湯晟 孫永堯 艾生軍

1中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司

2中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探井下作業(yè)分公司

順北五號(hào)聯(lián)合站位于新疆阿克蘇地區(qū)沙雅縣境內(nèi)，占地18.5×104m2，場(chǎng)地屬波狀沙丘地貌，原始地形起伏較大，地表砂嚴(yán)重，屬風(fēng)沙積地，地基土顆粒細(xì)、孔隙比大、高壓縮、未完成自身固結(jié)、物理力學(xué)參數(shù)相差大且埋深不均，不經(jīng)過處理難以滿足站場(chǎng)大型原油儲(chǔ)罐、消防水罐、大型工藝設(shè)備基礎(chǔ)等建筑承載力和變形要求。沙漠地區(qū)地基處理常用方法有換填法[1]、平板振搗壓實(shí)法[2]、強(qiáng)夯法等。依據(jù)本地區(qū)工程地質(zhì)條件，經(jīng)過方案比選，最終選擇強(qiáng)夯法對(duì)五號(hào)聯(lián)合站地基進(jìn)行加固處理。

強(qiáng)夯法[3]是可有效加大松軟地基承載力的技術(shù)，該方法也被叫做動(dòng)力固結(jié)法，通常是用起吊設(shè)備吊起重10～40 t的巨型夯錘，使其在10～40 m高度垂直土地基做自由落體運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的振動(dòng)和沖擊力來對(duì)土層進(jìn)行夯實(shí)作業(yè)，夯擊錘在夯坑周圍產(chǎn)生的應(yīng)力將土地基變得更加緊實(shí)，以此加固土地基。

1 工程概況

順北五號(hào)聯(lián)合站地基處理工程主要包括原油儲(chǔ)存單元（20 000 m3油罐3 座、5 000 m3應(yīng)急油罐1 座）、消防單元（5 000 m3消防水罐2座、700 m3消防水罐1座、500 m3玻璃鋼水罐2座）、輕烴液化氣裝車單元、水處理單元、放空火炬單元等，強(qiáng)夯面積共計(jì)約5.6×104m2。場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)高為970.3 m，由于場(chǎng)地起伏較大，按照設(shè)計(jì)標(biāo)高平整后存在挖方和填方區(qū)，填方區(qū)域填土厚度達(dá)到0.0～4.5 m，且一層粉砂層比較松散，水平分布不均勻，物理力學(xué)性質(zhì)差，不宜做持力層使用，強(qiáng)夯前需換填戈壁土。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，在勘探深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地地層主要由第四系風(fēng)積（Q4eol）、沖積（Q4al）的粉砂和細(xì)砂組成。地層自上而下可分為四大層，且4類巖土層場(chǎng)地均有分布。第1 層粉砂（Q4eol）：黃灰色，松散，干燥～稍濕狀，主要礦物成分為石英、云母、長(zhǎng)石，層底埋深1.3～3.4 m，層厚1.3～3.4 m，層底標(biāo)高 966.72～968.79 m。第 2 層細(xì)砂（Q4eol）：黃灰色，稍密，稍濕，主要礦物成分為石英、云母、長(zhǎng)石，層底埋深2.4～2.7 m，層厚0.6～1.2 m，層底標(biāo)高967.36～967.70 m。第3 層細(xì)砂（Q4eol）：黃灰色，中密，濕，主要礦物成分為石英、云母、長(zhǎng)石，層底埋深3.4～5.4 m，層厚1.5～3.0 m，層底標(biāo)高964.70～966.69 m。第4 層細(xì)砂（Q4al）：黃灰色，密實(shí)，濕，主要礦物成分為石英、云母、長(zhǎng)石，該層未揭穿，最大揭露厚度為11.3 m，層頂標(biāo)高964.70～966.69 m。各層巖土參數(shù)見表1。

