馬永峰， 周丁恒， 張志豪， 曹力橋

(1.中國石油天然氣華東勘察設(shè)計研究院，山東 青島 266071； 2.慕尼黑工業(yè)大學(xué)，德國 慕尼黑 81245；

3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

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大型石化CFG樁復(fù)合地基現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬*

馬永峰1， 周丁恒2， 張志豪1， 曹力橋3

(1.中國石油天然氣華東勘察設(shè)計研究院，山東 青島 266071； 2.慕尼黑工業(yè)大學(xué)，德國 慕尼黑 81245；

3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

摘要：CFG樁在地基處理工程中已越來越廣泛應(yīng)用，針對大型煉廠工程地基處理的復(fù)雜性，開展了CFG樁施工前后的標(biāo)準(zhǔn)貫入、重型動力觸探及施工后的單樁和復(fù)合地基靜載荷試驗，基于標(biāo)準(zhǔn)貫入和重型動力觸探試驗結(jié)果分析了CFG樁對樁間土的影響。以單樁和復(fù)合地基載荷試驗結(jié)果對大型油罐CFG樁復(fù)合地基承載能力進(jìn)行了評價，并與理論估算進(jìn)行了對比。此外，建立了CFG復(fù)合地基的三維有限差分模型，對樁身6m以下不同厚度的軟土夾層對CFG樁復(fù)合地基的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，進(jìn)一步驗證現(xiàn)場試驗結(jié)果，得出一些結(jié)論。標(biāo)準(zhǔn)貫入和重力動力觸探試驗結(jié)果揭示CFG樁對樁間土未有明顯的擠密效應(yīng)；靜載荷試驗結(jié)果表明，CFG樁復(fù)合地基承載力能達(dá)到設(shè)計要求；現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬結(jié)果揭示樁身10m以下軟土夾層不會明顯影響復(fù)合地基的承載特性。

關(guān)鍵詞：石化工程；CFG樁；復(fù)合地基；現(xiàn)場試驗；有限差分方法

隨著中國能源需求的進(jìn)一步加大，越來越多的沿海地區(qū)及城市興建了石化工程，建造規(guī)模也越來越大，隨之產(chǎn)生了一個問題，如何對軟土軟弱地基進(jìn)行處理，從而達(dá)到控制地基變形及油罐沉降的目的，成為了石化工程地基與基礎(chǔ)設(shè)計中的重要研究內(nèi)容[1]。CFG 樁(Cement Fly-ash Gravel Pile)作為地基處理常用方法之一，是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱，與樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。該項技術(shù)是中國建筑科學(xué)研究院于20 世紀(jì)80年代末研發(fā)的一種地基處理新技術(shù)，具有大幅度提高地基承載力、有效減少地基施工后沉降等特點，并對消除地基的不均勻變形具有很好的適應(yīng)性[2]，在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。近年來，不少學(xué)者對CFG樁進(jìn)行了廣泛地研究，其中在現(xiàn)場試驗方面有：徐毅等[3]通過對CFG樁復(fù)合地基樁、土應(yīng)力和表面沉降的現(xiàn)場觀測，研究了路堤荷載下CFG樁復(fù)合地基樁頂、樁間土的應(yīng)力和沉降變化規(guī)律，根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析了褥墊層厚度、樁間距及樁體強(qiáng)度等設(shè)計參數(shù)的合理性；趙秀紹等[4]對長螺旋CFG樁施工時的孔隙水壓力變化進(jìn)行了監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對施工過程的孔隙水壓力變化進(jìn)行了階段劃分；張繼文等[5]結(jié)合京滬高速鐵路鳳陽試驗段工程，開展 CFG 樁+墊層+筏板處理地基試驗；王旭等[6]通過現(xiàn)場試驗研究了振動沉管碎石樁和CFG樁復(fù)合地基的承載特性；丁小軍等[7]開展 CFG 樁復(fù)合地基變形與承載特性試驗研究，分析了CFG 樁復(fù)合地基在罐體充水過程中樁-土應(yīng)力、孔隙水壓力、沉降及油罐環(huán)墻基礎(chǔ)變形的變化規(guī)律。袁滿等[8]對同一場地上的碎石樁、CFG樁、CFG長樁和水泥土短樁組合和CFG芯水泥土樁復(fù)合地基進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，得出CFG芯水泥土組合樁復(fù)合地基應(yīng)力分布較其他3種復(fù)合地基均勻的結(jié)論；李波等[9]對京滬高速鐵路典型工點現(xiàn)場地基沉降試驗研究，掌握CFG 樁加固后的深厚松軟土地基加固區(qū)與下臥層的壓縮沉降及地基總沉降變形規(guī)律，評價了高速鐵路 CFG樁-筏結(jié)構(gòu)處理深厚層地基的沉降控制效果。

