碎石樁與CFG樁聯(lián)合換填法處理油罐不均勻吹填地基

楊秀軍

（新鄉(xiāng)方圓工程管理有限公司， 河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引 言

近年來(lái)，大型原油儲(chǔ)罐在沿海地區(qū)不斷建設(shè)。許多油罐建設(shè)在人工吹填土地基上，但是吹填土工程相關(guān)區(qū)域已日益遠(yuǎn)離原來(lái)的河、?？诔练e區(qū)，吹填土質(zhì)也由早期的無(wú)黏性粉砂粒料，逐漸轉(zhuǎn)為以黏粒含量為主的軟黏土，從而造成吹填土地基滲透、固結(jié)特性越來(lái)越差，不均勻性明顯。在此種軟弱地基上建設(shè)大型油罐，組合型復(fù)合地基不斷得到應(yīng)用。筆者結(jié)合某油罐地基處理工程，說(shuō)明利用碎石樁與 CFG 樁聯(lián)合換填法，處理不均勻軟弱吹填土地基的效果。

1 工程概況及工程地質(zhì)條件

擬建油罐容量為 10×104m3，直徑 80 m。建設(shè)場(chǎng)地原為海域，經(jīng)人工吹填形成陸地，后又進(jìn)行場(chǎng)地平整，淺部分布有吹填土及淤泥軟弱土層，且厚度大，分布不均勻，不能滿足擬建油罐的承載力及變形要求。需要進(jìn)行地基處理。

場(chǎng)地土層按照地基土的沉積分布特點(diǎn)及工程地質(zhì)性質(zhì)，自上而下可分為以下 3 個(gè)單元層。

(1)第 1 單元層為填土及新近海相沉積地層，屬軟弱地層，可分為 3 層(包括亞層)：①層吹填土為褐黃～黃褐色，由人工吹填形成，吹填時(shí)間一般小于 5 年，成分以中粗砂、粗礫砂為主，夾有淤泥團(tuán)塊，結(jié)構(gòu)松散，未經(jīng)壓實(shí)處理且分布不均勻，層厚 1.00 m～7.20 m；②1層淤泥為灰色，流塑，含較多有機(jī)質(zhì)，具腥臭味，含少量砂，土質(zhì)極差，壓縮性高，稍有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高,屬于欠固結(jié)土，層厚 0.80 m～5.00 m；②2層中砂的顏色較雜，以灰～灰黑色為主，松散，飽和，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，分選差，層厚 0.50 m～2.50 m。

(2)第 2 單元層為第 4 系下更新統(tǒng)沖海積及海積地層，屬相對(duì)軟弱地層，可分為 4 層(包括亞層)：③1層黏土為褐黃色，局部灰白色，混雜紫紅色，軟塑～可塑，局部有粉細(xì)砂夾層，無(wú)搖振反應(yīng)，切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性高，層厚 0.70 m～6.80 m；③2層中砂為褐黃色，稍密～中密，飽和，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，分選差，一般含10%～15% 的黏性土，局部有 5 cm～8 cm 厚的鐵質(zhì)膠結(jié)層，部分地段為粉細(xì)砂或粗砂，層厚 0.70 m～8.50 m；③3層粉土為褐黃色，局部灰白色，稍密～中密，濕，部分地段為粉砂，該層夾有較多粉質(zhì)黏土，層厚 1.50 m～2.90 m；③4層粉質(zhì)黏土為褐黃色，混雜紫紅色，可塑，局部有粉細(xì)砂夾層，無(wú)搖振反應(yīng)，切面稍光滑，干強(qiáng)度較高，韌性較高，層厚 0.7 m～2.60 m；④層黏土為灰色，局部淺灰色，軟塑～可塑，偶含腐殖物，部分地段呈粘土與粉砂互層，無(wú)搖振反應(yīng)，切面稍光滑～光滑，干強(qiáng)度低～高，韌性低～高，局部地段為粉質(zhì)粘土，該層自上而下由軟塑漸變?yōu)榭伤?，在?chǎng)地內(nèi)均有分布，層厚 8.90 m～16.80 m；④夾層中砂(Q1m)為灰色，稍密～中密，飽和，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，分選較好，含少量黏性土，局部地段為細(xì)砂，層厚 0.60 m～4.50 m。

(3)第 3 單元層為第 4 系下更新統(tǒng)海積及沖海積地層，屬工程性質(zhì)較好的沉積地層，可分為：⑤層黏土為灰色、灰綠色，可塑～硬塑，局部堅(jiān)硬，夾薄層粉砂，無(wú)搖振反應(yīng)，切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性高，局部地段為粉質(zhì)黏土，揭露層厚為 10.30～25.30 m；⑤夾層中砂為灰色，中密～密實(shí)，飽和，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，分選較好，局部地段為細(xì)砂，揭露該層厚度 0.50 m～11.60 m。

