郭 東, 郭 明

(1 中國建筑西北設計研究院有限公司，西安 710018；2 長慶工程設計有限公司，西安 710018)

0 引言

為響應逐步建立和完善國家石油戰(zhàn)略儲備體系,越來越多石油儲備庫得到建設,10萬方及以上大型鋼儲罐是其中重要的組成部分。我國西北地區(qū)是石油的重要產地及儲運地,近年來隨著儲備庫的規(guī)劃及實施,已經建成或正在建設一批大型石油鋼儲罐,其地基土層濕陷性黃土分布廣、厚度大、含水率低是場地主要特征[1],且天然地基承載力一般不能滿足大型儲罐對地基承載力的要求。消除濕陷性、提高地基承載力、減小不均勻沉降是大型儲罐地基及基礎設計需要解決的主要問題[2],同時合理選擇地基處理形式對節(jié)約投資、保護環(huán)境具有重要意義?；谏鲜鰡栴},本文結合實際工程,介紹了濕陷性黃土場地上大型儲罐基礎設計方法。

1 工程概況

工程位于陜西省西北部,屬于大型原油儲備庫,2010年工程建成,對于提高我國陸上石油戰(zhàn)略儲備具有重要意義,項目建設整體效果圖見圖1。

圖1 項目建設整體效果圖

工程主要分為站場生活區(qū)及儲罐區(qū),儲罐區(qū)包含新建6具10萬方大型原油儲罐,儲罐采用浮頂鋼油罐,直徑80.0m,罐壁高21.8m,罐內最高液位高20.2m,物料重度8.5 kN/m3,罐壁重9 389 kN(包括保溫層),罐自重198 000kN, 充水預壓重1 030 000kN。場地基本地震動峰值加速度值為0.05g,對應地震烈度為6度,場地類別為Ⅱ類,地震動反應譜特征周期為0.45s,基礎抗震設防類別為乙類;抗震措施按7度考慮,地基基礎設計等級為甲級。場地地基土層屬于濕陷性黃土,按濕陷性場地上的建筑物劃分屬于甲類構筑物。

2 地質條件

場地地貌單元屬于山前沖洪積平原,地形起伏稍大、地勢開闊,場地分布地層主要為三大層:黃土狀土、馬蘭黃土和離石黃土,地層縱向和橫向分布較為均勻,場地土層分布見表1。

表1 場地土層分布

場地為山地區(qū)域,地下水埋藏較深,地基基礎設計不考慮地下水的影響。1#罐所在區(qū)域局部土層濕陷性等級為Ⅱ級自重濕陷,其他區(qū)域土層濕陷性等級為Ⅰ級非自重,濕陷性土層深度范圍為5.5～14.5m;其他罐場地土層濕陷性等級均為Ⅰ級非自重,濕陷性土層深度范圍為2.5～15.5m。

限于篇幅,表2僅列出1#罐部分探點濕陷性土層特性。此外,1#、3#罐局部場地位于填方區(qū),最大填方深度1#罐約為6.0m,3#罐約為2.0m。6#罐場地位于挖方區(qū),最大挖方深度約為5.0m。在5#罐區(qū)東南角形成小型黃土坑穴。

表2 1#罐場地濕陷性土層參數

3 基礎設計

罐體直徑大、高度高,罐體荷載在罐四周底部分布較為集中,受地基土層的均勻性影響較為敏感,采用鋼筋混凝土環(huán)墻式基礎,使儲罐在充水預壓過程中均勻沉降,同時儲罐罐壁的安全及可靠性得到保障[3]。另外,在環(huán)墻內采用中心坡向四周的分層壓實墊層,使罐體底部沉降滿足要求,保證罐體底部安全?；A部分斷面見圖2,其中β為罐壁伸入環(huán)墻頂面寬度系數,一般可取0.4～0.6;γL為罐內使用階段儲存介質的重度,kN/m3;hL為環(huán)墻頂面至罐內最高儲液面高度,m;βγLhL為罐內儲存介質通過罐體傳至環(huán)墻基礎的壓力,kPa;gk為罐壁傳給環(huán)墻的線荷載標準值,kN/m;γC為環(huán)墻的重度,kN/m3;γm為環(huán)墻內各層的平均重度,kN/m3;h為環(huán)墻高度,m。

圖2 儲罐基礎斷面

3.1 基礎截面確定

根據圖2,為了使儲罐環(huán)墻基礎及環(huán)墻基礎內墊層發(fā)生均勻沉降,則要求環(huán)墻基底壓力與同標高環(huán)墻內土層壓力相當,即:

