cè)點(diǎn)與其徑向?qū)?yīng)觀測(cè)點(diǎn)的差值變化及最大沉降觀測(cè)點(diǎn)與最小沉降觀測(cè)點(diǎn)的差值變化在卸荷前均已經(jīng)趨于穩(wěn)定，說(shuō)明儲(chǔ)罐雖然發(fā)生一定程度的平面傾斜與非平面傾斜，但加荷穩(wěn)定后，不會(huì)繼續(xù)向不利方向發(fā)展。

綜上現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在東營(yíng)地區(qū)利用CFG樁復(fù)合地基處理儲(chǔ)罐基礎(chǔ)具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果和社會(huì)效益。

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