原油儲罐地基的強夯法處理

田 正,于 飛

(1.中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110014;2.寰球工程項目管理(北京)有限公司,北京 100101)

原油儲罐地基的強夯法處理

田 正1,于 飛2

(1.中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110014;2.寰球工程項目管理(北京)有限公司,北京 100101)

針對儲罐對地基承載力和變形的要求,以大連保稅區(qū)油庫10×104m3原油儲罐的強夯地基處理工程為實例,闡述了強夯法的加固原理和施工工藝,探討了原油儲罐對地基處理的要求·

強夯;地基處理;儲罐基礎(chǔ);沉降

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和工業(yè)化的要求·我國對石油的需求越來越大,作為原油的儲存庫——大型儲油罐——的應(yīng)用越來越多·儲油庫多建于交通比較發(fā)達,但地質(zhì)條件較差的沿海地區(qū)·而儲油罐的特點是自身結(jié)構(gòu)較儲存物輕,對地基變形比較敏感·一旦儲油罐出現(xiàn)破壞,不僅經(jīng)濟上會有巨大的損失,而且會對環(huán)境造成難以估計的污染·為了解決這一問題,采用強夯法作地基處理不失為較為理想的施工工藝·

1 場地基本條件

以大連保稅區(qū)原油儲罐工程中的強夯法地基處理為例·本工程位于大孤山半島東端,占地約為20.8×104m2,庫容:12.5×105m3·其中包括 10×104m3外浮頂原油儲罐11座,5×104m3儲罐3座·本工程地層主要由雜填土,粉質(zhì)黏土,板巖組成·

第1層為雜填土:土層平均厚度約3.50 m,地基承載力特征值fak=80 kPa,土的壓縮模量Es=3.0 MPa·

第2層為粉質(zhì)黏土:土層平均厚度約2.30 m,地基承載力特征值為fak=140 kPa,土的壓縮模量Es=4.0 MPa·

第3層為粉質(zhì)黏土:土層平均厚度約1.80 m,地基承載力特征值為fak=180 kPa,土的壓縮模量Es=10.0 MPa·

第4層為碎石:土層平均厚度約2.70 m,地基承載力特征值為fak=240 kPa,土的壓縮模量Es=2.0 MPa·

第5層為全風(fēng)化板巖:土層平均厚度約2.50 m,地基承載力特征值為fak=220 kPa,土的壓縮模量Es=16.0 MPa·

第6層為強風(fēng)化板巖:土層平均厚度約4.23 m,地基承載力特征值為fak=500 kPa·

第7層為中風(fēng)化板巖:土層平均厚度約4.63 m,地基承載力特征值為fak=1 500 kPa·

第8層為中風(fēng)化輝綠巖:土層平均厚度約4.55 m,地基承載力特征值為fak=1 500 kPa·

2 地基處理控制

原油儲罐底部是由鋼板焊接而成的上凸圓錐面,本工程 10×104m3外浮頂罐,罐體直徑達80.00 m,高 21.80 m,罐體質(zhì)量為 2 025.92 t,最大質(zhì)量達到103 652.00 t·罐體結(jié)構(gòu)自重相對于儲存物輕、剛度小,柔性大,對地基基礎(chǔ)沉降比較敏感,因此,工程要求地基的承載力同時滿足油罐基底面壓力值的要求和儲油后罐基沉降在允許的范圍內(nèi)·具體體現(xiàn)在4個方面·

(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)計算,地基處理后應(yīng)消除土層的不均勻性,并且達到地基承載力特征值fak≥280 kPa,壓縮模量Es≥20 MPa·

(2)整體平面傾斜(沿直徑方向的沉降差)要求·如果罐基整體傾斜過大,會使浮頂升降功能受阻,并且拉裂與罐壁相連的管道·《石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(SH/T 3068—2007)8.3條規(guī)定:浮頂罐60 m＜Dt(儲罐底圈內(nèi)直徑)≤80 m,沉降差為0.003 5Dt·以直徑為80 m的10×104m3儲罐為例,其直徑方向的最終沉降差許可值為280 mm[1]·

(3)非平面傾斜(罐基礎(chǔ)周邊的不均勻沉降)要求·非平面傾斜通常會使罐壁徑向扭曲,嚴重時還可能引起罐體破裂·因此,按《石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》8.3條的規(guī)定:沿壁圓周方向上任意10 m弧長內(nèi)的沉降差不大于25 mm·

(4)罐基礎(chǔ)頂部錐面坡度變形(罐中心與罐周邊的沉降差)要求·據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明,儲油時罐底板邊緣沉降小而中間大,變形類似一個鍋底,邊緣與中心的沉降比值在0.64～0.69[2]·若罐底板中心沉降過大,會產(chǎn)生大于底板設(shè)計強度的拉應(yīng)力,致使底板焊縫拉裂·

