張亞非 （安徽實(shí)華工程技術(shù)股份有限公司，安徽 安慶 246000）

1 概 述

大型鋼儲(chǔ)罐是特殊構(gòu)筑物，它對(duì)地基的要求和受力特點(diǎn)為：①鋼儲(chǔ)罐底是由鋼板組成，由于罐底面積大，具有較大的柔性，要求地基基礎(chǔ)提供與罐基礎(chǔ)底部應(yīng)力相適應(yīng)的地基反力；②鋼儲(chǔ)罐的直徑較大，荷載影響較深；③對(duì)鋼儲(chǔ)罐變形有特殊的要求，罐中心與邊緣的沉降差應(yīng)滿足罐底變形要求。如果罐中心沉降過大（在軟弱地基上建罐，罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成圓錐面坡度一般為15‰~20‰），使罐底板中心標(biāo)高低于邊緣標(biāo)高，產(chǎn)生“鍋底”狀，會(huì)使底板焊縫受剪，使底板應(yīng)力增大，甚至拉裂底板；④罐基礎(chǔ)整體傾斜（平面傾斜），也就是直徑方向的沉降差過大，改變了液面水平面，會(huì)使罐壁增加較大的附加壓力；⑤罐基礎(chǔ)周邊不均勻沉降（非平面傾斜），會(huì)使罐壁徑向扭曲產(chǎn)生過大的次生應(yīng)力，導(dǎo)致罐壁破裂。所以在軟弱地基上建造大型油罐，由于地基土不能滿足鋼儲(chǔ)罐承載力和變形要求，需要進(jìn)行地基處理。地基處理的方法有很多種，《鋼制儲(chǔ)罐地基處理技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50756-2012）給出了可供地基處理的方法有：充水預(yù)壓法、水泥粉煤灰碎石樁法、水泥土攪拌樁法等。筆者在山東?；こ添?xiàng)目中設(shè)計(jì)了23000m3鋼儲(chǔ)罐，并就其軟弱地基進(jìn)行了處理，方法是采用了水泥土攪拌樁法形成的復(fù)合地基處理軟弱地基，使之滿足承載力和變形要求。本文將結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)過程和參數(shù)的選取進(jìn)行闡述，為今后類似工程提供一種的設(shè)計(jì)思路。

2 水泥土攪拌樁法處理大型鋼儲(chǔ)罐軟弱地基的設(shè)計(jì)思路

2.1 水泥土攪拌樁法復(fù)合地基設(shè)計(jì)

本工程項(xiàng)目按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）要求設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)思路為：①首先根據(jù)鋼儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)條件，計(jì)算罐底需要的地基承載力，并根據(jù)地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形驗(yàn)算；②當(dāng)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)地基土的承載力和變形驗(yàn)算結(jié)果均不滿足規(guī)范要求；③通過綜合分析，采用水泥土攪拌樁法復(fù)合地基處理軟弱地基；④用該方法處理地基時(shí)，首先要進(jìn)行估算復(fù)合地基的地基承載力特征值，然后通過復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，來確認(rèn)處理的結(jié)果。

圖1

表1

水泥土攪拌樁法的設(shè)計(jì)，主要是設(shè)計(jì)攪拌樁的置換率和樁長。樁長可以根據(jù)罐基礎(chǔ)對(duì)承載力和變形的要求確定。宜穿透軟弱土層至承載力相對(duì)較高的土層。復(fù)合地基的地基承載力特征值估算首先計(jì)算樁土面積的置換率m，根據(jù)樁土面積的置換率m 和基礎(chǔ)底面形式布樁設(shè)計(jì)，公式如下。

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；m 為樁土面積的置換率；η 為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，干法可取0.2~0.3，濕法可取0.25~0.33；β 為樁尖土承載力折減系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值，如無經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取0.75~0.85，天然地基承載力較高時(shí)取大值；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊（邊長為70.7mm立方體，也可采用邊長為50mm的立方體），在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值（kPa）。