(1)

由此可以得出環(huán)墻寬度b:

(2)

式(2)即為《石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規(guī)范》(SH/T 3068—2007)[4]中儲罐環(huán)墻基礎寬度計算公式。同時,為減小罐內儲存介質通過罐體傳至環(huán)墻基礎的壓力,基礎頂部內側采用切角構造做法。

按全部罐壁荷載直接傳至環(huán)墻頂計算,gk為37.4 kN/m,β為0.5,γL為8.5 kN/m3,hL為20.2m,γC為25 kN/m3,γm為19 kN/m3;h為2.0m,計算得:

b取0.6m。作用于環(huán)墻基礎的最大環(huán)向力主要來自罐內充水預壓荷載及環(huán)墻內土體對環(huán)墻產生的側壓力。所以,環(huán)墻基礎環(huán)向作用效應按式(3)確定。

Ft=(γQWγWhW+γQmγmh)KR

(3)

式中:Ft為環(huán)墻單位高環(huán)向力設計值,kN/m;γQW、γQm分別為水、環(huán)墻內各層自重分項系數,分別取1.1、1.0;γW、γm分別為水的重度、環(huán)墻內各層的平均重度,kN/m3,分別取9.8、19.0;hW為罐內最高儲水面高度,m,為20.2m;K為環(huán)墻側壓力系數,按軟土地區(qū)取0.50;R為環(huán)墻中心半徑,m,為40.0m。

按式(3)計算得:

Ft=(1.1×9.8×20.2+1.0×19×2)×0.5×40=5115.12kN/m

3.2 基礎配筋

按軸心受拉構件設計[5],儲罐環(huán)墻基礎縱向受力鋼筋計算見式(4)。

(4)

式中:γo為重要性系數,取1.0;As為環(huán)墻單位高環(huán)向鋼筋的截面面積,mm2;fy為鋼筋的抗拉強度設計值,N/mm2。

儲罐環(huán)墻基礎豎向配筋按受彎構件最小配筋率0.215%確定。鋼筋采用HRB400,fy為360N/mm2,100mm高度范圍內基礎受力鋼筋計算得:

圖3 環(huán)墻基礎配筋示意

3.3 地基處理方案

針對濕陷性黃土地區(qū),地基處理方法有多種[6],如:強夯法、墊層法、樁基、擠密法以及預浸水法等[7]?？紤]罐區(qū)周圍存在已建站場,強夯震動劇烈,噪音大;另外,場地存在較厚濕陷性土層,不適宜強夯處理。預應力混凝土管樁,對樁間土擠密效果不理想,要達到擠密土消除濕陷性,則樁數較多,造價較高,不能充分發(fā)揮該樁本身高強度的特點,所以不適宜采用此方法[8]。由于濕陷土層較厚,按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2004)[9]要求,甲類建(構)筑物地基土應全部消除濕陷性,采用墊層法,墊層厚度太大,土方量大,工程投資高,所以墊層法不適合本工程。采用預浸水法處理地基時[10],要求浸水坑邊緣至鄰近建筑物的距離不宜小于50m。由于罐區(qū)附近存在已建建筑物,所以此法不適用于本工程地基處理。

經過綜合對比,本工程地基處理利用原場地地基土承載力,采用復合地基處理方法[11]。在進行復合地基方案確定時,針對各儲罐基礎分別對三種方案進行比選。方案一:孔內深層強夯樁(DDC樁)+灰土石墊層;方案二:擠土夯擴混凝土大頭樁+灰土石墊層;方案三:沉管成孔素混凝土灌注樁(CFG樁)+灰土石墊層。三種方案均按經驗值公式確定復合地基承載力。樁間距按照《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79—2002)[12](簡稱地基規(guī)范)提供公式進行計算。

1#罐處于填方區(qū),相對于場地地坪最大填方深度約為6.0m。考慮到如果先填方后打樁的施工作業(yè)方法,樁長較長,很難滿足施工工藝的要求。所以,采用先打樁后填方的施工作業(yè)方法。由于①土層部分表層為耕土,厚度較薄,在進行樁施工時,先挖除該土層至②土層,然后打樁,打樁完成后采用灰土墊層填至灰土石墊層底標高,樁長穿透地基土濕陷性土層,樁的最小長度約為13.0m。根據地基規(guī)范,按照墊層法核算地基承載力,PZ+PCZ≤fh,即墊層底面處的附加應力PZ與墊層底面處土的自重應力PCZ不應大于墊層下土的承載力fh。經過核算,①、②土層均不能完全滿足作為持力層時承載力的要求,經修正后③土層承載力滿足設計要求。所以,選擇③土層作為地基持力層。挖除①土層打樁至③土層時,樁的最小長度約為11.0m。由此確定1#罐樁的長度為13.0m。1#儲罐地基處理示意圖見圖4。