2 地基處理方案設(shè)計(jì)

2.1 處理原則

(1)消除人工吹填①層的不均勻性。因?yàn)楣迏^(qū)西側(cè)分布有大量淤泥，平均厚度 1 m，而罐區(qū)東側(cè)只有部分區(qū)域存在。

(2)對(duì)①層吹填土、②1層淤泥及②2層中砂軟弱土層進(jìn)行地基預(yù)處理，提高其承載力，減小沉降，并消除地震液化。因?yàn)闇\部分布的①層吹填土、②1層淤泥及②2層中砂屬軟弱土層，承載力低，壓縮性高，不能滿足擬建建(構(gòu))筑物的承載力及變形要求；且①層吹填中粗砂、②2層中砂為液化土層，場(chǎng)地地震液化等級(jí)為中等。

因此，采用的地基處理方式既要能消除吹填土的不均性和地基液化，又可以得到很高的地基承載力。

2.2 方案選擇

根據(jù)工程特點(diǎn)和勘察場(chǎng)地的地層結(jié)構(gòu)，對(duì)油罐地基考慮采用預(yù)制樁(預(yù)應(yīng)力管樁或預(yù)制方樁)、鉆孔灌注樁方案，或碎石樁與 CFG 樁聯(lián)合換填墊層法復(fù)合地基方案。

2.2.1 樁基礎(chǔ)方案

當(dāng)采用此方案時(shí)，一方面上部軟弱土層不進(jìn)行預(yù)處理，壓縮性高，提供給樁的側(cè)摩阻力有限，并可能由于負(fù)摩擦產(chǎn)生附加沉降；另一方面由于油罐區(qū)域下無(wú)穩(wěn)定的而良好的砂層作為樁端持力層，僅可以⑤層黏土作為樁端持力層，預(yù)制樁或鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)一般為 26.0 m～29.0 m，樁長(zhǎng)較長(zhǎng)。同時(shí)③2層中砂及層④夾層中砂局部分布較厚，且③2層中砂含 4 cm ～7 cm的鐵錳質(zhì)結(jié)核，對(duì)預(yù)制樁沉樁也會(huì)有一定影響。因此采用此方案時(shí)，本場(chǎng)地?zé)o較穩(wěn)定且良好的樁端持力層，并需進(jìn)行造價(jià)較高的承臺(tái)建設(shè)，將導(dǎo)致總體建設(shè)費(fèi)用增加。

2.2.2 組合樁復(fù)合地基

一方面考慮到碎石樁是水平擠、振，可以提高上部軟弱土層的承載力，消除液化；另一方面 CFG 樁屬于剛性樁，能提供較高的承載力；第三方面考慮到罐區(qū)范圍內(nèi)人工吹填土層的不均勻性，振沖碎石樁在西側(cè)淤泥中成樁效果差，CFG樁施工后，墊層難以調(diào)整樁與樁間土的承載力，樁間土的承載力不能得到很好的發(fā)揮，同時(shí)考慮油罐東西兩側(cè)土層的不均勻性，采用整體換填，消除不均勻性。因此，采用此方案既可以達(dá)到消除地層液化和地層不均勻的目的，又能獲得較高的承載力。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

(1)振沖碎石樁：采用 75 kW 振沖器；環(huán)墻外 3 排護(hù)樁按環(huán)形布樁，樁徑 800 mm；環(huán)墻內(nèi)按正方形布樁，樁徑 1 000 mm，樁距 1 500 mm，樁長(zhǎng) 8.5 m，共計(jì) 2 746 根。

(2)CFG 樁：采用長(zhǎng)螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混凝土灌注法成樁；環(huán)墻下按環(huán)形布樁，環(huán)墻內(nèi)按正方形布樁；樁徑400 mm，樁距 1 500 mm，樁長(zhǎng)采用變樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)，中心范圍內(nèi)樁長(zhǎng) 28.5 m，外圍樁長(zhǎng) 26.5 m，共計(jì) 2 351 根；樁身材料為C35 混凝土，樁體上部設(shè)置 4 m 長(zhǎng)的鋼筋籠，一方面可以防止在淤泥中的縮頸，另一方面增強(qiáng)樁體頂部抗水平力能力。

