CFG樁處理大型油罐地基

林平 朱林

摘要：CFG樁是水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁。在天然地基中設(shè)置一定比例的CFG樁體置換土體，形成CFG樁復(fù)合地基，發(fā)揮樁有較小沉降量可提供較大承載力的特點(diǎn)，從而提高復(fù)合地基的承載力和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：CFG樁、承載力、復(fù)合地基、油罐

前言：近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)原油儲(chǔ)罐建設(shè)也贏來(lái)了高潮，且?guī)烊菰絹?lái)越大，大型儲(chǔ)罐應(yīng)用越來(lái)越廣泛。原油儲(chǔ)罐的增大，受附加力影響的土層深度也隨之增大，勢(shì)必造成罐基礎(chǔ)的沉降較大，相應(yīng)的罐底板不均勻變形也大。為控制罐基礎(chǔ)不均勻沉降過(guò)大而影響儲(chǔ)罐的正常使用，需要重點(diǎn)考慮地基的承載力、變形和不均勻變形，進(jìn)而考慮對(duì)油罐地基進(jìn)行適當(dāng)處理。本文介紹的CFG樁復(fù)合地基，是我公司設(shè)計(jì)完成的大型油罐地基處理取得成功的案例。

一、 工程概況

大慶林源地區(qū)某大型原油商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)工程，由12座10X104m3外浮頂原油儲(chǔ)罐組成，罐體直徑80m，罐高21.8m，鋼筋混凝土環(huán)梁式基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求地基承載力為280Kpa，同時(shí)要求罐基礎(chǔ)直徑方向上的最終沉降差不大于0.004D（D為油罐內(nèi)徑），沿罐壁圓周方向任意10m弧長(zhǎng)內(nèi)的沉降差不應(yīng)大于25mm。場(chǎng)地工程地質(zhì)情況如下：

（1）雜填土：主要由粘性土、灰渣、碎石、磚塊組成，稍濕，松散。該層分布不連續(xù)，層厚0.50-2.00米。

（2）耕土：主要由粘性土、粉土、粉砂組成，含少量植物根系，稍濕，松散。該層分布不連續(xù)，層厚0.50-0.70米。

（3）粉土：黃褐色，局部與粉砂和粉質(zhì)粘土互層。搖振反應(yīng)迅速，無(wú)光澤，干強(qiáng)度低、韌性低，稍濕，呈中密-密實(shí)狀態(tài)。該層分布不連續(xù)，層厚1.50-3.70米。fak=170KPa，Es=5.0Mpa。

（4）粉質(zhì)粘土：黃褐色，大部分與粉土互層。搖振反應(yīng)中等，稍有光澤，干強(qiáng)度中等、韌性中等，呈可塑-硬塑狀態(tài)。該層分布不連續(xù)，層厚1.70-2.50米。fak=160KPa，Es=4.6Mpa。

（5）粉砂：黃褐色，局部與粉質(zhì)粘土、粉土和細(xì)砂互層。石英-長(zhǎng)石質(zhì)，均粒，級(jí)配不良，充填粘性土，稍濕，水下飽和，呈中密狀態(tài)。該層分布連續(xù)，層厚6.60-10.00米。fak=170KPa，Es=10.0Mpa。

（5-1）粉質(zhì)粘土：黃褐色。搖振反應(yīng)中等，稍有光澤，干強(qiáng)度中等、韌性中等，呈可塑-軟塑狀態(tài)。該層分布不連續(xù)，層厚1.70-2.50米。fak=130KPa，Es=4.5Mpa。

（6）粉質(zhì)粘土：黃褐色-灰色，無(wú)味，大部分與粉土互層。搖振反應(yīng)中等，稍有光澤，干強(qiáng)度中等、韌性中等，呈可塑狀態(tài)，局部呈軟塑狀態(tài)。該層分布不連續(xù)，層厚0.50-4.00米。fak=130KPa，Es=4.7Mpa。

（7）粉砂：灰色，無(wú)味，大部分與粉土互層。石英-長(zhǎng)石質(zhì)，均粒，級(jí)配一般，充填少量粘性土，飽和，呈稍密狀態(tài)。該層分布連續(xù)，層厚7.60-11.50米。fak=160KPa， Es=8.0Mpa。

