戰(zhàn)永亮，孫秀竹

（中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555）

0 引言

在軟土地基上建造大型儲罐的主要問題[1]是，地基壓縮層內(nèi)土的強度低，承載力不足，變形大，造成基礎(chǔ)出現(xiàn)較大沉降。如前期不對這類地基進行加固處理，儲罐基礎(chǔ)會發(fā)生較大的沉降以及不均勻沉降，甚至?xí)斐傻鼗植渴Х€(wěn)破壞，直接影響儲罐頂蓋的浮升和降落，造成連接管道處的斷裂等事故。國內(nèi)處理儲罐地基的方法很多，優(yōu)缺點各不相同，CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）復(fù)合地基處理儲罐地基在東營地區(qū)尚屬首次。由于地基處理地域性經(jīng)驗較強，CFG樁復(fù)合地基是否適合東營地區(qū)，是本次試驗研究主要探究的問題。

1 工程概況

1.1 概況

勝利石油管理局?jǐn)M建東營原油庫1號罐，擬建場地位于東營市西城區(qū)濟寧路以南，西三路以東。地基處理利用CFG樁復(fù)合地基，樁長16 m，樁徑400 mm，間距1600 mm，三角形布置，共1393根樁。1號罐為鋼制浮頂罐，罐容積為5萬m3，罐直徑60 m，罐壁高19.35 m。罐體基礎(chǔ)采用混凝土環(huán)墻式基礎(chǔ)，環(huán)墻高1.8 m，寬0.55 m。

1.2 地質(zhì)情況

場地地質(zhì)屬于黃河三角洲沖積平原，除部分場地表層為雜填土和淤泥外，所揭露地層均由黃河三角洲第四紀(jì)新近沉積和一般沉積的黏性土、粉土及砂土構(gòu)成?？辈靾蟾嫣峁┑母鲗油恋奈锢砹W(xué)指標(biāo)見表1。

1.3 儲罐地基處理方案

本工程地基處理方案采用CFG樁復(fù)合地基。CFG樁是在沉管碎石樁的基礎(chǔ)上摻入適量石屑、粉煤灰和少量水泥加水拌和后制成的一種樁體。CFG樁復(fù)合地基由樁、樁間土及褥墊層3部分構(gòu)成，其加固機理為褥墊層受上部基礎(chǔ)荷載作用產(chǎn)生變形后以一定的比例將荷載分?jǐn)偨o樁及樁間土，使二者共同受力。同時土體受到樁的擠密而提高承載力，而樁又由于周圍土的側(cè)應(yīng)力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一個復(fù)合地基的受力整體，共同承擔(dān)上部基礎(chǔ)傳來的荷載。該處理技術(shù)適用于砂土，松散填土，粉質(zhì)黏土，淤泥質(zhì)黏土等地質(zhì)條件；工藝性能好，灌注方便，能大大縮短工期[2]。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 充水預(yù)壓監(jiān)測及結(jié)果分析

地基處理完成后，經(jīng)過復(fù)合地基靜荷載試驗驗證，地基承載力得到了提高并能滿足強度要求。為了進一步有效地控制地基的穩(wěn)定，減少地基不均勻沉降，還需對復(fù)合地基進行充水預(yù)壓加固[3-4]。本次試驗對東營原油庫1號罐進行了地基土壓力觀測及環(huán)墻基礎(chǔ)的沉降觀測，測點布置見圖1。試驗充水加荷時間為22 d，最大加荷值207.4 kPa，恒載時間21 d，放水卸荷時間21 d，共計64 d。

圖1 環(huán)墻基礎(chǔ)豎向位移測點及地基土壓力觀測點位置圖

2.1 地基土壓力觀測及樁土荷載分擔(dān)比分析

在CFG樁的樁頂標(biāo)高處沿儲罐半徑方向共布置7個觀測點，分別位于儲罐基礎(chǔ)中心處1個、1/2半徑處3個、環(huán)墻底部3個。每個觀測點分別在CFG樁樁頂，1/2樁間距及1/4樁間距處樁間土表面埋設(shè)1個土壓力計。土壓力計埋設(shè)位置見圖1。

