大型煉廠軟弱地基鉆孔灌注樁處理現(xiàn)場試驗

馬永峰，錢明，周丁恒，易禮

1.中國石油天然氣華東勘察設計研究院，山東青島266071

2.慕尼黑工業(yè)大學，德國慕尼黑81245

3.上海申元巖土工程有限公司，上海200040

大型煉廠軟弱地基鉆孔灌注樁處理現(xiàn)場試驗

馬永峰1，錢明1，周丁恒2，易禮3

1.中國石油天然氣華東勘察設計研究院，山東青島266071

2.慕尼黑工業(yè)大學，德國慕尼黑81245

3.上海申元巖土工程有限公司，上海200040

針對大型煉廠工程軟弱地基處理的復雜性，開展了水平、抗拔和抗壓灌注樁的現(xiàn)場試驗，包括18根鉆孔灌注樁的施工及成型后的超聲波檢測、低/高應變測試、樁身內力測試及單樁靜荷載試驗?；诔暡ê偷?高應變測試結果分析了樁身質量及完整性；基于樁身鋼筋應力計和樁端土壓力盒測試數(shù)據(jù)，詳細分析了試樁在各級荷載作用下軸力和側摩阻力變化及傳遞特征；并以高應變測試和荷載試驗結果驗證了單樁承載能力。靜荷載試驗結果表明，單樁承載力能達到設計要求；此外，后壓漿能有效解決樁底沉渣和樁側泥皮問題，從而提高基樁承載力并減小沉降。

大型煉廠；軟弱地基處理；鉆孔灌注樁；現(xiàn)場試驗

隨著我國能源需求的進一步加大，越來越多的沿海地區(qū)及城市興建了大型煉廠。在軟弱地基上建造大型油罐，控制地基變形，尤其是控制基礎傾斜，成為了煉廠地基與基礎設計中的關鍵問題。大量工程實踐表明，基礎不均勻沉降和傾斜是影響軟弱地基上的大型油罐正常運營和使用的關鍵因素。鉆孔灌注樁作為建筑地基處理的最常用樁型，有諸多學者采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗或監(jiān)測等手段對其進行了廣泛的研究，其中，在單純現(xiàn)場試驗或監(jiān)測方面，近年來的研究主要有：穆保崗等[1]采用自平衡測試技術對90 m超長鉆孔灌注樁進行了原位測試；趙春風等[2]基于靜荷載和樁身應力測試結果，分析了豎向荷載下大直徑深長鉆孔灌注樁在分層土中的荷載傳遞規(guī)律；劉福天等[3]研究了常州地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁加載過程中側摩阻力和端阻力的發(fā)揮特點及荷載傳遞規(guī)律，得到了極限狀態(tài)下樁側摩阻力和樁端阻力尺寸效應系數(shù)，對成孔卸載造成樁承載力降低及其他影響樁承載力的因素進行了分析；程曄等[4]綜合運用靜載試驗、CT試驗及取芯試驗等試驗方法，針對樁端后壓漿對超長大直徑鉆孔灌注樁承載性能的影響進行了研究，并對其作用機制進行了分析；鄒金峰等[5]對深厚軟土地區(qū)長鉆孔灌注樁的后注漿試驗結果進行了研究，獲得各級荷載作用下樁身軸力和樁側摩阻力隨樁身深度的變化規(guī)律和樁頂荷載-位移-時間曲線；柯紅等[6]就天津厚地層超長鉆孔灌注樁單樁承載特性進行了單樁豎向抗壓靜載試驗；王衛(wèi)東等[7]采用了對直徑為1 m、埋深88 m的大直徑超長灌注樁進行了現(xiàn)場試驗；聶玉東等[8]通過數(shù)據(jù)采集，對由錨+樁法測得的45 m試樁和由自平衡測得的70 m試樁上段樁的荷載-沉降關系、豎向承載特性、樁側摩阻力等進行了對比分析；王忠福等[9]基于現(xiàn)場靜荷載和樁身應力測試結果，分析了3種不同施工工藝的大直徑深長鉆孔灌注樁豎向荷載傳遞規(guī)律；張瑞坤等[10]研究了太湖湖沼相沉積土地區(qū)大直徑超長鉆孔灌注樁豎向荷載下的側、端阻力發(fā)揮特點，并利用一維桿系結構有限單元法與剪切位移法相耦合的混合法分析了大直徑超長鉆孔灌注單樁沉降。特殊地質條件下（如凍土條件下）的鉆孔灌注樁現(xiàn)場試驗研究有：張明義[11]等對砂土-風化巖地基中鉆孔灌注樁抗拔承載力時效性進行了研究；孫學先[12]完成了青藏高原高溫細顆粒多年凍土區(qū)鉆孔灌注擴底樁和直孔樁的現(xiàn)場抗拔力試驗，得到2種樁型在同一地質和地溫條件下的擾拔承載力及變形結果；王旭等[13]結合青藏鐵路索南達杰特大橋工程，進行了低溫多年凍土大直徑鉆孔灌注樁地溫測試及現(xiàn)場靜載試驗，研究了低溫多年凍土地基大直徑鉆孔灌注樁未回凍狀態(tài)的承載力和變形性質。

