楊志強(qiáng)

中石化重型起重運(yùn)輸工程有限責(zé)任公司 北京 100029

大件設(shè)備吊裝工程中地基處理的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)工程的安全性，若處理不當(dāng)，往往會(huì)發(fā)生工程事故，而且事后補(bǔ)救比較困難。因此，對(duì)地基處理的方案設(shè)計(jì)、處理方法、工藝流程必須實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和驗(yàn)收制度，以確保工程質(zhì)量。目前大件設(shè)備吊裝工程的地基處理主要依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，但吊裝工程中的地基處理有其自身的特點(diǎn)。

(1) 服務(wù)性：場地處理為吊裝服務(wù)，以滿足吊裝需要為目的；

(2) 唯一性：吊裝站位場地的唯一；

(3) 沉降敏感性：不均勻沉降危害巨大而敏感，可能會(huì)造成吊車傾覆，而均布沉降不敏感；

(4) 安全至上性：地基處理工作的共性；

(5) 理論不成熟性：缺少規(guī)范性參考資料和理論與試驗(yàn)研究；

(6) 多樣性：吊裝機(jī)械、吊裝工藝、吊物和地基等多種多樣；

(7) 相對(duì)費(fèi)用高：地基處理成本較大，尤其是在海灘淤泥質(zhì)區(qū)域；

(8) 處理深度較淺：一般深度在3m 以下；

(9) 一次性：吊裝完成后即不再使用，使用頻率低，時(shí)間短。

結(jié)合以上特點(diǎn)，對(duì)創(chuàng)新性利用淤泥固化法處理吊裝站位的地基，通過有限元建模方法對(duì)鎮(zhèn)海煉化項(xiàng)目吊裝站位地基進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，分析吊裝站位以下及周圍區(qū)域的地基受力情況，用于地基處理方案設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，確保吊裝工程安全。

鎮(zhèn)海煉化項(xiàng)目POX 裝置4000t 履帶吊車吊裝變換器吸收塔所站位原場地為池塘、泥漿區(qū)、蘆葦區(qū)及高填土區(qū)，現(xiàn)已進(jìn)行場地整平，并經(jīng)過真空覆水聯(lián)合預(yù)壓處理。目前場區(qū)交通便利，地形較為平坦開闊，地貌類型屬于濱海淤積平原。具體地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 場地地質(zhì)相關(guān)參數(shù)

1 吊裝工藝

變換器吸收塔裸重890t，預(yù)計(jì)附塔管線和勞動(dòng)保護(hù)的重量為300t，吊裝重量為1190t。采用單主機(jī)抬吊遞送法的吊裝工藝進(jìn)行吊裝，主起重機(jī)為XGC88000 型4000t級(jí)履帶式起重機(jī)，溜尾起重機(jī)為徐工QUY650 型650t 級(jí)履帶式起重機(jī)。

2 主起重機(jī)吊裝站位處理承載力計(jì)算

XGC88000 型4000t 級(jí)履帶式起重機(jī)吊裝變換氣吸收塔時(shí)，在吊車單側(cè)履帶下鋪設(shè)雙層路基箱。下層：單側(cè)16 塊路基箱，規(guī)格為7×2.5m，10.8t/ 塊；上層：單側(cè)7 塊路基箱，規(guī)格為8×2.8m，14.5t/ 塊。

其中吊車自重（含548.6t 路基箱）為4374.6t，設(shè)備自重為1432t，累計(jì)重量為5806.6 t；接地面積為560 m2，安全系數(shù)取1.2，則對(duì)地壓力為12.4427t/ m2。

承載力系數(shù)根據(jù)《工程地質(zhì)手冊第五版》表4- 5- 2 值得出。

根據(jù)土的極限承載力公式（《工程地質(zhì)手冊第五版》式4- 5- 6），吊裝時(shí)傳遞到墊層下底面的壓力為墊層底面處附加壓力（PZ）與基礎(chǔ)地面土自重壓力（Pcz）之和，計(jì)算式見式（1）和式（2）。承載力系數(shù)根據(jù)《工程地質(zhì)手冊第五版》表4- 5- 2 值得出。

式中

，

b——基礎(chǔ)底面寬度，14m；

ι——基礎(chǔ)底面長度，20m；

pk——基礎(chǔ)底附加壓力，124.4271kPa；

pc——基礎(chǔ)底面處土的自重，0kPa；

z——墊層深度，2.5m；φ 為墊層擴(kuò)散角，30°；

γ——基礎(chǔ)底面以下土的重度，18kN/ m3。

極限承載力（pu）的計(jì)算見式（3）。

式中：ck——基底下一倍寬度深度范圍內(nèi)土的黏聚力，13.7kPa；

Nc——承載力系數(shù)，8.665；

γ0——基礎(chǔ)地面以上土的重度，18kN/ m3；

d——墊層深度，2.5m；

Nd——承載力系數(shù)，2.638；

Nb——承載力系數(shù)，1.374。

根據(jù)以上計(jì)算可知：

故采用淤泥固化技術(shù)進(jìn)行地基加固處理，當(dāng)處理深度為2.5m 時(shí)，滿足4000t 吊車作業(yè)要求。

3 處理流程

本次施工基本方式為異位固化分層回填壓實(shí)，具體流程如圖1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

4 ABAQUS 建模

本校核中采用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行數(shù)值建模分析，模型尺寸如表2 所示，模型裝配圖如圖2 所示。