本文通過了CFG樁施工的現(xiàn)場試驗，基于標(biāo)準(zhǔn)貫入和重型動力觸探試驗結(jié)果分析了CFG樁對樁間土的影響。以單樁和復(fù)合地基載荷試驗結(jié)果對大型油罐CFG樁復(fù)合地基承載能力進(jìn)行了評價，并與理論估算進(jìn)行了對比。此外，建立了CFG復(fù)合地基的三維有限差分模型，對樁身6m以下不同厚度的軟土夾層對CFG樁復(fù)合地基的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，進(jìn)一步驗證現(xiàn)場試驗結(jié)果。

1工程背景

中委廣東石化2000萬t/年重油加工工程(一期工程設(shè)計年加工原油能力2 000萬t及相關(guān)配套的石化裝置)是中國石油和委內(nèi)瑞拉合資建設(shè)的國內(nèi)最大一次性投產(chǎn)的石化工程，廠址位于廣東揭陽惠來縣，東臨隆江河，南臨南海，占地面積約6km2。建設(shè)周期4年以上，投資額達(dá)500億人民幣左右，基礎(chǔ)及地基處理費用近20億人民幣，工期超過1a。

場區(qū)地貌單元榕江三角洲平原，地形較平坦開闊。場區(qū)地基土主要為第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)的風(fēng)-水堆積層、沼澤相沉積層、海陸相交互沉積層、第四系上更新統(tǒng)的海陸相交互沉積層、沖、洪積層、殘積層以及燕山期花崗巖組成。揭露巖層分別為全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層，局部為微風(fēng)化層。工程場地上部廣泛分布有10.0～20.0m厚的第四系風(fēng)-水堆積粉細(xì)砂層及0.5～21.0m厚的淤泥質(zhì)黏性土，其中②1層細(xì)砂層級配不良，以松散狀態(tài)為主，局部稍密，屬于中等液化土層；②2層粉細(xì)砂層級配不良，稍密-中密，飽和，屬于輕微-中等液化土層，局部嚴(yán)重液化；淤泥質(zhì)粘性土呈軟塑-可塑狀態(tài)，具有抗剪強(qiáng)度低、孔隙比及有機(jī)質(zhì)含量大、壓縮性高、靈敏度高及流變性強(qiáng)等不良工程特性。

2現(xiàn)場試驗

2.1 試驗?zāi)康?/p>

通過現(xiàn)場試驗，研究CFG樁對周圍砂土的密實效應(yīng)和影響范圍，優(yōu)化CFG樁樁長及間距等參數(shù)，確定單樁及復(fù)合地基承載力，探討CFG樁技術(shù)提高地基承載能力和控制沉降的可行性。

2.2 試驗方案

設(shè)置3個試驗區(qū)，面積均為240m2，樁位布置如圖2所示，具體試驗參數(shù)：樁數(shù)15根，樁間距3m，樁徑均為600mm，樁長應(yīng)穿過第③層軟土，樁端持力層為第⑥粗礫砂(結(jié)合圖1中每個試驗區(qū)實際地層情況)，確定CFG-1區(qū)樁長24.5m、CFG-2區(qū)樁長25m及CFG-3區(qū)樁長23m)，褥墊層厚度為200mm。CFG復(fù)合地基現(xiàn)場試驗檢測布置如圖3所示。

3試驗結(jié)果與分析

3.1 樁身質(zhì)量檢測

樁身質(zhì)量測試采用低應(yīng)變動力測試方法，測試方法為彈性波反射法。經(jīng)過低應(yīng)變動力檢測，編號CFG1-1～3、CFG2-1～3及CFG3-1～3樁均為Ⅱ類樁外(Ⅱ類為有輕度缺陷，但不影響或基本不影響原設(shè)計樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的樁)，其中CF2-2樁為樁身6m左右有輕微缺陷。