1）地基土壓力觀測。本次試驗實測樁頂、樁間土處應(yīng)力隨荷載時間變化曲線見圖2。

通過分析加荷卸荷-基底應(yīng)力曲線可以得到：樁頂及樁間土的應(yīng)力變化曲線與加荷曲線形狀基本一致，且增加幅度變化趨勢基本一致，說明樁頂及樁間土在加荷過程中不存在應(yīng)力滯后問題；隨著荷載增大，基底應(yīng)力不斷增大，總體來看樁頂處應(yīng)力最大，1/4樁間距處應(yīng)力次之，1/2樁間距處應(yīng)力最?。粦?yīng)力增幅也是樁頂?shù)淖畲螅?/4樁間距處次之，1/2樁間距處最??；實測曲線中顯示在恒荷階段后期，樁頂和1/4樁間距處應(yīng)力略有增加，而1/2樁間距處應(yīng)力略有降低，這是隨著樁間土的壓縮變形，應(yīng)力不斷向樁頂轉(zhuǎn)移的結(jié)果。

2）樁土荷載分擔(dān)比分析。由樁土應(yīng)力可以計算出樁土的荷載分擔(dān)比，本次試驗得到的樁土應(yīng)力比及樁土荷載分擔(dān)變化情況見圖3。

通過對樁土應(yīng)力比曲線及樁土荷載分擔(dān)比曲線分析可以總結(jié)得出：加荷初期階段，褥墊層在較小荷載作用下壓縮變形，樁端無刺入，表現(xiàn)出樁土應(yīng)力比不大，樁間土先于樁體發(fā)揮承載力；當(dāng)荷載進一步增加，隨著樁間土的壓縮變形樁頂承擔(dān)荷載逐漸加大，最終超過樁間土；恒荷階段樁間土（1/2樁間土處）承擔(dān)的荷載穩(wěn)定在100 kPa左右，而樁頂荷載已達(dá)2200 kPa左右，CFG樁承擔(dān)的荷載約占60%，樁間土承擔(dān)荷載占40%；卸荷后，樁土荷載分擔(dān)比迅速恢復(fù)到加荷前的水平。說明在CFG樁復(fù)合地基中，褥墊層-樁土相互作用發(fā)揮充分，CFG樁的樁體作用也比較明顯。

2.2 環(huán)墻基礎(chǔ)沉降觀測及結(jié)果分析

為了研究CFG樁復(fù)合地基在儲罐實際荷載作用下的工作情況，在充水試壓期間對1號罐地基基礎(chǔ)進行了現(xiàn)場沉降觀測。測點的平面布置見圖1。

1）最終沉降分析。儲罐在充水加荷卸荷時，環(huán)墻豎向位移與儲罐荷載之間的變化情況，荷載-時間-豎向位移關(guān)系曲線見圖4。從圖4中看出，沉降隨荷載增加而逐漸增大，當(dāng)荷載達(dá)到最大并恒載時，沉降仍隨時間而緩慢增大，并趨向穩(wěn)定。罐周24個觀測點最大沉降值見表3。

圖2 各測點應(yīng)力隨時間變化曲線

圖3 樁土荷載分擔(dān)比分析曲線

圖4 荷載-時間-沉降曲線及荷載-時間-沉降速率曲線

表3 儲罐環(huán)墻各測點最大沉降值mm

通過充水預(yù)壓現(xiàn)場實測沉降，可以推算儲罐地基沉降穩(wěn)定后的最終沉降。按SH/T 3123-2001《石油化工鋼儲罐地基預(yù)壓監(jiān)測規(guī)程》，采用指數(shù)曲線擬合法推算地基最終沉降量：

式中：S1，S2，S3為地基固結(jié)時間段內(nèi)的3個沉降量，分別為荷載-時間-沉降關(guān)系曲線中與t1，t2，t3對應(yīng)的沉降值，mm；t1，t2，t3分別為加載停止后從零算起的3個歷時時間，d。

經(jīng)計算，環(huán)基最終沉降量推算值S∞為132.6 mm。經(jīng)過22 d加荷21 d恒載后，罐周平均固結(jié)度為98%，固結(jié)相當(dāng)快，這主要是因為采用了剛性樁復(fù)合地基，控制了加固體范圍內(nèi)的變形。

儲罐環(huán)墻沉降隨荷載增加而逐漸增大，當(dāng)荷載達(dá)到最大并維持恒載時，沉降仍隨時間而緩慢增大，并趨向穩(wěn)定。放水卸荷后，豎向位移回彈9.4 mm，回彈率7.2%。荷載-時間-豎向位移關(guān)系曲線見圖4。