(3)換填墊層法：采用換土墊層解決碎石樁樁頭松散及表層樁間土較軟問(wèn)題，將施工標(biāo)高以下 1 m 內(nèi)松散樁頭及樁間軟土挖除，用 3∶7 碎石砂土分層碾壓密實(shí)至施工標(biāo)高，壓實(shí)系數(shù)大于 0.96。

(4)要求復(fù)合地基承載力特征值大于 260 kPa。

2.3 承載力計(jì)算

碎石樁與 CFG 樁復(fù)合地基屬于多元復(fù)合地基，具體是由剛性樁(CFG 樁)、散體材料樁(碎石樁)與土形成的三元復(fù)合地基。復(fù)合地基承載力共有 3 部分組成，計(jì)算公式為

式中 fspk為復(fù)合地基承載力特征值；m1、m2分別為 CFG 樁和碎石樁的面積置換率；為 CFG 樁的單樁承載力特征值；Ap1為 CFG 樁的單樁橫截面積；fpk2為碎石樁的樁體強(qiáng)度；fsk為樁間土承載力特征值；β、β2分別為樁間土和碎石樁承載力發(fā)揮度系數(shù)。將相關(guān)參數(shù)代入計(jì)算，復(fù)合地基承載力特征值為 270 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 施 工

本工程施工時(shí)，先施工振沖碎石樁，再做換填墊層施工，最后施工 CFG 樁?？紤]如下：先施工振沖碎石樁，避免振沖器對(duì) CFG 樁的振動(dòng)影響；換填施工在碎石樁施工完成后進(jìn)行，可以降低碎石樁施工對(duì)下部土層的擾動(dòng)；最后施工CFG 樁，避免換填開(kāi)挖機(jī)械損壞樁體。

3.1 振沖碎石樁施工

(1)成樁時(shí)不能把振沖器剛接觸填料瞬間的瞬時(shí)電流作為密實(shí)電流，瞬時(shí)電流并不能真實(shí)反映填料的密實(shí)程度。只有當(dāng)電流達(dá)到設(shè)計(jì)要求的密實(shí)電流值并持續(xù)超過(guò)留振時(shí)間后，方可提升振沖器進(jìn)行下一段投料制樁。

(2)留振時(shí)間的長(zhǎng)短可根據(jù)土層的情況適當(dāng)調(diào)整。一般情況下控制在 5 s，但當(dāng)遇到軟弱土層時(shí)可適當(dāng)延長(zhǎng)至 8 s。

(3)施工中填料不宜過(guò)猛。原則上要“少吃多餐”，即要勤加料，每批又不能投料太多，每次投料量不宜大于孔內(nèi)高度 50 cm。施工到罐區(qū)西側(cè)時(shí)，在制樁過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)加密電流達(dá)不到要求的情況。分析原因是由于上部地層為淤泥，投料時(shí)，石料難以落到孔下部。應(yīng)采取帶料清孔和強(qiáng)迫填料的措施，保證石料能夠順利到達(dá)孔下部，加密電流符合施工要求。

3.2 CFG樁施工

(1)鉆機(jī)前臺(tái)指揮員在整個(gè)壓灌過(guò)程中，必須時(shí)刻指揮和監(jiān)控鉆桿的提升速度，與輸送泵操作工相互注意對(duì)方傳遞的信號(hào)，確定泵送、停泵、提鉆和停止提鉆的時(shí)機(jī)，保證泵送混凝土量和鉆桿提升速度。灌注過(guò)程中，混合料泵送量應(yīng)與拔管速度相配合；前臺(tái)指揮要通過(guò)聽(tīng)聲音、敲擊鉆桿，綜合判斷鉆桿內(nèi)的混凝土量，來(lái)控制提升速度，同時(shí)減少在飽和砂土層中停泵侍料；提拔管速度應(yīng)按勻速控制，如遇淤泥或淤泥質(zhì)土，拔管速度應(yīng)適當(dāng)放慢。

(2)放置鋼筋籠放入樁體要垂直，必要時(shí)需將樁頂堆積土清除干凈，防止鋼筋籠帶泥或土進(jìn)入樁體。

3.3 換填法施工

(1)砂石墊層施工前，應(yīng)將基坑底上的垃圾等雜物清理干凈。必須清理到設(shè)計(jì)要求底面標(biāo)高，將回落的松散垃圾、石子等雜物清除干凈。由于換填的軟弱土層為淤泥質(zhì)土，開(kāi)始換填前一定將淤泥清理干凈，并做好基底的排水工作，保證換填前基底的干燥。

(2)由于施工區(qū)地下水位較高，并且場(chǎng)地離海邊較近，要防止地下水位對(duì)墊層的影響，每層鋪好后及時(shí)碾壓，防止地下水位由于毛細(xì)作用上升到墊層中，改變墊層的含水率，影響碾壓效果。