圖1　3個試驗區(qū)地層分布情況

圖2　CFG樁基復(fù)合地基試驗樁位布置圖

3.2 CFG樁對樁間土影響分析

為了解CFG樁施工對樁間土的加固效果，在每個試驗區(qū)內(nèi)樁間土的典型位置均進(jìn)行了3孔的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和3孔的重型動力觸探試驗。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗CFG樁施工前后典型標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗曲線如圖4所示，每個試驗區(qū)以3孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗測值為基礎(chǔ)，統(tǒng)計出不同土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)值(見圖5，CFG樁施工前后)，從而確定CFG樁施工前后不同土層的地基承載力和壓縮模量(見圖6、7)。綜合比較9個試驗孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗結(jié)果可知，CFG樁施工前后的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)未明顯變化，壓縮模量和地基承載力亦未得到明顯提高，部分深度范圍內(nèi)甚至有降低的現(xiàn)象。

圖3　CFG樁基復(fù)合地基試驗檢測布置圖

圖4　典型標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗曲線

圖5　CFG樁施工前后分層標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)對比

圖6　CFG樁施工前后地基承載力對比

圖7　CFG-2區(qū)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)確定地基承載力和壓縮模量

3.2.2 重型動力觸探試驗CFG樁施工前后典型重型動力觸探試驗曲線如圖8所示，同一試驗區(qū)內(nèi)3個試驗孔CFG樁施工前后重型動力觸探擊數(shù)變化情況基本一致；3個試驗區(qū)的DT2孔不同土層動力觸探修正擊數(shù)如圖9所示。綜合比較9個試驗孔的重型動力觸探試驗結(jié)果可知，CFG樁施工前后的觸探擊數(shù)未明顯變化，部分深度范圍內(nèi)甚至有降低的現(xiàn)象。

圖8　典型重力觸探試驗曲線

圖9　重型觸探擊數(shù)施工前后對比

基于上述測試結(jié)果可知，CFG樁施工前后的標(biāo)準(zhǔn)貫入和重型動力觸探擊數(shù)未明顯變化，壓縮模量和地基承載力亦未明顯提高，部分深度范圍內(nèi)甚至有降低的現(xiàn)象，CFG樁施工對于樁間土并沒有明顯擠密作用，因此無法消除場地上部粉細(xì)砂土的液化勢；結(jié)合現(xiàn)場施工情況，在重型動力觸探試驗過程中，砂層會隨振動而密實，發(fā)生所謂“抱桿效應(yīng)”，導(dǎo)致測試結(jié)果比實際值偏高，基于實測過程，粉細(xì)砂地層不宜采用重型動力觸探試驗作為主要檢測手段。

3.3 CFG樁復(fù)合地基承載力

3.3.1 單樁靜載荷試驗CFG樁施工結(jié)束28 d后，在每個試驗區(qū)均進(jìn)行了3個點單樁靜載荷試驗，各測點單樁靜載荷試驗曲線如圖10所示，從圖中可看出，荷載-沉降曲線存在明顯的陡降段。3個試驗區(qū)不同測點單樁靜載荷試驗結(jié)果列于表1中，由表1可知，CFG樁單樁極限承載力達(dá)到1 600kN以上，單樁承載力特征值可超800kN，3個試驗區(qū)單樁承載力特征值的統(tǒng)計值分別為980、900、840kN。

圖10　單樁靜載荷試驗曲線

3.3.2 復(fù)合地基靜載荷試驗CFG樁施工結(jié)束28 d后，在每個試驗區(qū)均進(jìn)行了3個點復(fù)合地基靜載荷試驗。各測點復(fù)合地基靜載荷試驗曲線如圖11所示，與單樁靜載荷試驗曲線類似，荷載-沉降曲線存在明顯的陡降段。3個試驗區(qū)復(fù)合地基靜載荷試驗結(jié)果列于表2中，由表2可知，CFG樁復(fù)合地基法加固后可以明顯提高場地的地基承載力，極限承載力可達(dá)到600kPa以上，地基承載力特征值均超過300kPa，3個試驗區(qū)復(fù)合地基承載力特征值的統(tǒng)計值分別為350、365、330kN。

表1　單樁靜載荷試驗結(jié)果

Note:①Pile number；②Pile length；③Maximum test load；④Ultimate value；⑤Characloristic value；⑥Load；⑦Settlement

表2　復(fù)合地基靜載荷試驗結(jié)果

Note:①Pile number；②Pile length；③Maximum test load；④Ultimate value；⑤Characloristic value；⑥Load；⑦Settlement

3.3.3 復(fù)合地基承載力實測與理論值對比《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)采用復(fù)合地基載荷試驗確定，CFG樁復(fù)合地基承載力特征值估算的理論計算值和實測值對比情況見表3，其中樁間土承載力折減系數(shù)取0.75。