因此,《石油化工企業(yè)鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》8.3條同時規(guī)定,罐基礎(chǔ)沉降基本穩(wěn)定后的錐面的坡度不得小于0.8%·

根據(jù)本工程的地質(zhì)條件和具體情況分析,即:10×104m3原油儲罐不僅對地基承載力有較高的要求,而且要求儲油后的地基變形也要控制在一定范圍內(nèi)·而本工程的天然地基達不到原油儲罐對地基的這種要求,需要對地基采取一定的加固措施·所以,根據(jù)其地質(zhì)條件及當(dāng)?shù)氐鼗幚斫?jīng)驗,采用強夯法對地基基礎(chǔ)進行加固處理·

3 施工加固原理

強夯法亦稱動力固結(jié)法(Dynamic Consolidation Method),這種地基處理是法國Menard(麥娜)公司1969年發(fā)明的·強夯法引入我國已有20多年的歷史,是一種技術(shù)上較為成熟,經(jīng)濟且實用的地基處理的方法·在施工中通常采用大噸位自行式、全回轉(zhuǎn)履帶式起重機配合龍門架,將一定結(jié)構(gòu)外形的夯錘(噸位8～40 t)起吊至一定高度(10～40 m)后,放開吊鉤使夯錘自由落下,從而產(chǎn)生強大的沖擊能量對地基土進行夯實,使地基土產(chǎn)生強烈的振動和較高的動應(yīng)力,從而使土體克服較大的摩擦力和黏阻力成為密實狀態(tài),土粒得以重新排列并迅速固結(jié)·使用強夯法地基處理的施工工藝,可以在地基承載力提高的同時降低其可壓縮性,受夯擊的土層還可提高均勻程度,減少將來差異沉降的可能性·

4 技術(shù)參考數(shù)據(jù)

強夯的主要技術(shù)參數(shù)包括:有效加固深度、夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)、間隔時間、夯點的布置和處理范圍·其中強夯的有效加固深度應(yīng)根據(jù)地質(zhì)資料、現(xiàn)場試夯或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗確定,無經(jīng)驗時可按以下公式估算:

式中:H為加固有效深度,m;M為錘重,t;h為有效落距,m·夯擊次數(shù)以夯坑壓縮量最大,夯坑周邊土隆起量最小為原則,同時應(yīng)滿足最后兩擊平均夯沉量不大于下列數(shù)值:單擊夯擊能≤4 000 kN·m為 50 mm,夯擊能 ≤4 000～6 000 kN·m 為100 mm,夯擊能≥6 000 kN·m為200 mm;夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)地基地質(zhì)條件和工程要求確定,對透水性弱的細顆粒土層及加固要求高的工程,夯擊遍數(shù)較多,國外文獻報道一般為1～8遍,國內(nèi)一般為2～4遍[3]·最后再以低能夯,普夯一遍(也稱滿夯),其目的是將松動的表層夯實·夯擊間隔時間應(yīng)根據(jù)超凈孔隙水壓力的消散情況確定,對滲透性好的地基可不考慮間隔時間,對于排水條件較差的黏性土,間隔時間為2～4周,一般可采用埋設(shè)袋裝砂井的辦法,加速孔隙水壓力的消散,用以縮短間隔時間·夯擊點可采用等邊三角形或正方形布置,夯點間距應(yīng)按試夯效果布置,第一遍夯點間距宜取夯錘直徑的2.5～3.5倍,第二遍夯點位于第一遍之間,以后夯點間距可依次減小;處理范圍宜超出基底設(shè)計處理深度的1/2～2/3,且不小于3 m[4]·

5 強夯參數(shù)及方案

在初步確定強夯參數(shù)后,對本工程一處24 m×24 m的場地進行試夯·通過試夯數(shù)據(jù),最終確定了本工程強夯的參數(shù),參數(shù)內(nèi)容見圖1和表1·

圖1 10×104m3儲罐區(qū)域8 000 kN·m能級夯點布置圖

表1 強夯參數(shù)表

6 施工工藝流程

強夯施工工藝流程為:場地平整→布置夯點→機械就位→夯錘起吊至預(yù)定高度→夯錘自由下落→按設(shè)計要求重復(fù)夯擊→低能量滿夯、夯實表面松土·主要施工流程說明如下·

(1)平整場地、組裝機械·本工程采用杭重50 t履帶式起重機并配30 m門式支架為提升機具,夯錘為直徑2.5 m、重40 t的鋼制夯錘,場地應(yīng)平整并能承受夯擊施工的機械載荷,能夠保證夯機在施工操作中穩(wěn)定就位,施工前應(yīng)清除所有障礙物及地下管線,并且還需要對施工機械進行組裝調(diào)試,對夯錘的落距和錘重進行復(fù)核,進行試運轉(zhuǎn)·在施工中要求夯錘落距偏差≤±300 mm、錘重偏差 ≤±100 kg[5]·