表1 地基巖土工程參數(shù)Tab.1 Geotechnical parameters of foundation

由于粉砂層結(jié)構(gòu)松散，水平分布不均，地基承載力（50 kPa）和變形模量（8 MPa）均遠(yuǎn)低于工程設(shè)計(jì)要求，不宜做持力層使用，因此強(qiáng)夯處理前需對(duì)地基進(jìn)行預(yù)處理，地基預(yù)處理方式見表2（強(qiáng)夯前地基預(yù)處理）。

表2 強(qiáng)夯施工參數(shù)Tab.2 Constuction parameters of dynamic compaction

3 地基處理

3.1 地基處理要求

依據(jù)CECS279：2010《強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程》及工程建設(shè)要求，強(qiáng)夯處理的范圍應(yīng)大于建筑物基礎(chǔ)范圍，每邊超出基礎(chǔ)外緣的寬度宜為基底下設(shè)計(jì)處理深度的1/2～2/3，且不應(yīng)小于3 m。強(qiáng)夯地基處理的參數(shù)要求見表3。

表3 強(qiáng)夯地基處理參數(shù)要求Tab.3 Parameter requirements of dynamic compaction foundation treatment

3.2 地基試夯

根據(jù)勘察報(bào)告提供的土質(zhì)地層構(gòu)成情況以及上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基加固的處理要求，同時(shí)參考相關(guān)規(guī)范，選用夯擊能為1 000～3 000 kN·m 的中小夯擊能強(qiáng)夯設(shè)備進(jìn)行施工，并在大面積正式施工前對(duì)具有代表性的場(chǎng)地進(jìn)行試夯。

為使試夯工藝參數(shù)具有針對(duì)性，同時(shí)能夠便于大面積正式強(qiáng)夯施工管理，結(jié)合建設(shè)用地地表起伏、結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計(jì)標(biāo)高要求以及不同區(qū)域夯后地基力學(xué)性能參數(shù)要求，經(jīng)過對(duì)自然地面所測(cè)標(biāo)高網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)分析[4]，將強(qiáng)夯區(qū)域分為3 大處理類型，即Ⅰ類區(qū)域（3×20 000 m3凈化油罐、1×5 000 m3事故油罐、2×5 000 m3消防水罐）、Ⅱ類區(qū)域（輔助單元、消防單元、污水處理單元等區(qū)域）、Ⅲ類區(qū)域（油罐區(qū)（不含罐基礎(chǔ)）、防火堤、圍墻等），并在每類區(qū)域選取一個(gè)試夯區(qū)。

試夯區(qū)1（30 m×30 m）位于消防水罐區(qū)，試夯區(qū)2（30 m×30 m）位于消防泵房區(qū)，試夯區(qū)3 位于防火堤區(qū)。試夯區(qū)1及2主夯點(diǎn)距為6 m，主夯排距為6 m，插夯點(diǎn)距及排距均為3 m，夯點(diǎn)之間為等邊三角形布置，試夯區(qū)3采用滿夯。選用直徑為2.52 m、質(zhì)量為10 t 的夯錘，并記錄各區(qū)夯點(diǎn)每次夯擊后的夯沉量。

3 000 kN·m 強(qiáng)夯設(shè)備的施工情況：主夯點(diǎn)通常在8擊左右即可達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)，部分夯點(diǎn)夯擊至10 擊或12 擊；插夯點(diǎn)一般在10 擊左右達(dá)停錘標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)夯點(diǎn)夯擊至12擊。2 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯設(shè)備的施工情況：主夯點(diǎn)通常在10 擊左右即可達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)，部分夯點(diǎn)夯擊至12 擊；插夯點(diǎn)一般在9 擊左右達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)夯點(diǎn)夯擊至11～12擊。1 000 kN·m 強(qiáng)夯設(shè)備的施工情況：絕大部分夯點(diǎn)在3擊左右即達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)夯點(diǎn)夯擊數(shù)達(dá)4擊。試夯完成后，在試夯區(qū)選取試驗(yàn)點(diǎn)開展平板載荷試驗(yàn)及動(dòng)力觸探試驗(yàn)，試夯效果檢測(cè)顯示試夯區(qū)地基強(qiáng)度均滿足地基處理強(qiáng)度要求。