1 工程背景

中國石油廣西石化1 000萬t/a煉油項目位于欽州港經(jīng)濟開發(fā)區(qū)金谷工業(yè)園內，總投資為152億元，占地面積約2.116 km2。項目分成以下3個區(qū)域：

（1）裝置區(qū)。10套主體生產(chǎn)裝置：1 000萬t/a常減壓、360萬t/a重油催化裂化、260萬t/a加氫裂化、200萬t/a催化重整、160萬t/a柴油加氫精制、80萬t/a汽油醚化、60萬t/a氣體分餾、20萬t/a聚丙烯、10萬m3/h PSA、5 000 t/a硫磺回收生產(chǎn)裝置。另有公用工程、儲運設施和30萬t級原油碼頭等系統(tǒng)配套工程。

（2）罐區(qū)。保存原油和成品油。

（3）預留區(qū)。未來將擴建到2 000萬t/a的生產(chǎn)規(guī)模。

場區(qū)原始地貌為海岸丘陵地貌，南部為回填區(qū)，北部為挖方區(qū)。下伏基巖為早志留系連灘組第二段（S112）互層分布的泥質細砂巖、含粉砂泥巖與頁巖，夾少量含礫砂巖。其底部與古墓組整合接觸，頂部與合浦組整合接觸，砂頁巖具有底沖刷面，以印模及鮑馬序列發(fā)育的濁流沉積為主，砂巖中水平層理、斜層理發(fā)育，顯示底層倒轉特征，泥巖、頁巖的條帶、條紋構造發(fā)育。場地地層自上而下依次為：①回填土；②有機質粉質黏土，呈可塑～軟塑，低～中壓縮狀；③全風化頁巖夾泥巖，組織結構完全破壞，土狀；④強風化頁巖夾泥巖，裂隙發(fā)育；⑤中風化頁巖夾泥巖；⑥全風化砂巖；⑦中風化砂巖；⑧中風化砂巖。

上述軟弱土層處理對工程正常與安全運營將產(chǎn)生顯著影響，處理方案的選取和優(yōu)化亦影響項目的投資和工程進度，因此場地軟弱土層的處理已成為工程建設的關鍵問題。

2 現(xiàn)場試驗方案

2.1 試驗目的

通過現(xiàn)場試驗確定不同類型灌注樁的單樁豎向抗壓、抗拔和抗水平力承載力特征值；確定樁身位于不同類型土體內的樁身側摩阻力和樁端阻力；確定樁長、樁身混凝土強度、樁底沉渣厚度和樁身完整性，判定樁端持力層巖土性狀；預知施工中可能出現(xiàn)的各類問題，以便及早提出相應解決措施，使大面積施工工期、成本和質量處于可控的狀態(tài)。

2.2 試驗參數(shù)設計

本次現(xiàn)場試驗包括6組18根灌注樁，其中1組（H1）為水平樁，1組（B1）為抗拔樁，4組（S1～S4）為抗壓樁。6組試樁樁身入土位置如圖1所示（圖1中地層數(shù)字標注符合工程背景中地層條件表述）。

圖1 灌注樁管狀樁身入土示意

具體施工參數(shù)列于表1。灌注樁施工主要采用沖擊成孔和回轉成孔兩種方法，其中H1、S1、S2、S3組、S4-2和S4-3共14根試樁采用沖擊成孔；回轉成孔的有B1組、S4-1共4根試樁。成孔過程中，S4-1試樁回轉成孔孔斜偏大，鋼筋籠放不下，掃孔2 d后，孔徑偏大（平均孔徑1 016 mm）；S4-2試樁鉆進過程中遇孤石，鉆進4 d，孔徑偏大（平均孔徑1 056 mm）、發(fā)生斜孔，回填后采用沖孔施工。鑒于前兩次經(jīng)驗，S4-3試樁采用沖孔成孔，孔徑基本均勻。

