15000kN·m能級強(qiáng)夯置換在大型儲油罐區(qū)軟基處理中的應(yīng)用

蘭志佳，朱芝同

(1.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京100070；2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000)

15000kN·m能級強(qiáng)夯置換在大型儲油罐區(qū)軟基處理中的應(yīng)用

蘭志佳*1，朱芝同2

(1.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京100070；2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000)

根據(jù)工程實(shí)例，介紹了在大型儲油罐區(qū)首次采用15000kN·m高能級置換強(qiáng)夯處理高含水量粘土地基的施工工藝，置換深度可達(dá)到9m，處理深度達(dá)到了16m，處理效果顯著，可為其它具有類似地質(zhì)條件的地基處理提供參考。

高能級置換強(qiáng)夯；大型儲油罐區(qū)；高含水量；地基處理

置換強(qiáng)夯法是強(qiáng)夯置換法的補(bǔ)充，是一種適用于處理高飽和度、低透水性、低強(qiáng)度、高壓縮性軟土的地基處理方法。其加固機(jī)理主要是置換作用，其次是對置換墩周圍的墩間土進(jìn)行二次加固，再次是擠密和大直徑排水體的作用。其加固過程主要是置換體的形成和墩間土的加固，加固效果主要取決于置換體的深度。置換強(qiáng)夯法目前應(yīng)用較少，須大力推廣，強(qiáng)夯置換法在石化基地建設(shè)、倉儲用地、鐵路公路、填海造地等工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。置換強(qiáng)夯法土體有效加固深度是反映地基處理效果的重要參數(shù)，又是選擇地基處理方案的重要依據(jù)，與常規(guī)強(qiáng)夯法相比，高能級強(qiáng)夯（單位夯擊能大于6000kN·m）的有效加固深度可達(dá)10～15m，可加固處理大厚度非飽和土、大面積重堆載場地、大中型油庫、塔基、大型筏板地基、大厚度濕陷性黃土和新填土等，對提高地基強(qiáng)度和均勻性、降低壓縮性、消除濕陷性、改善抗震動(dòng)液化能力等具有明顯的效果[2]。

本文結(jié)合xx原油商業(yè)儲備基地工程，介紹xx#儲罐以15000kN·m能級強(qiáng)夯置換法處理地表吹填土層及海陸交互沉積粘土地基的加固處理情況。

1 工程概況

xx原油商業(yè)儲備基地工程工程重要性等級為一級，場地復(fù)雜等級為二級，地基復(fù)雜等級為二級，擬建構(gòu)筑物為原油罐區(qū)。罐區(qū)內(nèi)共布置xx臺10×104m3儲油罐及相應(yīng)的變配電、雨水池等配套設(shè)施。

2 工程地質(zhì)與水文條件

2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)野外鉆探、原位測試及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，依據(jù)場地巖土的成因、年代、巖性及物理、力學(xué)性質(zhì)，將本場地強(qiáng)夯影響范圍內(nèi)地層自上而下分述如下：

①吹填土：淺灰—黃褐色，主要由細(xì)砂、中砂、粘性土組成，含貝殼碎片，有粘性土夾層，部分地段上部為淤泥，濕—飽和，松散，厚度0.90～13.70m。

①-1雜填土：主要由塊石、碎石、粘性土等組成，分布于吹填土上部，松散，厚度1.00～11.10m。

①-2吹填粘土：灰—灰綠—黃褐色，主要由粘性土組成，混砂，軟塑—可塑，厚度0.30～5.90m。

①-3吹填淤泥：深灰色，含有機(jī)質(zhì)、貝殼碎片、具有腥臭味，混砂，流塑，厚度0.60～5.40m。

②泥炭質(zhì)粘土：灰—深灰色，含有機(jī)質(zhì)、貝殼，具有腥臭味，混砂礫，軟塑—可塑，厚度0.30～4.50m。

③-1中—粗砂：黃褐—灰綠色，長石—石英質(zhì)，顆粒呈亞圓形，均勻，含貝殼碎片，混粘性土，飽和，稍密—中密，厚度0.50～3.20m。

③-2碎石：主要由火成巖、變質(zhì)巖碎塊組成，亞角形，強(qiáng)—中風(fēng)化，粒徑20～40mm，最大可達(dá)60mm，空隙內(nèi)充填多為粘性土，松散，厚度0.30～5.50m。

④粉質(zhì)粘土：灰綠—褐黃色，含氧化鐵、姜結(jié)石，有灰白色條紋，可塑，厚度0.10～4.30m。

⑤強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖：黃褐—棕褐色，主要由斜長石、石英、角閃石等礦物組成，中粗粒結(jié)構(gòu)，似斑狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，充填石英巖脈，巖芯破碎，呈碎塊狀，厚度1.00～10.00m。

