水泥粉噴樁復(fù)合地基在罐基礎(chǔ)中的應(yīng)用

鄭洪忠

（中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司，河南 洛陽 471003）

1 概述

水泥土深層攪拌樁簡稱深層攪拌樁，是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機(jī)械在地基深處將天然土和水泥強(qiáng)制拌合，利用其所產(chǎn)生的一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土樁。

2 工程概況

某廠在海邊建造10 000 m3（罐徑26 m）六臺儲油罐。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，該場地土質(zhì)較差，上部土層的承載力僅為70～130 kPa，顯然，天然地基無法滿足罐基礎(chǔ)對場地土承載力的要求，故需進(jìn)行地基處理。由于擬建場地的地層分布較均勻，差異沉降小，易滿足鋼儲油罐對差異沉降的控制條件，經(jīng)比較，最終采用水泥土深層攪拌樁的加固方案。該場地典型的地質(zhì)剖面見圖1，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1?；A(chǔ)高出地面0.9 m，基礎(chǔ)埋深1.0 m；作用在基礎(chǔ)頂上的附加應(yīng)力為147 kPa，作用在基礎(chǔ)底面的附加應(yīng)力為185 kPa。

圖1 3－3地質(zhì)剖面圖

圖2 固結(jié)試驗(yàn)分層e～P曲線

表1 罐區(qū)場地土層分布及其主要物理力學(xué)性指標(biāo)

3 單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值

深層攪拌樁單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下列二式計(jì)算，取其中較小值[1]；本設(shè)計(jì)的樁樁徑600 mm，間距1 000 mm。

η：強(qiáng)度折減系數(shù)，規(guī)范規(guī)定可?。?.25～0.33），本設(shè)計(jì)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取0.3；

fcu.k：與粉噴樁樁身加固土配比相同的室內(nèi)加固土試塊（邊長為70.7 mm的立方體）90天齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值；

Ap：樁的截面積；

qs：樁周土的平均摩擦力，對淤泥可取 5～8 kPa，對淤泥質(zhì)土可取8～12 kPa，對黏性土可取12～15 kPa；

qp：樁端天然地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

Up：樁周長；

L：樁長；

α：樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，規(guī)范規(guī)定可取0.4～0.6。

盡管上述計(jì)算公式較為簡單、明了，然而在具體應(yīng)用時(shí)，還涉及到諸多亟待確定的技術(shù)參數(shù)問題，例如：水泥等級和水泥摻入量、樁的長度、折減系數(shù)α的取值。顯然，某一技術(shù)參數(shù)的更改會(huì)導(dǎo)致其他結(jié)果的變化。所以，正確理解和把握公式中技術(shù)參數(shù)的選定，以便制定出一個(gè)合理設(shè)計(jì)方案，無疑是十分重要的。

在本工程中，由于軟土層很厚，為減少沉降量，所需樁較長；土對樁的支承力遠(yuǎn)大于樁身材料強(qiáng)度所確定的承載力，因此先確定樁身材料強(qiáng)度所確定的承載力。

3.1 樁身材料強(qiáng)度所確定的承載力

水泥摻入量決定了水泥土抗壓強(qiáng)度fcu.k；水泥摻入的數(shù)量，應(yīng)視單樁容許承載力的大小而異；一般情況，樁愈長，樁測土的摩阻力對值的貢獻(xiàn)也就愈大，因此水泥摻入量就應(yīng)取的高些。

水泥土的抗壓強(qiáng)度fcu.90天是把現(xiàn)場采集到的土樣，在室內(nèi)與摻入不同數(shù)量的水泥混合制成水泥土試塊，并經(jīng)歷90天的齡期試壓測得；然而，在實(shí)踐中由于工期的限制，fcu.90天這項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)工作往往無法實(shí)施，需用較短齡期試塊代替；試驗(yàn)結(jié)果表明：fcu.k值隨養(yǎng)護(hù)的齡期（t）而增長，強(qiáng)度與齡期之間的關(guān)系式為：

根據(jù)7天的水泥土試塊強(qiáng)度值fcu.7天值，可導(dǎo)出90天的水泥土試塊強(qiáng)度值fcu.90天值。若水泥土強(qiáng)度值在90天齡期后依然有所增長，便可將其作為一種結(jié)構(gòu)安全儲備。

根據(jù)試驗(yàn)，本工程的水泥摻入量在樁的上部5 m復(fù)攪區(qū)域內(nèi)為 15.0%，其他部位采用 12.0%。根據(jù)這樣的水泥用量，復(fù)攪區(qū)域內(nèi)水泥土抗壓強(qiáng)度fcu.90天為1.65 MPa。