圖11　復(fù)合地基靜載荷試驗曲線

CFG樁試驗區(qū)復(fù)合地基載荷試驗是嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計要求進(jìn)行的，鋪設(shè)200mm厚碎石褥墊層，并經(jīng)過壓實處理；樁間土在場地整平、施工過程中，經(jīng)設(shè)備行走碾壓和振密褥墊層綜合作用后，處理后的淺層樁間土的承載力明顯提高。結(jié)合工程經(jīng)驗，處理后的淺層樁間土的地基承載力特征值取200kPa，復(fù)合地基承載力特征值的實測值相當(dāng)于理論估算值1.31～1.35倍。

4樁長范圍內(nèi)軟土夾層的影響

4.1 基于現(xiàn)場試驗的軟土夾層影響分析

結(jié)合3個試驗區(qū)地層分布(見圖1)，試驗1區(qū)的軟土夾層存在于10～12m、14.5～22.5m深度范圍內(nèi)，試驗2、3區(qū)的軟土夾層區(qū)域則為18 ～21.5m，軟土夾層均分布在沿樁長10m以下深度范圍內(nèi)?；诂F(xiàn)場試驗結(jié)果和理論估算情況，本工程地質(zhì)條件下軟土夾層未對CFG樁施工未產(chǎn)生明顯不利影響，亦未影響到單樁、復(fù)合地基承載力。因此，場地內(nèi)砂土層中有無軟土夾層，均可采用CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行加固處理，且樁端進(jìn)入持力層足夠深度，樁身10m以下深度范圍內(nèi)存在的軟土夾層不會明顯影響CFG樁及復(fù)合地基承載力。

表3　CFG樁復(fù)合地基承載力特征值的理論值和實測值對比

Note：①Test area；②Cushion；③Pile length；④Replacement ration；⑤Suggestue charactristic value of bearing capacity after treatment soil amony piles；⑥Teated characteristic value of bearing capacity of poile；⑦Estimated value；⑧Measured value；⑨Characteristic value of dearing capacity of composite formlation

4.2 基于有限差分?jǐn)?shù)值模擬的驗證分析

4.2.1模型的建立和巖土參數(shù)的選取利用Flac3D軟件建立樁、土、基礎(chǔ)及墊層作用的三維有限差分的數(shù)值模型，對豎向荷載作用下CFG復(fù)合地基位移響應(yīng)和樁-土應(yīng)力變化進(jìn)行分析。在建立有限差分模型是對土體、樁體、基礎(chǔ)及墊層均采用三維8節(jié)點6面體單元，同時，在樁體與樁間土、樁體與墊層之間均設(shè)置了接觸單元。樁體采用彈性材料模擬，土體和墊層以Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系模擬。

結(jié)合第2節(jié)的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，選取CFG樁復(fù)合地基的有限差分模型如下：基礎(chǔ)直徑和厚度分別為48m、0.4m，墊層厚度0.2m，CFG樁直徑600mm，樁長24m，樁間距按照3種情況設(shè)定(4、5、6d，其中d為樁徑)；設(shè)置長108m、寬20m、深50m的計算模型。模型根據(jù)對稱性取1/2分析，底部邊界全部固定，側(cè)面邊界加法向固定約束。模型采用的各材料參數(shù)見表4，模型及網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖12　CFG復(fù)合地基三維計算模型

材料①密度②/kg/m3變形模量③/MPa泊松比④黏聚力⑤/kPa內(nèi)摩擦角⑥/(°)0～18m土soil1900150.303018～30m土soil1900200.303330～50m土soil20001000.3035褥墊層⑦1900400.3040軟土夾層⑧190050.351020加固土體⑨1900300.25038CFG220012×1030.2//基礎(chǔ)⑩250020×1030.25//

Note：①Materials；②Density；③Modulus of deformation；④Poissons ration；⑤Cohesion；⑥Friction angle；⑦Cushion；⑧Soft soil interlager；⑨Reinfoeled soil；⑩Foundation

4.2.2計算結(jié)果分析考慮6m深度以下存在一定厚度的軟土夾層，設(shè)定其厚度分別為3、6、9、12m(CFG樁穿過軟弱夾層并樁端在工程特性相對較好的持力層，樁間距5d)，基于上述4種情形的計算結(jié)果，分析軟土夾層對基礎(chǔ)沉降及樁、土受力特性的影響(見圖13、14)。