(2)布置夯點、機械就位·先由測量人員將場地邊線及各區(qū)分界以木樁、白灰標出,再由各機組施工技術(shù)人員按每區(qū)不同的夯點間距以白灰標出待夯點,夯點定位允許偏差≤±50 mm[6],之后根據(jù)各夯點的施工次序和吊車移位路線,將吊車就位,校正夯錘落距·

(3)按擬定的夯擊順序逐點對測好的夯點進行第一遍點夯:每點夯擊程序為:起重機就位→夯錘對準夯點位置→將夯錘起吊至預(yù)定高度→拉開脫鉤裝置鎖卡,夯錘自由落下,這樣循環(huán)多次,直至完成夯擊次數(shù),夯擊時注意保持落錘平穩(wěn),夯位準確,當(dāng)夯錘氣孔被土堵塞時,及時進行清理,以免影響夯擊效果·夯擊時,夯點中心位移偏差應(yīng)小于150 mm,當(dāng)夯坑底部傾斜大于30°時,應(yīng)將坑底填平再進行夯擊·

(4)第一遍強夯結(jié)束后,推土機將以夯區(qū)推平,間隔一周后,進行第二、三遍夯擊·

7 檢測和沉降觀測

檢測表明,地基各土層承載力特征值fak≥280 kPa,壓縮模量Es≥20 MPa的設(shè)計要求,經(jīng)處理均得到滿足·

在基礎(chǔ)施工過程中,沿油罐環(huán)墻基礎(chǔ)圓周均勻預(yù)置了沉降觀測點(計26個,兩點間隔10 m)·在罐體施工結(jié)束后,進行充水試壓觀測,環(huán)墻基礎(chǔ)最大沉降量為40 mm,最小沉降量為23 mm,直徑方向沉降差為15 mm,任意10 m弧長內(nèi)的沉降差為8 mm·數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求,證明該儲罐地基處理是成功的·具體如表2所示·

表2 沉降記錄統(tǒng)計表

8 結(jié) 語

(1)經(jīng)檢測,原油儲罐地基采用強夯法來加固,地基強度和變形量都滿足了設(shè)計要求且符合現(xiàn)行規(guī)范,因此,本工程處理地基的方案和施工都是正確的·

(2)在強夯過程中需注意,強夯的施工順序是:先深后淺,即先加固深土層,再加固中土層,最后加固淺土層·還需要注意表土層的夯實問題及吊車的穩(wěn)定及施工時的設(shè)備和人員的安全·

(3)采用強夯法可節(jié)省下鋼筋和水泥,在工程造價上相比其他地基加固方法比較經(jīng)濟;同時施工機具設(shè)備簡單,且操作方便,施工進度快,節(jié)省大量的人工費及機器使用費·

(4)由于采用強夯法,縮短了工期,施工周期僅為60 d,綜合平均每臺夯機的處理效率達到了95.80 m2/d·

(5)強夯法施工時會產(chǎn)生震動及噪聲,會對場地內(nèi)及附近的建、構(gòu)筑物和居民生活產(chǎn)生一定影響·應(yīng)采取一定的隔振措施,如挖隔振溝等·施工時還應(yīng)注意合理安排施工時間,減小影響·

[1] SH/T 3068—2007,石油化工鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 徐至均,許朝銓,沈珠江.大型儲罐基礎(chǔ)設(shè)計與地基處理[M].北京:中國石化出版社,2002:251.

[3] 賈慶山.儲罐基礎(chǔ)工程手冊[M].北京:中國石化出版社,2002:205.

[4] J G J 79—2002,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[5] GB 50202—2002,建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[6] YBJ 25—92,YSJ 208—92,強夯地基技術(shù)規(guī)程[S].

Application of Dynamic Consolidation in Foundation Treatment of Crude Oil Storage Tank

TIAN Zheng1,YU Fei2

(1.China Northeast Architectural Design&Research Institute Cooperation,Shenyang 110014,China;2.Huanqiu Project Management(Beijing)Limited Company,Beijing 100101,China)

Taking hang ground treatment project of Dalian bounded area fuel depot 10×104m3crude storage as an example,the storage tank to the ground supporting capacity and the distortion request are introduced,the dynamic consolidation reinforcement principle and the construction craft are elaborated,and the requirements of crude oil storage tank on the ground handling are discussed.

dynamic consolidation;ground treatment;storage tank foundation;subsidence

TU 433

A

1008-9225(2011)02-0004-04

2011-01-07

田 正(1982-),男,山東新泰人,中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司工程師,碩士·

【責(zé)任編輯:劉乃義】