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