（7-1）粉質(zhì)粘土：灰色，無(wú)味，搖振反應(yīng)中等，稍有光澤，干強(qiáng)度中等、韌性中等，呈軟塑狀態(tài)。該層分布不連續(xù)，層厚0.80米。fak=130KPa，Es=4.5 Mpa。

（8）粘土：灰色，無(wú)味，搖振反應(yīng)無(wú)，有光澤，干強(qiáng)度高、韌性高，局部有粉質(zhì)粘土夾層，呈硬塑-堅(jiān)硬狀態(tài)，局部呈可塑狀態(tài)。該層分布連續(xù)，層厚3.50-8.20米。fak=240KPa，Es=7.4Mpa。

（9）粉質(zhì)粘土：灰色，無(wú)味，搖振反應(yīng)中等，稍有光澤，干強(qiáng)度中等、韌性中等，局部有粘土夾層，呈可塑狀態(tài)。該層分布不連續(xù)，層厚1.00-6.70米。fak=190KPa， Es=5.5Mpa。

（10）粉砂：灰色，無(wú)味，石英-長(zhǎng)石質(zhì)，級(jí)配不良，充填少量粘性土，飽和，呈密實(shí)狀態(tài)。局部有粉土夾層。該層分布連續(xù)，層厚2.70-10.00米。fak=190KPa， Es=11.0Mpa。

（11）粘土：灰色，無(wú)味，搖振反應(yīng)無(wú)，有光澤，干強(qiáng)度高、韌性高，局部有粉質(zhì)粘土夾層，呈硬塑-堅(jiān)硬狀態(tài)，局部呈可塑狀態(tài)。該層分布連續(xù)，鉆探該層最大厚度21.50米。fak=210KPa，Es=7.4Mpa。

（11-1）粉質(zhì)粘土：灰色，無(wú)味，搖振反應(yīng)中等，稍有光澤，干強(qiáng)度中等、韌性中等，呈軟塑狀態(tài)。該層分布不連續(xù)，層厚1.00-6.70米。fak=150KPa，Es=5.5Mpa。

勘察期間，所有鉆孔均遇見(jiàn)地下水，其類型為潛水，水位埋深3.70-9.80米，相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高134.02-134.50米。該地下水主要以大氣降水、地下水的逕流為補(bǔ)給來(lái)源。

勘察報(bào)告建議：當(dāng)基礎(chǔ)底面持力層的強(qiáng)度和變形不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用樁基礎(chǔ)，也可采用CFG樁等復(fù)合地基。

二、地基處理方案的確定

依據(jù)該場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)各地層天然地基承載力及壓縮模量均較低且土層厚度分布不均，土層天然地基承載力只有130kPa～170kPa。

因該場(chǎng)地的地質(zhì)條件限制，采用天然地基或淺層地基處理方法無(wú)法滿足儲(chǔ)罐對(duì)地基的承載力及差異沉降的要求。為保證儲(chǔ)罐安全運(yùn)行，需對(duì)油罐地基進(jìn)行處理。根據(jù)勘察報(bào)告給出的建議，采用鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)時(shí)，其造價(jià)偏高；采用砂石樁、灰土擠密樁等柔性樁體復(fù)合地基時(shí)，土層對(duì)樁體的約束低，至使采用柔性樁復(fù)合地基的置換率高，地基處理成本高且工期長(zhǎng)。經(jīng)討論后確定采用CFG樁復(fù)合地基的處理方法來(lái)對(duì)地基進(jìn)行處理。CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）法適用于處理粘性土、粉土、砂土和已自重固結(jié)的素填土等地基。其成本低，施工速度快，非擠土成孔對(duì)飽和粉砂擾動(dòng)小，泵壓灌孔提供了足夠的樁側(cè)阻力，為本工程復(fù)合地基處理較好方法。

三、試樁檢測(cè)

檢測(cè)目的：1）、為12個(gè)10×104m3儲(chǔ)罐基礎(chǔ)復(fù)合地基設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2）、為大面積施工檢驗(yàn)提供對(duì)比數(shù)據(jù)。