表1 試樁施工參數(shù)

3 試驗結果分析

3.1 樁身質量及完整性

從現(xiàn)場施工的情況看，沖擊成孔的施工速度較快，但是樁孔擴徑較嚴重，孔徑較不規(guī)則，后期造成混凝土超灌量較大；由于沖擊過程中沉渣顆粒較細，因此清孔效果較好，沉渣厚度小。回轉成孔效率偏低，遇孤石鉆進困難且垂直度難保證，沉渣較厚，但孔徑容易保證，孔徑規(guī)則。

在混凝土灌注前對成孔質量進行監(jiān)測，樁身質量及完整性采用超聲波測試、低應變和高應變動力測試方法。由于本場地地層填土的不均勻性，孔徑不規(guī)則，低、高應變動測樁身完整性曲線顯示略有輕微反射，經(jīng)過低、高應變動力檢測（高應變測試結果如圖2所示），除S4組3根樁為Ⅰ類樁（Ⅰ類為無缺陷的完整樁），其他15根樁為Ⅱ類樁外（Ⅱ類為有輕度缺陷，但不影響或基本不影響原設計樁身結構強度的樁），超聲波檢測結果顯示試樁完整性基本完好，波速在3 560～4 360 m/s，少部分試樁在一定深度范圍內出現(xiàn)了輕度離析，部分樁樁底出現(xiàn)厚度為25 cm左右的沉渣。

3.2 灌注樁溫度測試

灌注樁溫度監(jiān)測的目的是對鋼筋應力的測試結果進行溫度修正。6組試樁分別選取1根進行灌注樁溫度測試，測試時間跨度為2012年10月5日至11月17日，最多監(jiān)測38次，最少監(jiān)測12次，共監(jiān)測158次，1 008點次，典型灌注樁溫度時程曲線如圖3所示。從6根試樁溫度時程曲線可以看出如下規(guī)律：在完成混凝土澆筑后2 d內升溫最快，且溫度迅速上升到最高溫度40℃左右，隨后開始緩慢下降。約10 d后，溫度回落到27℃左右；每根樁不同斷面的溫差較小，除了B1-1樁第4次測試斷面溫差在15℃左右外，其他樁不同斷面溫差都在10℃以下，且溫度平緩降低。

圖2 高應變動力測試結果

3.3 樁身軸力計算及傳遞特征

通過預先埋置在樁身內的各鋼筋應力計，實測在每級荷載作用下的頻率值，由此計算出所產(chǎn)生的應力值，由所測的i斷面鋼筋應力值可以求得該斷面應變值，具體計算過程如下。

（1）假設樁身材料呈線彈性，樁身各斷面的鋼筋軸力Psi（單位：kN）計算公式為：

式中K——標定系數(shù)/（kN/Hz2）；

Fi——某一級荷載作用下，i斷面鋼弦的振動頻率/Hz；

F0——鋼弦初始振動頻率/Hz；

B——計算修正值/kN。

（2）由所測的i斷面鋼筋軸力可以求得該斷面應變值：

式中Es——鋼筋彈性模量/kPa；

As——鋼筋斷面橫截面積/m2。計算假定樁身混凝土和鋼筋協(xié)調變形，則測試的i斷面樁身軸力值Qi（單位：kN）為：

式中Ec——混凝土的彈性模量/kPa；

Ac——混凝土的截面積/m2。

圖3 灌注樁溫度時程測試典型曲線

混凝土灌注樁樁身內力測試數(shù)據(jù)較多，本文選取S1組3根試樁進行分析，3根試樁樁端、樁側阻力隨荷載變化情況如圖4所示，在不同荷載下樁身軸力分布如圖5所示。從圖4、圖5中可看出，不同測試斷面的樁身軸力隨荷載加大，呈近似梯形增大，中間位置相對向內凹陷；樁端阻力、樁側阻力隨著荷載的加大而加大，樁端阻力所占樁頂荷載的比重隨荷載增大基本不變，這說明在整個加載過程中，樁端阻力和樁側阻力均共同承擔了樁頂荷載，結合高應變測試結果，可判斷出試樁為摩擦端承樁。橫向比較S1組3根樁樁端、樁側阻力隨荷載變化情況可知，S1-2樁樁端阻力占樁頂荷載的比重小于其他2根樁，即S1-2樁承載過程中樁側阻力所發(fā)揮的作用更大一些。對于S2～S4組試樁，不同測試斷面在各級荷載作用下的軸力變化情況與S1組試樁基本類似，樁側阻力和樁端承載力共同承擔上部荷載作用。