圖4 1#儲罐地基處理示意

方案一選用DDC樁成孔直徑400mm,樁徑500mm,樁間距1.3m,樁數4801根,樁身為擠密2∶8灰土。根據地基規(guī)范及《孔內深層強夯法技術規(guī)程》(CECS 197∶2006)[13],處理后復合地基承載力特征值估算值為543.61kPa。方案二擠土夯擴混凝土大頭樁成孔直徑400mm,擴大頭徑700mm,樁間距1.5m,樁數3 570根,樁身為C20混凝土。根據地基規(guī)范估算,單樁承載力1205.76kN,復合地基承載力684.61kPa。方案三采用400mm直徑的CFG樁,樁間距1.3m,樁數4 801根,樁身為C20混凝土。根據地基規(guī)范估算單樁承載力為810.12kN,復合地基承載力為501.72kPa。

2#、4#、5#罐灰土石墊層層底標高處于挖方區(qū),且均處于②土層。所以直接在灰土石墊層下打樁。同1#罐,應消除地基土的全部濕陷量,所以保證樁長穿透地基土濕陷性土層,從灰土石墊層底標高開始算起,穿透濕陷性土層(14.5m),樁的最小長度約為11.5m。經過核算,①、②土層均不能完全滿足作為持力層時承載力的要求,經修正后③土層承載力滿足設計要求。所以,選擇③土層作為地基持力層。從灰土石墊層底算起,打樁至③土層時,樁的最小長度約為13.5m。由此確定2#、4#、5#樁的長度為13.5m。地基處理同1#罐。

6#罐場地處于挖方區(qū)。罐底灰土石墊層底位于②土層,直接在灰土石墊層下打樁,從灰土石墊層底標高開始算起,穿透濕陷性土層(14.0m),樁最小長度約為7.5m。經過核算,②土層不能完全滿足作為持力層時承載力的要求,經修正后③土層承載力滿足設計要求。所以,選擇③土層作為地基持力層。從灰土石墊層底算起,打樁至③土層時,樁的最小長度約為8.5m。由此確定6#樁的長度為8.5m。

3.4 地基處理方案比選

對地基處理方案一、二、三進行參數和經濟性分析,見表3、4。方案一、二、三的優(yōu)缺點對比見表5。

表3 地基處理方案參數分析

表4 地基處理方案經濟性分析/(萬元/具)

表5 地基處理方案優(yōu)缺點對比

綜上所述,地基處理采用方案一:孔內深層強夯樁(DDC樁)+灰土石墊層。地基處理四分之一部分DDC樁平面布置見圖5。

圖5 DDC樁平面布置示意

DDC樁體采用2∶8灰土,處理后要求樁體平均壓實系數不小于0.97,樁間土平均擠密系數不小于0.93,且施工前對場地地基土層進行增濕。

3.5 地基土層增濕

場地地基土層以粉土為主,含水率的高低對基樁成孔及樁間土壓實系數影響較大,間接影響消除土層濕陷性的效果[14]。根據工程經驗[15],當含水率小于10%時,土體為較干性土層,土體可塑性差,干強度低,施工成樁時成孔困難,沉管不易拔出,甚至出現沉管被拔斷的現象,且根據試樁結果樁間土平均擠密系數較難達到0.93的要求[16];含水率過高時,沉管后塌孔較為嚴重,且注水增濕成本較大。

因此,本工程在進行地基處理前,對場地土層進行增濕作業(yè),使土層達到最優(yōu)含水率。增濕方案采用400mm直徑沉管成增濕孔,孔位于DDC三樁中心位置,孔底深為DDC樁以上2.0m,孔內分層填中粗砂至孔口以下0.5m并注水,使水均勻滲入周圍土層。注水量按試驗確定的最優(yōu)含水量計算控制,土層含水率基本控制在12%～15%。注水完成后注水孔上部采用2∶8灰土分層回填并夯實,土層增濕平面示意見圖6。