2.2 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的選取

上面幾個(gè)公式較為簡單，但在具體應(yīng)用時(shí)，還是有較為難以掌握確定的技術(shù)參數(shù)，例如m、β、η、fcu和水泥摻入量等。顯然，某一技術(shù)參數(shù)的更改，都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的變化。所以，正確理解和把握公式技術(shù)參數(shù)的選取，對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，無疑是十分重要的。

下面就這幾個(gè)參數(shù)逐一進(jìn)行分析。樁土面積的置換率m和樁徑與單樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑油罐有關(guān)，在設(shè)計(jì)中，根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖┕C(jī)械，擬采用φ600的樁，樁距1.0m，三角形布樁，m=0.2563。fcu的取值也非常關(guān)鍵，它與土的類別、水泥品質(zhì)、水泥摻入量、水泥土養(yǎng)護(hù)齡期(t)有關(guān)。嚴(yán)格說，該項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)該通過現(xiàn)場采集土樣，在室內(nèi)與摻入不同數(shù)量的水泥混合制成水泥土試塊，并經(jīng)歷不同齡期試壓測得；但是在實(shí)踐中，由于時(shí)間條件限制，這項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)工作往往來不及實(shí)施。筆者根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓こ虒?shí)踐經(jīng)驗(yàn)來選取，山東壽光的?；貐^(qū)若水泥摻入比為15%，fcu的經(jīng)驗(yàn)值一般取2.5MPa~3.0MPa。η 為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，因?yàn)槭歉煞ㄊ┕?，?.2~0.3即可。β 為樁尖土承載力折減系數(shù)，是反映樁土共同作用的一個(gè)參數(shù)，也是樁與樁間土兩者分擔(dān)荷載比例的問題，規(guī)范給出是0.75~0.85，但根據(jù)筆者收集到的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值是0.5；這個(gè)參數(shù)理論上應(yīng)是以載荷試驗(yàn)為最好，因條件所限，也盡量調(diào)研當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于單樁豎向承載力的特征值的估算，Ra要同時(shí)滿足上述（3）、（4）兩式。

3 工程實(shí)例設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 鋼油罐的主要參數(shù)及地質(zhì)情況

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)條件為23000m3鋼儲(chǔ)罐，直徑40.50m，高度19.00m。地基承載力要求達(dá)到220 kN/m2。

擬建場地位于山東?；瘓F(tuán)有限公司石油化工分公司北，場地地形基本平坦，勘察期間測得孔口高程5.20m～6.55m，地貌單元屬濱海沉積平原。①雜填土（Qml）：黃褐色～灰色，稍濕，松散，層底深度0.70m～3.50m。②粉土（Q4al）：黃褐色，濕～很濕，稍密，無光澤，搖振反應(yīng)迅速，韌性低，干強(qiáng)度低。層底深度2.10m～5.00m。③粉砂（Q4m）：灰褐色～灰色，飽和，稍密～中密，夾粉質(zhì)粘土薄層。層底深度10.50m～13.20m，層厚5.30～10.40m，平均厚度8.60m。③-1粉質(zhì)粘土（Q4m）：灰褐色，可塑，稍具光澤，無搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度中等，層厚0.50～3.20m，平均厚度1.28m。④粉質(zhì)粘土（Q4mc）：灰黃色～褐黃色，可塑，稍具光澤，無搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度中等，層底深度14.80～17.00m，層厚2.50～5.30m，平均厚度3.43m。⑤粉砂（Q3+4al）：灰黃色～褐黃色，飽和，中密~密實(shí)。層底深度20.30～25.70m，層厚4.70～10.20m，平均厚度6.47m。⑥粉質(zhì)粘土（Q3+4al）：褐黃色，可塑，稍具光澤，無搖振反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度中等，層底深度34.00m～39.30m，層厚11.90～17.00，平均厚度14.10m。⑥-1粉砂（Q3+4al）：褐黃色，飽和，中密～密實(shí)，本層呈透鏡體狀?yuàn)A于第⑥層粉質(zhì)粘土中，層厚0.60m～3.20m，平均厚度1.54m。⑦粉砂（Q3+4ml）：褐黃色，飽和，中密～密實(shí)。本層未揭穿，最大揭露深度40.00m，最大揭露厚度6.00m，相應(yīng)標(biāo)高-33.93m。