4 施工檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)碎石樁樁體重型動(dòng)力觸探、樁周重型動(dòng)力觸探、單樁靜載試驗(yàn)、CFG 樁低應(yīng)變測(cè)試、單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)、樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)等方法的綜合檢測(cè)，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)油罐地基的處理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出以下結(jié)論。

(1)碎石樁單樁靜載荷試驗(yàn)共檢測(cè) 14 根。結(jié)果表明：?jiǎn)螛鹅o載試驗(yàn) Q-s 曲線呈緩變曲線，碎石樁單樁承載力特征值≥100 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)碎石樁樁體動(dòng)探共檢測(cè) 27 根碎石樁樁。結(jié)果表明：除淺層 10 cm～20 cm 地基土擊數(shù)較低，各土層深度內(nèi)平均樁體動(dòng)探 7.2～12.6 擊，呈稍密～中密狀態(tài)，碎石樁施工質(zhì)量較好。

(3)碎石樁樁周(樁徑)動(dòng)探共檢測(cè) 4 根。結(jié)果表明：碎石樁處理深度范圍內(nèi)，碎石樁樁體直徑為 0.94 m～1.06 m，平均值為 1.00 m，符合設(shè)計(jì)要求。

(4)樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及靜力觸探試驗(yàn)共檢測(cè) 60 個(gè)點(diǎn)。結(jié)果表明：通過(guò)碎石處理深度范圍內(nèi)各層土原位測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)分析，土層物理力學(xué)指標(biāo)打樁后提高較明顯，樁間土處理深度范圍內(nèi)不存在液化點(diǎn)，無(wú)液化現(xiàn)象，達(dá)到消除軟弱土層液化的目的。

(5)CFG 樁單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)共檢測(cè) 12 個(gè)點(diǎn)。全部試驗(yàn)點(diǎn)加載至最大荷載(即 520 kPa)時(shí)，均未出現(xiàn)沉降急劇增大、土擠出、承壓板周?chē)黠@隆起等現(xiàn)象，最大沉降量均小于壓板邊長(zhǎng)的 6%，CFG 單樁復(fù)合地基承載力特征值≥260 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

(6)CFG 樁低應(yīng)變共檢測(cè) 234 根樁。結(jié)果表明：所有被檢測(cè)工程樁樁體完整性方面均為完整或基本完整，均符合設(shè)計(jì)要求。

5 充水試驗(yàn)及其效果

油罐主體施工完成，在充水試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)設(shè)置在環(huán)墻上的沉降點(diǎn)進(jìn)行了觀測(cè)。最終沉降結(jié)果如表 1 所示。

表 1 沉降點(diǎn)沉降結(jié)果

由以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，油罐環(huán)墻基礎(chǔ)累計(jì)平均沉降量和最大累計(jì)沉降量較小，表明地基處理消除了軟弱土層的高壓縮性，控制了沉降；對(duì)徑點(diǎn)最大累計(jì)沉降差均小于要求的數(shù)值，表明罐體沒(méi)有出現(xiàn)大的平面傾斜，地基處理均勻性較好；作為充水沉降觀測(cè)重要指標(biāo)的相鄰點(diǎn)最大累計(jì)沉降差，監(jiān)測(cè)結(jié)果均小于規(guī)范要求的 25 mm，說(shuō)明罐周不均勻沉降在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，環(huán)墻基礎(chǔ)傾斜接近平面傾斜，不會(huì)造成罐體扭曲變形。因此，油罐的地基處理達(dá)到了預(yù)期的效果。

6 結(jié) 語(yǔ)

單獨(dú)采用振沖碎石樁或 CFG 樁復(fù)合地基在油罐地基處理中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是，對(duì)碎石樁與 CFG 樁復(fù)合地基運(yùn)用聯(lián)合換填法處理大型油罐不均勻吹填地基并不多見(jiàn)。此項(xiàng)運(yùn)用為今后類(lèi)似處理方案的實(shí)施提供參考。

復(fù)合地基綜合處理方案中 CFG 樁增加鋼筋籠，不僅提高了樁身的強(qiáng)度，還保證了 CFG 樁的完整性。

施工后載荷試驗(yàn)結(jié)果和充水試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：碎石樁和 CFG 樁復(fù)合地基聯(lián)合換填法綜合處理不均勻人工吹填地基，可以消除人工吹填土的不均勻性，使復(fù)合地基的承載力得到了大幅度提高，地基的變形得以降低和控制，滿足了油罐地基處理的要求，地基處理效果顯著。

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