圖6 場地土層增濕平面

3.6 罐體充水預壓

儲罐安裝完畢后,進行罐內充水預壓,其目的是檢查焊接質量,同時也對地基進行預壓,使主要沉降在充水預壓過程中大部分完成,兩者結合在一起進行。第一次以2m/d的進水速度向罐內充水到儲罐高度的1/3進行沉降觀測,當沉降速率不大于10mm/d時可繼續(xù)充水,以后每次充水高度均為儲罐高度的1/3,且進行沉降觀測,每次充水后應至少保持48h進行觀測,嚴格控制沉降速率小于10mm/d,如此漸進直至充水到最高液位,繼續(xù)進行沉降觀測,當沉降速率小于5mm/d時,認為充水預壓達到穩(wěn)定標準,隨即放水卸荷。但放水時速度不應太快,放水速度以2m/d為宜,放一次水停24h,實測地基的回彈,重復上述工序,直到放水完成[17]。限于篇幅,僅列出2#罐周邊兩處及罐中心點的沉降觀測結果,見圖7。

圖7 2#罐充水預壓沉降

由圖7可以看出,2#罐周邊及中心點地基沉降隨充水荷載的增大而增大,第15d充滿水后地基沉降雖有增大趨勢,但沉降趨于穩(wěn)定,且罐中心點地基沉降始終大于周邊點,中心點、周邊點地基最大沉降分別為71、43mm,罐底錐面沉降差為28mm。第19d開始放水,隨著儲罐卸荷,地基沉降略有回彈,罐中心點及周邊點地基回彈量分別為14、11mm。

3.7 地基沉降

(1)地基變形估算

本工程儲罐地基變形主要由兩部分組成,一部分為DDC樁復合地基壓縮變形,另一部分為復合地基下臥層壓縮變形,這兩部分劃分為兩種土層,根據地基規(guī)范中的分層總和法估算地基變形量。

p0包括儲罐充水自重、環(huán)墻內填料及環(huán)墻基礎底部灰土石墊層自重,按式(5)計算:

(5)

式中Dt為環(huán)墻基礎外邊緣直徑。

以2#罐中心及周邊兩點沉降計算為例,①～⑧土層壓縮模量分別為19.20、26.10、28.39、18.81、20.51、20.93、31.67、30.25MPa,復合地基對應為②土層,其壓縮模量按照地基規(guī)范進行計算,取值為78.3MPa,中心點、周邊點1、2計算沉降分別為82.6、43.7、42.5mm。限于篇幅,其他各罐地基沉降估算結果見圖8。

圖8 沉降估算結果及實測值

由圖8可以看出,各罐中心點沉降估算值在78～96mm之間,周邊點沉降估算值在36～49mm之間,各罐實測中間點沉降及周邊點平均沉降分別在66～73mm 及28～32mm之間,且中心點沉降均大于周邊點,錐面沉降差最大為41mm,罐基礎沉降及錐面沉降差均滿足設計要求[19-20]。由此說明,地基處理實施效果良好。

(2)地基沉降觀測

沉降觀測包括罐基礎完工后、儲罐充水預壓前、充水過程中、充滿水穩(wěn)壓階段、放水后等全過程的各個階段。每個罐基礎周邊設置28個沉降觀測點,沿圓周方向對稱均勻設置,且在罐中心設置一個觀測點。各罐地基沉降實測見圖8。中心點與周邊點豎向最大沉降差為53mm,周邊相鄰測點間最大沉降差為14mm,充水預壓后錐面坡度均大于0.008。

圖9為儲罐主體完成時照片。儲罐地基實測沉降均小于理論估算值,地基處理實施效果能夠達到設計預期,且工程建成投產以來,運行安全、穩(wěn)定。

圖9 儲罐主體完成時照片

4 結論

(1)本工程場地土層具有西北地區(qū)濕陷性黃土場地的通用特性,本文從提高土層承載力及均勻性,消除濕陷性角度出發(fā),通過經濟性和施工可行性論證,探索了一種具有良好經濟效益、社會效益、環(huán)境效益的地基處理方法,采用分層總和法進行地基沉降估算,并和充水預壓后的沉降觀測結果對比,驗證了地基處理方案的合理性,根據對比結果,各儲罐復合地基沉降值均小于理論計算值。

(2)在施工過程中,通過對場地進行增濕作業(yè),解決了施工時沉管不易、拔管困難、土層濕陷性不易消除等問題,保證了地基處理方案的順利實施。這一方法可廣泛應用于DDC樁土層含水率較低的粉土場地。