3.3 強(qiáng)夯施工參數(shù)

根據(jù)試夯效果、強(qiáng)夯施工規(guī)范及地基處理要求，為確保地基加固深度，Ⅰ類及Ⅱ類區(qū)域夯擊數(shù)均設(shè)置為12擊，并選用1 000 kN·m能級(jí)設(shè)備滿夯兩遍。Ⅲ類區(qū)域夯擊數(shù)設(shè)置為4擊，用1 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯設(shè)備滿夯兩遍。不同區(qū)域強(qiáng)夯能級(jí)、夯擊數(shù)、夯擊間距、夯擊遍數(shù)、夯點(diǎn)布置等詳細(xì)工藝參數(shù)設(shè)置見表2。兩遍夯擊間隔時(shí)間設(shè)定為1周。

以原油罐區(qū)為例，主夯點(diǎn)、插夯點(diǎn)、滿夯以及檢測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)平面布置如圖1所示。其中20 000 m3凈化油罐基礎(chǔ)直徑為52.0 m（油罐直徑為38.0 m），5 000 m3事故油罐基礎(chǔ)直徑為38.0 m（油罐直徑為23.8 m）。原油罐區(qū)共設(shè)置主夯點(diǎn)292 個(gè)，插夯點(diǎn)228 個(gè)，夯點(diǎn)間距為3.0 m，滿夯每點(diǎn)4 擊，搭接1/ 4d（d為夯錘直徑），平板靜載試驗(yàn)點(diǎn)21 個(gè)，動(dòng)力觸探試驗(yàn)點(diǎn)29個(gè)。

4 地基處理效果檢測(cè)分析

依據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》、CECS279：2010《強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程》以及相關(guān)設(shè)計(jì)文件，結(jié)合工程特點(diǎn)和當(dāng)?shù)貙?shí)際條件，強(qiáng)夯加固處理后的地基檢測(cè)包括淺層平板荷載試驗(yàn)和重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)兩項(xiàng)內(nèi)容。在本工程建筑用地地基上共設(shè)置189 個(gè)動(dòng)力觸探試驗(yàn)點(diǎn)和114 個(gè)平板荷載試驗(yàn)點(diǎn)。其中原油罐區(qū)設(shè)置29 個(gè)動(dòng)力觸探試驗(yàn)點(diǎn)及21個(gè)平板荷載試驗(yàn)點(diǎn)。

4.1 淺層平板載荷試驗(yàn)

以20 000 m3原油A罐區(qū)地基處理為例，設(shè)置了ZH01～ZH05共5個(gè)載荷試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)點(diǎn)位置分布見圖1。試驗(yàn)承壓板面積為2.0 m2，最大加載量為設(shè)計(jì)承載力特征值的2 倍，分8 級(jí)進(jìn)行加載，每級(jí)加載45 kPa，每級(jí)歷時(shí)2 h，沉降穩(wěn)定后，記錄本級(jí)位移及累計(jì)位移。

圖1 原油罐區(qū)夯點(diǎn)及試驗(yàn)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of tamping points and test points arramgement in crude oil tank area

根據(jù)試驗(yàn)載荷(p)和該級(jí)累計(jì)位移(s)作出ZH01～ZH05 試驗(yàn)點(diǎn)載荷試驗(yàn)p-s曲線（圖2）。由圖3可知，當(dāng)施加載荷達(dá)到360 kPa時(shí)，5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)載荷曲線均未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，因此夯后地基的極限承載力＞360 kPa。根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，取最大加載量的一半180 kPa和s/b=0.01（b為承壓板直徑，s=15.9 mm）所對(duì)應(yīng)的荷載兩者之間的較小值作為該地基的承載力特征值[5-6]。由圖2 可知，強(qiáng)夯后的地基承載力特征值fak≥180 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 平板荷載試驗(yàn)p-s 曲線Fig.2 p-s curves of plate load test