充水預(yù)壓初期，平均沉降速率變化不大。當(dāng)充水至107.2 kPa時，平均沉降速率急劇增大，此時樁間土受力沉降；當(dāng)荷載接近恒載時，平均沉降速率達(dá)到最大值14.5 mm/d；恒載后，沉降速率急劇減小并趨于穩(wěn)定。從圖上看出，沉降反應(yīng)比荷載變化滯后2 d，也即應(yīng)力傳遞需要2 d時間。這是在以后的充水預(yù)壓沉降監(jiān)測中特別需要注意的。需要對地基沉降發(fā)展提前兩天判斷，若出現(xiàn)沉降發(fā)展過快，雖未超過規(guī)范允許值，也應(yīng)及時停止加荷，加強觀測，以避免地基失穩(wěn)事故的發(fā)生。

2）不均勻沉降分析

儲罐環(huán)墻基礎(chǔ)的變形分析主要從控制環(huán)基的平面傾斜和非平面傾斜兩方面考慮。從環(huán)基的沉降投影及沉降展開圖可以看到整個環(huán)墻邊緣沉降值的變化情況，從而判斷儲罐是否發(fā)生傾斜或者扭曲，是否對儲罐安全構(gòu)成威脅。1號儲罐不均勻沉降分析見圖5。

圖5 環(huán)基不均勻沉降分析圖

罐周19號觀測點沉降量最大，為173.8 mm，12號觀測點沉降量最小，為103.9 mm。任意直徑方向最大沉降差為50.3 mm（6號與18號方向），平面傾斜為50.3 mm，滿足設(shè)計對浮頂罐平面傾斜小于0.004 D=240 mm的要求。罐周邊相鄰觀測點的最大沉降差為15.8 mm（15號與16號之間），=0.0021<0.0025，滿足要求。

從儲罐環(huán)墻最大沉降觀測點與其徑向?qū)?yīng)觀測點的差值變化可以看出環(huán)基平面傾斜的發(fā)展趨勢。根據(jù)7號觀測點與19號觀測點的沉降曲線可以看出，兩點的沉降在卸荷前已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此，儲罐基礎(chǔ)的平面傾斜也基本穩(wěn)定，不會繼續(xù)向不利的方向發(fā)展。從最大沉降觀測點與最小沉降觀測點的差值變化可以看出儲罐基礎(chǔ)非平面傾斜的發(fā)展趨勢。根據(jù)12號觀測點與19號觀測點的沉降曲線可以看出，兩點的沉降在卸荷前已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此，儲罐基礎(chǔ)的非平面傾斜也基本穩(wěn)定，不會繼續(xù)向不利的方向發(fā)展。這兩者也是非常重要的控制儲罐充水加荷的控制指標(biāo)，是判定儲罐地基是否安全和是否對儲罐本身造成破壞的關(guān)鍵性指標(biāo)。

3 結(jié)論

1）東營原油庫50000 m3儲罐，充水預(yù)壓期間土壓力測試結(jié)果表明：恒載時CFG樁承擔(dān)的荷載約為60%，而樁間土承擔(dān)荷載為40%；卸載后，樁土荷載分擔(dān)比迅速恢復(fù)到加荷前的水平。說明在CFG樁復(fù)合地基中，CFG樁的樁體作用明顯。

2）充水預(yù)壓沉降觀測結(jié)果表明：充水預(yù)壓的危險階段出現(xiàn)在充水預(yù)壓即將達(dá)到恒載時，同時沉降反應(yīng)比荷載變化滯后2 d，必須加強監(jiān)測及預(yù)測。

3）儲罐環(huán)墻最大沉降觀測點與其徑向?qū)?yīng)觀測點的差值變化及最大沉降觀測點與最小沉降觀測點的差值變化在卸荷前均已經(jīng)趨于穩(wěn)定，說明儲罐雖然發(fā)生一定程度的平面傾斜與非平面傾斜，但加荷穩(wěn)定后，不會繼續(xù)向不利方向發(fā)展。

綜上現(xiàn)場檢測結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)表明，在東營地區(qū)利用CFG樁復(fù)合地基處理儲罐基礎(chǔ)具有較好的技術(shù)經(jīng)濟效果和社會效益。

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