按照GB50007-2002規(guī)范有關(guān)規(guī)定，結(jié)合場地工程地質(zhì)條件和各種測試手段適用性，參照地區(qū)建筑經(jīng)驗(yàn)，建議各層土的承載力特征值fak（kPa）、壓縮模量Es（MPa）取值如表1所示。

從巖土工程地勘報(bào)告看，作為23000m3鋼儲(chǔ)罐的地基，無論是承載力還是各種變形控制值，都難以達(dá)到要求。⑥層以上土的fak均低于220kPa，且Es只有7.0MPa，屬于中高壓縮性土。結(jié)合工程擬建場地土特征分析，擬采用水泥土攪拌樁法復(fù)合地基處理軟弱土層。

3.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

兩種算法的Ra取小值。

擬采用φ600的樁，樁距1.0m，三角布樁，m=0.2563；

通過計(jì)算，估算的復(fù)合地基特征值滿足要求。

在設(shè)計(jì)中，取樁徑φ600，樁長16m，采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5MPa水泥作為固化劑。水泥摻入量按：樁上部5m復(fù)攪采用80kg/m，其余部分采用60kg/m，折算為14.65%（即260kg/m3），基本滿足經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

本工程按設(shè)計(jì)條件先行進(jìn)行了復(fù)合地基的載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果復(fù)合地基特征值均大于220 kN/m2。

工程項(xiàng)目按圖1形式布樁。

3.3 復(fù)合地基變形的計(jì)算

油罐的變形計(jì)算主要是控制罐中心與邊緣的沉降差，《石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（ST/T3068-2007）中規(guī)定，當(dāng)40＜Dt≤60 m（Dt為罐直徑）時(shí)，罐中心與邊緣的沉降差允許值為0.004 Dt。本例中，如未進(jìn)行地基處理，按規(guī)范［4］計(jì)算，算得罐中心沉降計(jì)算值為641mm，邊緣沉降計(jì)算值314mm，實(shí)際計(jì)算沉降差遠(yuǎn)超沉降差允許值。本工程采用水泥土攪拌樁法處理軟弱地基后按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）中的相關(guān)公式計(jì)算復(fù)合地基變形為：罐中心沉降計(jì)算值為190mm，邊緣沉降計(jì)算值110mm，計(jì)算沉降差小于規(guī)范規(guī)定的沉降差允許值。后經(jīng)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)反饋，實(shí)際罐邊緣沉降僅80mm左右。

4 結(jié) 論

①采用水泥土攪拌樁法處理大型鋼儲(chǔ)罐軟弱地基是可行的。在實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，盡可能準(zhǔn)確選用m、β、η、fcu等技術(shù)參數(shù)，合理布樁，以提高地基承載力，控制地基變形。

②采用水泥土攪拌樁法處理大型鋼儲(chǔ)罐軟弱地基可就地取材，充分利用原土，施工時(shí)噪音很小、且無污染，能達(dá)到保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源的效果，符合綠色建筑的設(shè)計(jì)理念。鋼儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，因地制宜、就地取材、保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源是最主要的設(shè)計(jì)理念。設(shè)計(jì)要根據(jù)地基情況、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)造價(jià)、工期和施工可行性等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合分析。

[1]徐英，楊一凡，朱萍，等.球罐和大型儲(chǔ)罐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]GB/T 50756-2012，鋼制儲(chǔ)罐地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2012.

[3]JGJ79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]ST/T3068-2007，石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2007.

[5]印曉武.噴樁處理大型油罐軟土地基實(shí)例及分析[J].江蘇建材，2007（4）.