擬采用復(fù)合地基處理方法的有關(guān)參數(shù)

1）、儲(chǔ)罐參數(shù)

儲(chǔ)罐內(nèi)壁直徑80m，高21.8m，新建罐場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高為140.10m。

2）、復(fù)合地基處理方法

擬建罐基礎(chǔ)復(fù)合地基采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG）法，樁長(zhǎng)為23.0m-25.0m、樁徑400㎜、混凝土強(qiáng)度C25。采用正三角形布樁，樁中心距1650mm--1750mm。

在平整碾壓后場(chǎng)地進(jìn)行CFG樁施工，CFG樁上設(shè)置500mm厚碎石墊層作為褥墊層，褥墊層壓實(shí)系數(shù)為0.9。

CFG樁端持力層為（8）粘土層，樁端進(jìn)入持力層深度800mm。

檢測(cè)工作量

本次檢測(cè)工作對(duì)6組18根樁分別進(jìn)行低應(yīng)變、高應(yīng)變和復(fù)合地基檢測(cè)，完成工作量如下：

低應(yīng)變檢測(cè)數(shù)量：18根

高應(yīng)變檢測(cè)數(shù)量：18根

復(fù)合地基檢測(cè)數(shù)量：18個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)

低應(yīng)變檢測(cè)目的：檢測(cè)樁身缺陷及其位置，判定樁身完整性類別。

高應(yīng)變檢測(cè)目的：確定單樁豎向承載力特征值，檢測(cè)樁身完整性；與復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)分析，為大面積施工檢驗(yàn)提供對(duì)比數(shù)據(jù)。

復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)：測(cè)定承壓扳下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)復(fù)合土層的承載力和變形參數(shù)。

檢測(cè)結(jié)果如下：

樁號(hào) 載荷板面積（㎡） 復(fù)合地基承載力極限值（kPa） 沉降量（㎜） 高應(yīng)變檢測(cè)極限承載力（kN） 低應(yīng)變

1-1 2.65 800 26.83 1409 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

1-2 2.65 800 29.46 1370 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

1-3 2.36 960 25.57 1398 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

2-1 2.36 880 30.04 1399 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

2-2 2.36 880 30.04 1460 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

2-3 2.36 800 31.42 1453 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

3-1 2.36 960 23.54 1428 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

3-2 2.36 960 23.01 1483 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

3-3 2.36 960 25.41 1458 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

4-1 2.65 800 21.66 1432 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

4-2 2.65 800 24.31 1528 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

4-3 2.65 800 29.07 1503 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

5-1 2.65 800 23.37 1454 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

5-2 2.65 800 31.23 1561 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

5-3 2.36 960 29.85 1465 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

6-1 2.65 800 33.05 1513 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

6-2 2.65 800 28.27 1419 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

6-3 2.65 800 27.12 1502 I類樁

樁身結(jié)構(gòu)完整

結(jié)論與建議：

1、該場(chǎng)地地形平坦，場(chǎng)地分布較均勻，無(wú)不良地質(zhì)作用，場(chǎng)地穩(wěn)定，適宜建筑。

2、當(dāng)采用正三角形布樁，樁間距<1.75m，本次檢測(cè)各測(cè)點(diǎn)復(fù)合地基承載力特征值fspk=400kPa。

3、當(dāng)：1）、場(chǎng)地（3）粉土、（4）粉質(zhì)粘土做為復(fù)合地基的復(fù)合土層；2）、采用超流態(tài)混凝土樁作為CFG樁的復(fù)合地基樁長(zhǎng)為23.0 m -25.0 m、樁徑0.4 m；3）、粘土層做為樁端持力層，樁端進(jìn)入持力層不小于800㎜；4）、樁布置方式為等邊三角形布樁，樁距≤1.75m時(shí)，擬建場(chǎng)地各儲(chǔ)罐基礎(chǔ)下復(fù)合地基承載力特征值fspk、壓縮模量Es可采用下列值：

