王 爭(zhēng)，易 勇

(中石化江漢油田勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430070)

強(qiáng)夯法在某大型油罐工程地基處理中的應(yīng)用

王 爭(zhēng)，易 勇

(中石化江漢油田勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430070)

為了解決強(qiáng)夯有效加固深度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程存在較大偏差的問題，結(jié)合工程實(shí)例，通過對(duì)工程的試夯和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：①基于梅納德(Menard)理論計(jì)算的有效加固深度直接用于工程時(shí)存在較大偏差，需采用能級(jí)修正后才能與工程實(shí)際相符合；②不同的夯點(diǎn)布置方式對(duì)工程實(shí)際的影響不可忽略。

強(qiáng)夯法；地基處理；有效加固深度

強(qiáng)夯法是地基處理的主要方法之一，因其設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便等特點(diǎn)而得到廣泛使用，其適用于處理碎石土、砂土、非飽和細(xì)粒土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等地基。目前，研究者通過不同方法預(yù)測(cè)強(qiáng)夯有效加固深度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程存在較大偏差[1～4]。鑒于此，筆者結(jié)合某大型油罐工程地基處理實(shí)例，通過對(duì)不同強(qiáng)夯試夯區(qū)的研究，提出了梅納德公式的簡(jiǎn)化計(jì)算方法和相關(guān)施工工藝，從而為利用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基加固提供參考。

1 工程概況

某大型油罐工程主要建立4個(gè)105m3原油儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐直徑80m，高21.8m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，擬建場(chǎng)地等級(jí)2級(jí)，地基等級(jí)1級(jí)，工程重要性2級(jí)，巖土工程勘察等級(jí)為甲級(jí)。

該工程所在地層自上而下為新近填土層(素填土、碎石素填土、雜填土)和震旦紀(jì)基巖。新近填土層為人工回填形成，基巖主要為板巖和石灰?guī)r。地面平均高程為7.00m，填土深度為7～14m，地下水位變化幅度為-3.00～6.93m。

2 工程設(shè)計(jì)

地基處理技術(shù)要求：①地基處理后的地基承載力特征值fak≥250KPa，壓縮模量Es≥17MPa；②要求有效加固深度至微風(fēng)化巖巖面。

2.1試夯區(qū)一設(shè)計(jì)

1)試夯區(qū)一有效加固深度計(jì)算 根據(jù)風(fēng)化巖面等高線圖，回填土深度在7～9m采用8000kN/m能級(jí)進(jìn)行試夯，8000kN/m能級(jí)的對(duì)應(yīng)有效加固深度為9～9.5m[5]。考慮到設(shè)計(jì)區(qū)域場(chǎng)地回填土土質(zhì)很不均勻，且粘性土含量較大，根據(jù)梅納德理論，計(jì)算有效加固深度公式[6]如下：

(1)

式中，h為有效加固深度，m；W為夯錘重，kN；H為夯錘落距，m；α為修正系數(shù)，粘性土地基時(shí)取0.4。

在該工程進(jìn)行強(qiáng)夯加固地基時(shí)，采用夯錘重W=400kN，夯錘落距H=20m。將上述參數(shù)代入式(1)求得有效加固深度為11.3m，該值與文獻(xiàn)[5]推薦值相比偏大。

該工程地下水位高程為3.5m(地面高程為7.0m)，地下水與海水連通。因此，在強(qiáng)夯過程中地下水以下土體要克服浮力做功，從而抵消一部分夯擊能，因而需要采用引入浮力的改進(jìn)梅納德公式進(jìn)行計(jì)算?？紤]到強(qiáng)夯過程中土體的擴(kuò)散，地下水位下土體浮力計(jì)算如下(計(jì)算模型見圖1)。