圖4 樁端樁側阻力隨荷載變化

3.4 樁側阻力隨深度變化

試樁時相鄰兩個測試斷面間的樁軸力變化值等于兩斷面間的樁側摩阻力發(fā)揮值，對于側摩阻力其計算公式如下：

圖5 不同荷載下S1組試樁樁身軸力曲線

式中Qsi——樁側摩阻力/kN；

U——樁身周長/m；

li——第i層土厚度/m；

Qi-1、Qi——分別為第i個土層上、下分界面處實測軸力/kN。

不同級別荷載下S1組試樁樁側摩阻力隨深度的分布情況如圖6所示。

圖6 樁側摩阻力隨荷載變化

由試驗結果可知：樁頂荷載在傳遞過程中，上部、下部土層側摩阻力隨荷載加大而增大，加載到一定量級后有所減?。⊿1-1樁加載過程中未出現(xiàn)減小情況，可能是荷載沒有到臨界狀態(tài)；S1-2、S1-3樁加載至4 000 kN和4 667 kN時側摩阻力開始變?。?；中部土層與下部土層側摩阻力情況類似，先增大，加載到一定量級后開始減小。因不同試樁土層條件有所差異，增大和減小速率有所不同。此外，同一根試樁在不同的土層中，平均側摩阻力發(fā)揮有所差別。

3.5 靜荷載試驗結果與分析

對4組抗壓樁進行了單樁靜荷載試驗，單樁靜荷載試驗曲線如圖7所示，試驗結果列于表2中。從表2中可以看出，混凝土灌注樁的單樁抗壓承載力極限值在3 200～6 750 kN之間，單樁抗壓承載力特征值在1 600～3 250 kN之間。由于混凝土灌注樁擴徑現(xiàn)象嚴重，根據(jù)孔徑測試結果換算成φ 800mm樁徑后的單樁極限承載力在2 700～5 100 kN之間，建議φ 800 mm混凝土灌注樁單樁極限承載力取2 800～5 100 kN，單樁承載力特征值按1 400～2 700 kN取值。

圖7 S1～S4組試樁Q-s試驗曲線

表2 單樁抗壓靜載荷試驗結果

根據(jù)JGJ 106-2003《建筑基樁檢測技術規(guī)范》，單樁豎向抗拔極限承載力應按以下要求確定：

（1）陡變型U-δ（上拔荷載-樁頂上拔量）曲線陡升起始點對應的荷載值。

（2）取δ-lg t（樁頂上拔量-時間對數(shù)）關系曲線斜率明顯變陡或曲線尾部明顯彎曲的前一級荷載值。

（3）當鋼筋斷裂時，取其前一級荷載值。

單樁水平極限承載力應按以下要求確定：

（1）取單向多循環(huán)加載法時的H-t-Y0（水平荷載-時間-作用點位移關系）曲線產(chǎn)生明顯陡降的前一級對應的水平荷載值。

（2）取H-（ΔY0/ΔH）（水平荷載-位移梯度關系）曲線上第二拐點對應的水平荷載值。

（3）取樁身折斷或受拉鋼筋屈服時的前一級水平荷載值。

B1組抗拔樁單樁靜載試驗結果列于表3中，從表3中看出，B1組的3根試樁的承載力離散性較大，取低值后平均得到單樁抗拔承載力特征值，建議取250 kN。因灌注樁擴徑變化的影響，采用φ 800 mm樁徑時需要適當調整。單樁水平靜載試驗結果見表4。根據(jù)臨界荷載計算地基土的水平抗力系數(shù)m值見表5，按平均樁徑φ 800 mm進行計算。單樁水平極限承載力在375～466 kN之間，臨界荷載225～375 kN。3根試樁中H1-3偏小。建議單樁水平承載力特征值取230 kN，地基土的水平抗力系數(shù)建議取4.4 MN/m4。