（3）粉土： fspk=400kPa Es=11.8Mpa

（4）粉質(zhì)粘土： fspk=400kPa Es=11.5Mpa

4.該擬建建筑物若采用CFG樁基礎(chǔ)，當(dāng)采用超流態(tài)混凝土灌注樁時(shí)，各土層的側(cè)阻力特征值qsia和樁端阻力值qpa 可采用下表值。

地層編號(hào) 地層名稱 壓灌樁 備注

qsia （kPa） qpa（kPa）

（3） 粉土 20

（4） 粉質(zhì)粘土 22

（5） 粉砂 20 220

（6） 粉質(zhì)粘土 17

（7） 粉砂 22 280

（7-1） 粉質(zhì)粘土 12

（8） 粘土 40 650

大面積施工時(shí)可采用高應(yīng)變檢測(cè)控制施工質(zhì)量。

四、CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)

根據(jù)10X104m3外浮頂原油儲(chǔ)罐本身的結(jié)構(gòu)對(duì)地基的要求，結(jié)合地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果，對(duì)CFG樁的加固范圍、樁距、樁長(zhǎng)的設(shè)計(jì)如下：

1.樁徑、樁距

根據(jù)試樁結(jié)果，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)附加壓力分布狀況對(duì)地基的影響，在布樁時(shí)劃分成三個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)為圓形區(qū)域，以罐中心為圓心，半徑為20.0m，采用正三角形布樁，樁中心距1.70m，該區(qū)內(nèi)共布513根樁；Ⅱ區(qū)為環(huán)形區(qū)域，以罐中心為圓心，內(nèi)圓半徑為20.0m，外圓半徑為39.7m，采用正三角形布樁，樁中心距1.80m，該區(qū)內(nèi)共布1277根樁；Ⅲ區(qū)在罐基礎(chǔ)環(huán)梁中心線下均布樁70根。所有CFG樁樁徑均為400mm。樁位布置圖見(jiàn)“圖1”。

圖1 10X104m3儲(chǔ)罐CFG樁位布置圖

2.樁長(zhǎng)

根據(jù)地勘報(bào)告提供的地質(zhì)情況，經(jīng)計(jì)算，樁端持力層為（8）粘土層，樁端進(jìn)入持力層深度不小于800mm，樁長(zhǎng)不小于23m。

3.承載力及沉降計(jì)算

復(fù)合地基承載力特征值按下式計(jì)算：

fspk=mRa/Ap+（1-m）fsk

地基沉降按下式計(jì)算：

取其中一個(gè)罐基礎(chǔ)為例，該罐基礎(chǔ)范圍內(nèi)共布置13個(gè)鉆孔，通過(guò)程序計(jì)算，復(fù)合地基承載力特征值最小331kPa，最大378kPa，修正后復(fù)合地基承載力特征值最小377kPa，最大418kPa（與試樁結(jié)果基本吻合）；環(huán)梁處最大沉降值36.6mm，最小沉降值34.3mm，沉降差最大2.3mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范的要求。

4.褥墊層設(shè)計(jì)

褥墊層材料采用級(jí)配碎石，厚度為500mm，級(jí)配碎石最大粒徑不宜大于30mm。

五、沉降觀測(cè)

儲(chǔ)罐建成后，其基礎(chǔ)經(jīng)充水預(yù)壓，罐基礎(chǔ)環(huán)梁最大沉降35.2mm，最小沉降32.0mm，均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。該12座儲(chǔ)罐現(xiàn)已運(yùn)行8年，使用狀況良好。

結(jié)語(yǔ)

1、采用CFG樁加固地基，其承載力提高明顯，加固效果顯著，從而滿足建設(shè)大型儲(chǔ)罐的需求。

2、CFG樁不配筋，樁體利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，大大降低工程造價(jià)。

3、CFG樁施工一般采用長(zhǎng)螺旋鉆成孔泵送混凝土法，無(wú)鋼筋籠制作等工序，成孔成樁一次完成，施工簡(jiǎn)便，工期短。

4、CFG樁施工時(shí)，不需泥漿護(hù)壁，沒(méi)有泥漿外運(yùn)，無(wú)環(huán)境污染。

參考文獻(xiàn)

1） 大型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)地基處理與工程實(shí)例，徐至鈞主編，許朝銓、黃左堅(jiān)等編著，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.05