3.2 樁的最小長度

樁的最小長度是指土對樁的支承力等于樁身材料強(qiáng)度所確定的承載力時(shí)所需要的樁長。要確定樁的最小長度，先必需確定折減系數(shù)α的取值。

系數(shù)α為樁端處地基土承載力的折減系數(shù)，規(guī)范給出α＝0.4～0.6取值范圍。從目前粉噴樁施工機(jī)械可見，噴灰口設(shè)計(jì)在鉆桿底部（攪拌葉片）以上25 cm左右，因此，樁尖處的地基土因葉片攪拌而處于松動(dòng)狀態(tài)；同時(shí)，噴灰口設(shè)計(jì)在側(cè)面上，它以水平向的噴射形式向外噴散水泥粉，因此存在于鉆桿底部松散狀態(tài)的土與水泥發(fā)生固化的可能性不大。筆者認(rèn)為，在目前粉噴樁施工具體條件下，α應(yīng)取低值，本工程取0.0，則：

4 深層攪拌樁復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值

粉噴樁復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定，按下式計(jì)算[1]：

式中：fspk：復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

m：面積置換率，本工程為0.28；

β：樁間土承載力折減系數(shù)，本工程取0.7；

fs.k：樁間天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值，本工程為80 kPa。

則：fspk＝180 kN

經(jīng)深層攪拌樁處理后的地基，地基承載力一般不作修正寬度，深度修正系數(shù)取1.0。經(jīng)深度修正后復(fù)合地基承載力特征值fa為：

式中：γm：基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度，本設(shè)計(jì)為18 kN/m3；

d：基礎(chǔ)埋置深度，m，本設(shè)計(jì)為1.0 m。

則：fa＝189 kPa≥185 kPa，滿足要求。

5 樁長的確定

對于承受豎向荷載的深層攪拌樁，除滿足承載力要求外，還應(yīng)滿足沉降要求。

從地層分布可見，地表下24 m厚范圍內(nèi)的土層乃是軟土層，如果粉噴樁樁尖穿過軟土持力于暗綠色粉質(zhì)黏土層（土層6～1），可消除（或減?。┸浲了鸬淖冃瘟?；但是由于目前施工機(jī)械條件所限，無法制作工程需要的長樁。另外，油罐基礎(chǔ)對平均沉降量要求較寬，滿足管線安裝的要求即可；本設(shè)計(jì)罐中心的樁長15.0 m樁。由于在同等條件下，油罐基礎(chǔ)中間的沉降量大于基礎(chǔ)周邊的沉降量，應(yīng)調(diào)整周邊的樁長，減少兩者的沉降差。

5.1 油罐基礎(chǔ)中心的沉降量

深層攪拌樁復(fù)合地基在豎向荷載作用下的沉降由3部分組成：①復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮量 s1：含樁身壓縮量及樁相對于土的貫入量；②加固區(qū)下臥層土層的壓縮量 s2；③復(fù)合地基墊層的壓縮量。

復(fù)合地基墊層壓縮量一般較小，且多發(fā)生在施工期，故一般可不予考慮。深層攪拌樁復(fù)合地基沉降s可用下式表示：

（1）加固區(qū)的變形量s1，復(fù)合土層的壓縮變形值可根據(jù)上部荷載、樁長、樁身強(qiáng)度等按經(jīng)驗(yàn)取10～30 mm，本工程基礎(chǔ)中心處取30 mm。

（2）下臥層土層的壓縮量s2，下臥層土層的壓縮量s2的計(jì)算通常采用分層總和法，即：

式中：s2：下臥層土層的壓縮量，m；

n1：加固區(qū)范圍內(nèi)土層分層數(shù)；

n2：沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)土層總的分層數(shù)；

e1i：根據(jù)第 i層土自重應(yīng)力平均值從土的壓縮曲線上得到的孔隙比；見土的壓縮曲線圖2；

e2i：根據(jù)第 i層土自重應(yīng)力平均值與附加應(yīng)力平均值之和從土的壓縮曲線上得到的孔隙比；

Hi：第i層圖的厚度，m。

（3）復(fù)合地基下臥層土層頂面上的附加應(yīng)力：在計(jì)算復(fù)合地基下臥層土層的壓縮量時(shí)，作用在下臥層頂面上的附加應(yīng)力是較難精確計(jì)算的。目前，在工程應(yīng)用上，常采用壓力擴(kuò)散法、等效實(shí)體法和改進(jìn)的Geddes法等方法計(jì)算，在直徑較大的罐基礎(chǔ)中，由于復(fù)合地基厚度有限，可忽略應(yīng)力擴(kuò)散的影響，取下臥層頂面上的附加應(yīng)力等于基礎(chǔ)底面上的附加應(yīng)力，即S0＝147 kPa。