表3 單樁抗拔試驗結果

表4 單樁水平靜載試驗結果

表5 混凝土灌注樁地基土水平抗力系數(shù)m值計算

3.6 后壓漿效果分析

對12 m和22 m兩種樁長的灌注樁進行了注漿處理，其中12 m長樁僅進行了樁端注漿，22 m長樁進行了樁端和樁側注漿處理。后壓漿采用中國建筑研究院地基所后壓漿專利產(chǎn)品，后壓漿專用端壓閥型號為PPG-DF，側壓閥型號為PPG-CF。

抗壓樁（包括后壓漿）實測與預估單樁承載力測值列于表6中，從表中數(shù)據(jù)看，S1組后注漿實測單樁極限承載力比預估承載力高48%；S2組不注漿單樁承載力比預估承載力高25%左右；S3組后注漿單樁承載力比預估承載力高100%左右；S4組不注漿單樁承載力比預估承載力高91.4%是由于施工時樁孔徑較大造成，其承載力相應提高較多。

S1～S4組試樁的Q-s試驗曲線如圖7所示。從Q-s曲線來看，S1、S3組后壓漿試樁的明顯特征是曲線陡度較小，未壓漿的Q-s曲線陡度較大。從圖7可看出，后壓漿的S1、S3組試樁的抗壓承載力特征值對應的沉降在2.1～6.4 mm左右，而未進行壓漿處理的S2、S4組試樁的單樁抗壓承載力特征值對應的沉降均在8.6～12.4 mm，由此可知后壓漿對于提高樁的側摩阻力、減小沉降有顯著效果。

表6 抗壓樁實測與預估單樁承載力比較

4 結論與建議

本文以中國石油廣西石化1 000萬t/a煉油項目為背景，開展了混凝土鉆孔貫注樁的現(xiàn)場試驗，并對試驗結果進行了詳細分析與研究，得出了以下結論：

（1）靜載荷試驗結果驗證了鉆孔灌注樁單樁承載力滿足設計要求，樁孔徑修正到φ 800 mm的單樁抗壓極限承載力標準值建議取2 800～5 100 kN，單樁抗壓承載力特征值建議按1 400～2 700 kN取值。此外，高應變動力測試結果顯示，大部分鉆孔灌注樁在承載時屬于摩擦端承樁。

（2）本場地填土厚度較大，為消除填土的后期沉降造成樁側負摩阻力并提高地基土的水平抗力系數(shù)m值，建議在基樁施工前對填土進行強夯處理。

（3）鋼筋混凝土灌注樁宜取φ 800 mm樁徑，樁長根據(jù)工程樁所施工的位置而定，持力層以選擇強風化～中風化頁巖或砂巖為宜。

（4）后壓漿技術能有效地解決樁底沉渣和樁側泥皮問題，使樁的極限承載力大幅度提高，建議大面積施工的灌注樁采用后壓漿處理。通過后壓漿處理可以提高承載力，尤其有利于減小樁基沉降。

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In-situ Tests of Soft Foundation Treatment by Cast-in-place Piles in L arge-scale Refinery

MAYongfeng1，QIAN Ming1，ZHOU Dingheng2，YILi3
1.China Petroleum East China Design Institute，Qingdao 266071，China
2.TechnicalUniversity of Munich，Munich 81245，Germany
3.ShanghaiShen Yuan GeotechnicalEngineering Co.，Ltd.，Shanghai200040，China

Soft foundation treatment of large-scale refinery is very complex.The in-situ tests of pile horizontal，uplift and compressive forces were carried out，which included construction of 18 cast-in-place piles and their ultrasonic wave tests，low/high strain tests，pile stress tests and static load tests.Based on the results of ultrasonic wave tests and low/high strain tests，pile quality and completeness were analyzed.With the monitoring data from reinforced stress meters in pile-body and soil-pressure cells at pile end，variation and transfer of axial forces and side frictions of the pile under different load levels were analyzed in detail.The bearing capacity of single pile was verified by high strain test and static load test.The static load test showed that the bearing capacity of tested single pile reached the designed requirement.Besides，post grouting technique could effectively solve problems such as pipe bottom sediments or mud cake.Therefore，it could improve bearing capacity and reduce pile foundation settlement.

larger-scale refinery；soft foundation treatment；cast-in-place pile；in-situ test

中國石油工程建設公司科學研究與技術開發(fā)項目（CPECC2011KJ22）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.006

馬永峰（1981-），男，山東莒縣人，工程師，2009年畢業(yè)于澳門大學巖土工程專業(yè)，碩士，主要從事巖土工程勘察與設計方面研究工作。

2015-05-06