圖13　不同軟土夾層厚度下基礎(chǔ)沉降和樁-土應(yīng)力比

圖14　不同軟土夾層厚度下單樁樁頂軸力

軟土夾層的存在對基礎(chǔ)沉降和差異沉降影響：軟土夾層厚度在4m范圍內(nèi)(即軟土夾層埋深為6～10m)增大，基礎(chǔ)沉降和差異沉降有一定程度的增加，但變化幅度有限；當(dāng)軟土夾層厚度超過4m(即軟土夾層埋深10m以上)，基礎(chǔ)沉降和差異沉降變化很小。

對比現(xiàn)場試驗結(jié)果可知：本工程地質(zhì)條件下，當(dāng)6～10m深度范圍內(nèi)存在淤泥質(zhì)軟土夾層，基礎(chǔ)沉降、樁-土應(yīng)力比及總樁-土荷載比受到一定影響，軟土夾層埋深10m以上，軟土夾層對CFG復(fù)合樁基的影響基本可忽略。

5結(jié)論與建議

本文通過開展CFG復(fù)合地基的現(xiàn)場試驗和三維有限差分模擬，初步結(jié)論與建議如下：

(1)現(xiàn)場靜載荷試驗結(jié)果驗證了CFG樁復(fù)合地基明顯提高場地的地基承載力并減小基礎(chǔ)沉降。

(2)CFG樁施工對于樁間土的擠密加固效應(yīng)有限，無法消除淺層砂土的液化勢，當(dāng)淺層砂土存在明顯的液化可能性時，需首先采用強(qiáng)夯等方法消除其液化趨勢。

(3)本工程地質(zhì)條件下，樁長范圍內(nèi)的軟土夾層對CFG樁施工及樁身質(zhì)量未產(chǎn)生不利影響，場地內(nèi)砂土層中有無軟土夾層均可采用CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行加固?，F(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬結(jié)果均揭示，依托工程條件下，樁端進(jìn)入持力層足夠深度，樁身10m以下深度范圍內(nèi)存在的軟土夾層不會明顯影響到復(fù)合地基承載特性。

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責(zé)任編輯徐環(huán)

In-situ Test and Simulation of CFG-pile Composite Foundation in a Large Petrochemical Project

MA Yong-Feng1, ZHOU Ding-Heng2, ZHANG Zhi-Hao1, CAO Li-Qiao3

(1. China Petroleum East China Design Institute, Qingdao 266071,China; 2. Technical University of Munich, Munich 81245, Germany; 3. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract:CFG piles have been widely used in foundation treatment of civil engineering. Currently, foundation treatment of large-scale refinery is very complex. In view of this condition, standard penetration test and heavy dynamic penetration test were carried before and after CFG pile construction. And static load test of single pile and composition foundation after CFG pile construction were also finished. Based on results of standard penetration test and heavy dynamic penetration test, the compacting effect on soil caused by CFG piles was analyzed in detail. The bearing capacity of composite foundation was evaluated by static load test of single pile and composition foundation. The monitoring and theory value of CFG pile composite foundation bearing capacity were also compared. Except that, 3D finite difference equation model of CFG pile composite foundation was built. Effect on CFG pile composite foundation caused by different thickness of soft soil interlayer 6m under pile-tip was analyzed in detail. Thus, results of in-situ test were further validated by numerical results. Some conclusions have been drawn. The standard penetration test and heavy dynamic penetration test show that the compaction effect on soil among piles is not apparent. And the bearing capacity of composite foundation has reached the standards. Except that, results of in-situ test and numerical simulation show that the bearing characteristics will not significantly be affected when soft soil interlayer exists below 10m depth along the piles.

Key words:petrochemical project; CFG pile; composite foundation; in-situ test; finite difference method

中圖法分類號：TU43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)01-086-07

作者簡介：馬永峰(1981- )，男，碩士，工程師，主要從事巖土工程勘察與設(shè)計工作。E-mail：yongfeng314@126.com

收稿日期：2014-10-20；

修訂日期：2014-11-19

*基金項目：中國石油工程建設(shè)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目(CPECC2011KJ22)資助

DIO:10.16441/j.cnki.hdxb.20140343

引用格式：馬永峰， 周丁恒， 張志豪， 等. 大型石化CFG樁復(fù)合地基現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2016，46(1)： 86-92.

MA Yong-Feng, ZHOU Ding-Heng, ZHANG Zhi-Hao, et al. In-situ test and simulation of CFG-pile composite foundation in a large petrochemical project[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(1)： 86-92.

Supported by Scientific Research and Technology Development Project of China Petroleum Engineering Construction Company(CPECC2011KJ22)