圖1 試夯區(qū)一強(qiáng)夯計(jì)算簡(jiǎn)圖

土體擴(kuò)散角系根據(jù)地勘報(bào)告取20°，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)夯試驗(yàn)結(jié)果得到夯沉量，起夯面夯沉量約為加固土體深度的1/3，基巖頂夯沉量為0。根據(jù)沉降量模型圖(見圖1(a))，標(biāo)高3.5m處下沉量為1.833m，標(biāo)高9.0m處下沉量為0m。另由于在強(qiáng)夯過程中，夯級(jí)能沿夯點(diǎn)處土體向下擴(kuò)散，其擴(kuò)散的形狀為截頭圓錐體(見圖1(b))。計(jì)算截頭圓錐體體積公式[7]如下：

V=πh1(R2+R×r+r2)÷3

(2)

式中，R、r分別表示上下截面直徑，m；h1表示截面高度，m。

由于地下水位線下受強(qiáng)夯影響的土體形狀為截頭圓錐體，因此根據(jù)式(2)可得：

地下水位線下土體體積:

V=3.14×(9-3.5)×(4.5262+4.526×2.524+2.5242)÷3=220.4m3

則地下水位線下土體浮力:

Ft=V×ρw=220.4×10=2204kN (水的容重ρw取10kN/m3)

以對(duì)應(yīng)截面面積為權(quán)重，得平均沉降值為：

此浮力消耗的能為：

M=Ft·Δh=2204×0.435=959kN/m

則有效加固深度為:

該值和文獻(xiàn)[5]推薦值比較接近，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，采用 8000kN/m能級(jí)時(shí)的有效加固深度定為9m。

圖2 試夯區(qū)一夯點(diǎn)布置示意圖

2)試夯區(qū)一強(qiáng)夯夯點(diǎn)的布置 考慮到大罐直徑為80m，屬于大面積強(qiáng)夯，因而采用正方形夯點(diǎn)布置形式。夯錘直徑為2.5m，質(zhì)量為40t。第1遍夯點(diǎn)間距取2.5～3.5倍夯錘直徑(即6.25m～8.75m)，故第1遍夯點(diǎn)間距取8m，第2遍夯點(diǎn)在第1遍夯點(diǎn)中所形成正方形中心插點(diǎn)，第3遍夯點(diǎn)在第1遍夯點(diǎn)中2夯點(diǎn)間插點(diǎn)，第4遍夯點(diǎn)在前3遍夯點(diǎn)所形成正方形中心插點(diǎn)布置，第5遍為滿夯(見圖2)。

2.2試夯區(qū)二設(shè)計(jì)

1)試夯區(qū)二有效加固深度計(jì)算 根據(jù)風(fēng)化巖面等高線圖，試夯區(qū)二回填土深度為9～12.5m，采用夯錘重為400kN，夯錘落距為30m，根據(jù)式(1)計(jì)算出有效加固深度 。該值與文獻(xiàn)[5]推薦值相比偏大，因而采用引入浮力的改進(jìn)梅納德公式進(jìn)行計(jì)算(計(jì)算模型見圖3)。

根據(jù)沉降量模型圖(見圖3(b))，標(biāo)高3.5m處下沉量為3.167m，標(biāo)高12.5m處下沉量為0m。

則地下水位線下土體體積：

V=3.14×(12.5-3.5)×(5.8002+5.800×2.524+2.5242)÷3=514.8m3

地下水位線下土體浮力：

Ft=V×ρw=514.8×10=5148kN

以對(duì)應(yīng)截面面積為權(quán)重，得平均沉降值為：

此浮力消耗的能為：

M=Ft·Δh=5148×0.478=2461kN/m

修正后的有效加固深度為:

圖3 試夯區(qū)二強(qiáng)夯計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖4 試夯區(qū)二夯點(diǎn)布置示意圖

該值和文獻(xiàn)[5]推薦值比較接近，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，采用12000kN/m能級(jí)時(shí)的有效加固深度定為12.5m。