（4）復(fù)合地基下臥層土層頂面上的自重應(yīng)力：

式中：Sp：復(fù)合地基下臥層土層頂面上的自重應(yīng)力，kPa；

y：復(fù)合地基加固區(qū)土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度，本設(shè)計(jì)為10 kN/m3；

h2：復(fù)合地基加固區(qū)土的厚度。

則：Sp＝150＋20＝170 kN/m3

罐基礎(chǔ)中心處的下臥層土層的壓縮量計(jì)算見表2、表3。

表2 罐基礎(chǔ)中心處的下臥層土層的應(yīng)力計(jì)算

表3 罐基礎(chǔ)中心處下臥層土層的壓縮量計(jì)算

變相計(jì)算范圍內(nèi)，壓縮模量的當(dāng)量值為：

由GB50007－2002查得，ψs＝1.221。

則s2＝0.440 m。

罐基礎(chǔ)邊中心處土層總沉降量為：

5.2 罐基礎(chǔ)邊緣處的下臥層土層的壓縮量計(jì)算

為了減少與油罐基礎(chǔ)中間處的沉降差，周邊的樁長定為10 m。

（1）加固區(qū)的變形量s1，本工程罐基礎(chǔ)邊緣處的加固區(qū)變形量取20 mm。

（2）復(fù)合地基下臥層土層頂面上的附加應(yīng)力，基礎(chǔ)邊緣處的附加應(yīng)力同基礎(chǔ)的中心，即S0＝147 kPa。

（3）復(fù)合地基下臥層土層頂面上的自重應(yīng)力，復(fù)合地基下臥層土層頂面上的自重應(yīng)力：

罐基礎(chǔ)邊緣處的下臥層土層的壓縮量計(jì)算見表4、表5。

表4 罐基礎(chǔ)邊緣處的下臥層土層的應(yīng)力計(jì)算

表5 罐基礎(chǔ)邊緣處的下臥層土層的壓縮量計(jì)算

變相計(jì)算范圍內(nèi)，壓縮模量的當(dāng)量值為：

由GB50007－2002查得，ψs＝1.328。

則s2＝336 mm。

罐基礎(chǔ)邊緣處的土層總沉降量為：

罐基礎(chǔ)環(huán)梁處的土層總沉降量比罐中心處的小，理論上應(yīng)進(jìn)一步縮短環(huán)梁處的樁長或增加罐中心處的樁長；但是罐基礎(chǔ)環(huán)梁處的總沉降量已較大，不宜再縮短樁長，同時(shí)受施工設(shè)備的限制，增加罐中心處的樁長有難度。

6 罐地基的設(shè)計(jì)

深層攪拌樁是柔性樁，一般配環(huán)梁式柔性基礎(chǔ)。

6.1 樁長

本工程罐中心處樁長取15.0 m，環(huán)梁處樁長取10.0 m，其他處的樁從罐中心到罐基礎(chǔ)邊以此縮短。

6.2 基礎(chǔ)頂標(biāo)高的確定

從上面計(jì)算可知，罐基礎(chǔ)邊緣處的土層總沉降量為 356 mm，為了使充水厚罐基礎(chǔ)頂面標(biāo)高滿足要求，本工程罐基礎(chǔ)頂標(biāo)高預(yù)抬高400 mm。

6.3 基礎(chǔ)頂標(biāo)坡度的確定

從上面計(jì)算可知，罐基礎(chǔ)邊緣處與中心處的土層總沉降差為114 mm，與罐基礎(chǔ)半徑的比值為8.77×10－3；為滿足規(guī)范要求，本工程取基礎(chǔ)頂標(biāo)坡度為25‰，確保正常運(yùn)行時(shí)基礎(chǔ)頂標(biāo)坡度大于15‰。

7 罐地基的檢測與沉降觀測

樁基施工完畢后，進(jìn)行了復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，其結(jié)果表明，復(fù)合地基承載力實(shí)測值均大于200 kPa，滿足工程要求。

罐施工完畢后，進(jìn)行了充水預(yù)壓；為了縮短充水預(yù)壓時(shí)間，預(yù)先在軟土中埋設(shè)了排水板；充水預(yù)壓結(jié)束后，環(huán)梁上觀察點(diǎn)的最小沉降量為220 mm，最大沉降量為270 mm，基礎(chǔ)頂標(biāo)坡度為20‰，罐地基沉降均勻，滿足工程要求。

通過近1年的運(yùn)行，各方面指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在安全運(yùn)行中，取得了滿意的效果。

8 結(jié)束語

靜載荷試驗(yàn)和罐內(nèi)充水試驗(yàn)表明，無論是地基承載力還是罐體的沉降，深層攪拌樁復(fù)合地基均能滿足規(guī)范和使用要求，加固的效果明顯；由于它樁距不受限制，極大的增加了布樁的靈活性；可根據(jù)不同的工程需求達(dá)到不同的地基強(qiáng)度和沉降量；其施工簡單、進(jìn)度快、省材料、無噪聲、無震動(dòng)、環(huán)境污染小。本罐體地基處理的成功經(jīng)驗(yàn)給建造類似的儲罐工程提供了有益的啟示。

1 龔曉南主編.地基處理手冊（第三版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008