⑥中風(fēng)化花崗閃長巖：淺肉紅—灰白色，主要由斜長石、石英、角閃石等礦物組成，中粗粒結(jié)構(gòu)，似斑狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，充填石英巖脈，巖芯呈短柱狀，未鉆穿，揭露最大厚度為12.50m。

2.2 水文地質(zhì)

本場地地下水為孔隙潛水及基巖裂隙水。場地地下水主要以大氣降水的垂直入滲及周邊區(qū)域地下水的徑流補(bǔ)給，主要排泄途徑為向大氣蒸發(fā)和向海徑流排泄，地下水的總體流向?yàn)閺奈飨驏|，即從陸地向海域。

3 地基處理要求及難點(diǎn)

3.1 地基處理方案選擇

根據(jù)勘察報(bào)告，場區(qū)內(nèi)沖填土、雜填土成份雜亂，固結(jié)程度差，物理力學(xué)特性不均，不宜作為建筑物天然地基，場區(qū)內(nèi)存在沖填土、雜填土較厚，最大深度13.7m，土層非常松軟，壓縮性大。若采用換填墊層法，土方量較大，且需要降水、排水，費(fèi)用較高。為縮短工期，降低費(fèi)用，為嚴(yán)格控制大型儲罐基礎(chǔ)的不均勻沉降，根據(jù)場地覆蓋層地質(zhì)特點(diǎn)，按地質(zhì)詳勘揭示的場地主要壓縮層分布情況，采用不同能級進(jìn)行置換強(qiáng)夯處理加固。處理后的承載力特征值達(dá)到250kPa以上。針對本工程，置換強(qiáng)夯法具有以下特點(diǎn)：

（1）材料充足、施工效率高、成本低。施工現(xiàn)場附近有大型采石場，碎石供應(yīng)充足，保證施工的連續(xù)性；強(qiáng)夯工藝施工造價(jià)低，所用的碎石級配程度要求較為寬松，降低了原材料的加工成本。

（2）提高孔隙水消散速度，加快土體固結(jié)速度。由于場地土體含水量較高，強(qiáng)夯施工過程中與施工完成后的孔隙水消散時(shí)會(huì)沿夯點(diǎn)中置換墩的空隙滲出，一旦出現(xiàn)積水，用排水泵排除。

（3）軟硬土體間加固的智能性。夯坑填料隨著夯錘的不斷夯擊而向夯坑周邊及下部擴(kuò)散，在施工過程中，石料會(huì)通過上部傳遞的擠壓力自動(dòng)趨向較軟的土體中擴(kuò)散直至周邊土體軟硬度接近一致。當(dāng)達(dá)到持力層時(shí)這一現(xiàn)象更為突出，最終使夯墩主體坐落在一個(gè)趨于穩(wěn)定的持力層面，夯墩形成過程中的側(cè)向擠壓力也迫使墩間土承載力大幅提高。

（4）提高地基的均勻性。置換強(qiáng)夯與傳統(tǒng)強(qiáng)夯置換工藝相比，增加了一遍墩間土的加固處理，進(jìn)一步提高墩間土的承載力，改善地基均勻性，確保處理后的地基具備更高的穩(wěn)定性，更能滿足大型罐基礎(chǔ)地基懼怕地基不均勻沉降的條件。

3.2 設(shè)計(jì)要求

（1）按照變形控制設(shè)計(jì)，確保地基加固處理后儲罐基礎(chǔ)以及輔助建構(gòu)筑物的沉降和不均勻沉降符合國家現(xiàn)行規(guī)范要求。

（2）強(qiáng)夯處理深度為14～16m，承載力特征值不小于250kPa，壓縮模量不小于15MPa。

3.3 本工程地基處理的難點(diǎn)

（1）高能級置換強(qiáng)夯處理高含水量粘土可行性問題。該場地地基回填土以軟塑—可塑粘土為主，地基含水量高，高能級置換強(qiáng)夯加固地基的可行性及加固后的強(qiáng)度是未知因素。

（2）置換強(qiáng)夯的處理深度問題。國內(nèi)目前強(qiáng)夯的主流能級為5000kN·m，置換的深度也不超過7m，而對于地質(zhì)條件復(fù)雜、軟土層厚較大、含水量較高的場地進(jìn)行高能級置換強(qiáng)夯處理案例甚少[3]。本工程要求的強(qiáng)夯處理深度在16m，遠(yuǎn)高于國內(nèi)常見的強(qiáng)夯置換深度，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多。

4 置換強(qiáng)夯設(shè)計(jì)與施工

4.1 置換強(qiáng)夯設(shè)計(jì)

（1）強(qiáng)夯參數(shù)。15000 kN·m能級置換強(qiáng)夯參數(shù)如表1所示。

表1 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)