2)試夯區(qū)二強(qiáng)夯夯點(diǎn)的布置 由于需要處理的土層深度較深，為了進(jìn)行同能級(jí)不同夯點(diǎn)布置形式的對(duì)比，對(duì)地質(zhì)情況相近的2個(gè)試夯區(qū)塊分別采用正三角形和正方形夯點(diǎn)布置形式。在正三角形布置形式中，夯錘直徑為2.5m，夯錘量為400kN。第1遍夯點(diǎn)間距取2.5～3.5倍夯錘直徑(即6.25m～8.75m)，考慮到隨能級(jí)增加間距宜適當(dāng)加大，故第1遍夯點(diǎn)間距取10m的正三角形布置，第2、3遍夯點(diǎn)在第1遍夯點(diǎn)中插點(diǎn)，第4遍為滿夯(見圖4)。

3 試夯區(qū)檢測(cè)

3.1試夯區(qū)一檢測(cè)

1)靜載試驗(yàn) 采用直徑1.20m的圓形承壓板進(jìn)行試驗(yàn)，地基承載力特征值為250KPa、變形模量為17MPa。

2)圓錐動(dòng)力觸探檢測(cè) 動(dòng)力觸探檢測(cè)表明，深度在1.5～3.0m內(nèi)有大塊徑的石塊，該塊石段以下地基土加固效果相對(duì)稍差；深度在8～9m以下為硬層(基巖)，夯間土處理較均勻。

上述檢測(cè)表明，試夯區(qū)一設(shè)計(jì)滿足地基處理技術(shù)要求。

3.2試夯區(qū)二檢測(cè)

1)靜載試驗(yàn) 采用直徑1.20m的圓形承壓板進(jìn)行試驗(yàn)，三角形布點(diǎn)形式的地基承載力特征值不小于350KPa、變形模量約35.6MPa。

2)圓錐動(dòng)力觸探檢測(cè) 動(dòng)力觸探檢測(cè)表明，在淺部4m以內(nèi)的填土中含有大量大塊徑石塊，而在5～8m以下進(jìn)入較硬土層、動(dòng)力觸探難以打入，經(jīng)處理后填土強(qiáng)度較高。

上述檢測(cè)表明，試夯區(qū)二設(shè)計(jì)滿足地基處理技術(shù)要求。

4 對(duì)相關(guān)問題的探討

圖5 強(qiáng)夯夯點(diǎn)影響范圍簡(jiǎn)圖

在試夯區(qū)設(shè)計(jì)中，采用梅納德公式計(jì)算的有效加固深度結(jié)果與工程實(shí)際存在較大差異。考慮到地下水引起的浮力對(duì)強(qiáng)夯能級(jí)影響較大，故在計(jì)算中采用理想模型進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，即采用引入浮力的改進(jìn)梅納德公式計(jì)算的有效加固深度結(jié)果與工程實(shí)際試夯結(jié)果相一致。該方法便于工程研究者進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)有助于減少試夯周期。

當(dāng)采用不同夯點(diǎn)布置形式時(shí)(見圖5)，強(qiáng)夯加固率計(jì)算公式[5]如下：

ρv=(S1/S0)×100%

(3)

式中，S1表示強(qiáng)夯影響區(qū)域面積，m2；S0表示需加固區(qū)域面積，m2。

則夯點(diǎn)布置形式為正三角形與正方形的強(qiáng)夯加固率分別為：

式中,a分別為正三角形和正方形的邊長(zhǎng)。

從上述計(jì)算結(jié)果可知，與正方形夯點(diǎn)布置形式相比，采用正三角夯點(diǎn)布置形式的強(qiáng)夯加固率提高約12%，說明不同夯點(diǎn)布置方式導(dǎo)致不同的地基處理效果。工程實(shí)際試夯表明，采用正三角夯點(diǎn)布置形式時(shí)對(duì)周邊土質(zhì)影響均勻，同時(shí)對(duì)地基的強(qiáng)夯加固處理也更加均勻。

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[3]籍延青.填土的強(qiáng)夯機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2005.

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[5]JGJ 79-2002.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[6]CECS279:2010.強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程[S].

[7]建筑工程常用數(shù)據(jù)系列手冊(cè)編寫組.建筑結(jié)構(gòu)常用數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.03.039

TU472.31

1673-1409(2011)03-0114-03