根據(jù)載荷試驗(yàn)p-s曲線，不同載荷(p)下地基沉降量(s) 與變形模量(E0)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

式中：E0為變形模量，MPa；I0為剛性承壓板形狀系數(shù)，圓形承壓板0.785，方形板取0.886；μ為地基土的泊松比，碎石土0.27、粉土0.35、粉質(zhì)粘土0.38、砂土0.30、黏土0.42、灰土0.38、圓礫0.30；p為p-s曲線線形段的壓力，kPa；d為承壓板直徑或邊長(zhǎng)，m；s為與p對(duì)應(yīng)的沉降，mm。

計(jì)算出ZH01～ZH05 試驗(yàn)點(diǎn)地基變形模量均滿足E0≥15 MPa設(shè)計(jì)要求[7]。

表4 為ZH01～ZH05 試驗(yàn)點(diǎn)夯前、夯后地基承載力對(duì)比。由表4可知，經(jīng)過強(qiáng)夯處理后地基承載力至少提升12%～25%，說明強(qiáng)夯處理使得換填戈壁土后的地基承載力明顯加強(qiáng)，夯實(shí)效果顯著。

表4 地基加固前后承載力對(duì)比Tab.4 Comparison of bearing capacity before and after foundation reinforcement

4.2 動(dòng)力觸探試驗(yàn)

在滿夯試驗(yàn)一周后進(jìn)行了動(dòng)力觸探試驗(yàn)。由于夯后地基土密度很大，故采用重型圓錐進(jìn)行動(dòng)力觸探(N63.5)試驗(yàn)，動(dòng)探孔深度為6.0 m。以20 000 m3原油A罐區(qū)地基處理為例，設(shè)置了DT01～DT08共8個(gè)動(dòng)力觸探試驗(yàn)點(diǎn)（圖1）。其中試驗(yàn)點(diǎn)DT01（基礎(chǔ)周圍）、DT06（夯間）、DT07（夯點(diǎn)）、DT08（夯點(diǎn)）夯后、夯前動(dòng)力觸探N63.5修整后錘擊數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 動(dòng)力觸探曲線Fig.3 Dynamic penetration curves

由圖3 可知，在0～6 m 深度范圍內(nèi)，4 個(gè)典型試驗(yàn)點(diǎn)錘擊數(shù)為7～26擊之間，地基土密度為稍密～中密。強(qiáng)夯后，在0～1 m 范圍內(nèi)動(dòng)探擊數(shù)變化不大，約為1～3 擊，這是因?yàn)閺?qiáng)夯使得表層土地松動(dòng)，夯實(shí)效果減弱。在1～4 m范圍內(nèi)，錘擊數(shù)明顯增加，約為4～6 擊，土體的密實(shí)度得到很大提高。在4～6 m 范圍內(nèi)，錘擊數(shù)增加較少，約為2～3 擊，這是因?yàn)樵搶油馏w密實(shí)度較高，且強(qiáng)夯能量隨土層深度增加而逐漸減弱，夯實(shí)效果不明顯[8]?？傮w而言，夯后地基動(dòng)探擊數(shù)提升約4 擊/10 cm，表明通過“換填戈壁土＋強(qiáng)夯”處理后，地基土密實(shí)度得到極大提升，強(qiáng)夯效果明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

強(qiáng)夯法作為一種經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)能環(huán)保的地基處理方法，適用于沙漠土的地基處理，加固效果良好。原油罐區(qū)基礎(chǔ)經(jīng)過換填戈壁土，第一、二遍3 000 kN·m 點(diǎn)夯，第三、四遍1 000 kN·m 滿夯后，其有效加固深度約為6.0 m，地基土密度由松散增加到稍密～中等密度狀態(tài)，地基承載力大大提高，穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，壓縮性明顯降低，達(dá)到了地基處理目的。本工程的成功實(shí)施可為沙漠地區(qū)油氣集輸?shù)孛婀こ探ㄔO(shè)提供有益的參考。