表2 ABAQUS 模型數(shù)據(jù) m

圖2 模型裝配圖

4.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類型：C3D8R 八節(jié)點(diǎn)四面體單元。對(duì)淤泥圓孔周圍切分細(xì)化為輻射型網(wǎng)格連續(xù)性過渡。詳見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分

4.2 材料屬性

基于摩爾- 庫倫彈塑性原理得到材料屬性，具體見表3。

表3 材料屬性

4.3 約束方式

根據(jù)實(shí)際工況，僅對(duì)數(shù)值模型淤泥底部約束Y 軸 向（豎直方向）位移。

4.4 接觸方式

根據(jù)實(shí)際工況，數(shù)值模型中加入接觸分析更能確保數(shù)值仿真模擬結(jié)果的真實(shí)性。吊車履帶與路基箱、上層路基箱與下層路基箱、路基箱與固化層、固化層與淤泥層各層接觸面之間設(shè)置摩擦接觸,其中鋼- 鋼、鋼- 固化土、固化土- 淤泥和鋼- 淤泥的摩擦系數(shù)分別為0.12、0.30、0.50 和0.31。

4.5 結(jié)果分析

固化層應(yīng)力、位移分析結(jié)果如圖4—圖10 所示。

圖4 整體應(yīng)力云圖

圖5 整體應(yīng)力云圖切面

圖6 固化層中軸線應(yīng)力曲線圖

圖7 固化層應(yīng)力云圖

圖8 整體位移云圖

圖9 固化層位移云圖

圖10 固化層中軸線沉降曲線圖

固化層下方淤泥應(yīng)力分布情況見圖11—圖14。

圖11 淤泥層位移云圖橫向切面

圖12 淤泥層位移云圖縱向切面

圖13 淤泥層應(yīng)力云圖橫向切面

圖14 淤泥層應(yīng)力云圖縱向切面

在吊裝站位下方埋地管道的受壓應(yīng)力云圖詳見圖15—圖18?？梢姡琎235 屈服強(qiáng)度為235MPa，最大應(yīng)力為85.74MPa，不會(huì)對(duì)地管造成破壞。

圖15 應(yīng)力云圖

圖16 應(yīng)力曲線圖X 截面

圖17 應(yīng)力曲線圖Y 截面

圖18 地管應(yīng)力曲線

埋地管道位移沉降云圖詳見圖19 和圖20?？梢?，地管最大位移為0.03m，在可許范圍內(nèi)，且位于地管中部附近。因此，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性可靠。

圖20 地管位移曲線圖

由以上計(jì)算結(jié)果得到，經(jīng)過淤泥固化后處理的地基在按照實(shí)際吊裝工程中的受力加載后，固化層最大應(yīng)力為188kPa，小于固化層承載極限（400kPa），由受力云圖可直觀看到最大應(yīng)力發(fā)生在履帶正下方附近；淤泥層最大應(yīng)力為63.7kPa，小于淤泥層的承載力（205kPa），且最大應(yīng)力發(fā)生在履帶正下方附近，擴(kuò)散角大于45°，淤泥層應(yīng)力以大于45°的角度往兩側(cè)擴(kuò)散變小。埋地管道最大應(yīng)力為85.74MPa，小于管道許用強(qiáng)度 (235MPa），因此不會(huì)造成管道破壞，不需要對(duì)管道進(jìn)行額外保護(hù)措施，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。整個(gè)地層總體沉降量為7.7cm，滿足沉降要求?？梢?，地基處理滿足吊裝變換器吸收塔要求。

4.6 應(yīng)用實(shí)例

在鎮(zhèn)海煉化吊裝項(xiàng)目實(shí)施中，淤泥固化法在吊裝工程地基處理中得到了驗(yàn)證。在吊裝前期，吊車站位區(qū)域固化土層層換填壓實(shí)（每0.5m 壓實(shí)一次），圈圍保養(yǎng)14d，使水與固化劑充分反應(yīng)結(jié)合從而提高了承載力。最終，4000t 履帶吊車平穩(wěn)順利地吊裝變換器吸收塔。同時(shí)，通過提前埋入的土壓力盒子、靜力水準(zhǔn)儀測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果基本吻合。

另外，在連云港衛(wèi)星石化項(xiàng)目中，在相似地質(zhì)條件下，淤泥固化法在吊裝工程地基處理中也得到了驗(yàn)證和應(yīng)用。1600t 履帶吊車平穩(wěn)順利吊裝690t EO 反應(yīng)器，過程中沉降量符合要求。

5 結(jié)論

由以上計(jì)算分析和實(shí)際吊裝實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，用固化法處理淤泥地質(zhì)作為吊裝場地，強(qiáng)度、沉降量等方面均完全滿足安全性要求。同時(shí)，根據(jù)土層的應(yīng)力擴(kuò)散分布情況分析，在固化層處理的厚度上還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

在當(dāng)下倡導(dǎo)環(huán)境保護(hù)，毛石價(jià)格上漲而且限制開采的情況下，固化法處理地基更具經(jīng)濟(jì)性和可靠性。固化法處理地基只是在原土層加入固化劑攪拌除水凝固，對(duì)周邊環(huán)境無污染，更加環(huán)保；而且相對(duì)于打樁等方法更加方便。因此，作為安全又經(jīng)濟(jì)環(huán)保的新工藝，固化法處理地基值得在吊裝行業(yè)推廣。