（2）回填料。夯坑回填料宜采用當(dāng)?shù)刎S富的開山碎石，粒徑大于300mm的顆粒含量不宜超過全重的30%?；靥盍蠎?yīng)采用風(fēng)化程度低、強(qiáng)度高的石塊，以保證加固地基的強(qiáng)度和抗變形能力。填料時(shí)機(jī)根據(jù)夯坑深度確定，以不丟錘、不吸錘、夯坑內(nèi)無水為原則。施工過程中應(yīng)堅(jiān)持“少喂料，喂小料，喂好料”的原則。

（3）夯點(diǎn)布置。對整個(gè)場區(qū)進(jìn)行4遍點(diǎn)夯，第一遍夯點(diǎn)在設(shè)計(jì)的處理范圍下均勻布置，夯點(diǎn)間距為10.0m；第二遍夯點(diǎn)位于第一遍4個(gè)夯點(diǎn)中心，類似的第三遍夯點(diǎn)在一、二遍4個(gè)夯點(diǎn)中心增加夯點(diǎn)，第四遍在一、二、三遍的4點(diǎn)個(gè)夯點(diǎn)中心增加夯點(diǎn)，每一遍施工完畢后，及時(shí)進(jìn)行場地平整。夯點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 15000kN·m能級夯點(diǎn)布置圖

4.2 強(qiáng)夯置換施工

（1）清理并平整施工場地；測量場地標(biāo)高。

（2）按設(shè)計(jì)要求布置第一遍夯點(diǎn)位置。

（3）夯機(jī)就位，夯錘置于夯點(diǎn)位置。

（4）測量夯前錘頂高程。

（5）將夯錘起吊到預(yù)定高度，滿足夯擊能要求，開啟脫鉤裝置，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測量錘頂高程。夯擊并記錄夯坑深度，完成1次夯擊。

（6）重復(fù)步驟（5），當(dāng)夯坑過深或發(fā)生起錘困難時(shí)停夯，向坑內(nèi)回填碎石料（按設(shè)計(jì)要求擊數(shù)過半后夯坑深度大于3m才可填料，沒有提錘困難的現(xiàn)象時(shí)，夯坑填料不超過夯坑深度的1/3），并記錄填料數(shù)量，并測量錘頂高程。當(dāng)夯點(diǎn)周圍軟土擠出影響施工時(shí)（最大隆起量超過350mm），可隨時(shí)清理并回填碎石。當(dāng)夯坑內(nèi)有水時(shí)，及時(shí)排除，并回填碎石料（第四遍4000kN·m能級點(diǎn)夯施工過程中不填料，主要對前三遍點(diǎn)夯后的墩間土起到加固作用）。

（7）重復(fù)步驟（5）～（6），按設(shè)計(jì)規(guī)定的夯擊次數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)，完成一個(gè)夯點(diǎn)（墩體）的夯擊，用機(jī)械將碎石料填平夯坑。

（8）換夯點(diǎn)，重復(fù)步驟（4）～（7），完成第一遍全部夯點(diǎn)的夯擊。

（9）整平場地。

（10）重復(fù)步驟（2）～（9），按設(shè)計(jì)要求的停錘標(biāo)準(zhǔn)和遍數(shù)完成點(diǎn)夯施工。

（11）完成全部夯擊遍數(shù)后，用1500kN·m能級滿夯，將場地表層松土夯實(shí)，并測量夯后場地高程。

5 置換強(qiáng)夯效果的質(zhì)量檢測

（1）載荷試驗(yàn)本罐體共13組載荷試驗(yàn)，各檢測點(diǎn)地基承載力特征值均達(dá)到了250kPa，滿足設(shè)計(jì)要求（圖2）。

圖2 組載荷試驗(yàn)P-S曲線圖

（2）通過重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)（圖3）、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（圖4）、瑞利波測試、鉆孔取樣及室內(nèi)土工試驗(yàn)檢測結(jié)果分析，檢測點(diǎn)0～3m地基承載力特征值和壓縮模量滿足設(shè)計(jì)要求，3m至基巖的檢測指標(biāo)結(jié)果由設(shè)計(jì)人員根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行綜合判斷。

（3）夯墩長度測量第一遍夯墩3個(gè)、第二遍夯墩3個(gè)，平均長度7.1m，基巖埋深約10.8～11.8m。

（4）3m以下至基巖的地層厚度加權(quán)平均壓縮模量Es為9.5～15.9MPa，其中最低厚度加權(quán)平均壓縮模量為9.5MPa。

圖3 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)曲線圖

圖4 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)圖

（5）總體上，強(qiáng)夯處理效果較明顯，場地液化已消除，有效加固深度至基巖。地基土的均勻性稍好。

6 結(jié)論與建議

（1）置換強(qiáng)夯復(fù)合地基具有施工簡單、取材容易、施工速度快、工期短、造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)效益顯著，前三遍點(diǎn)夯形成的置換墩起到了加速地基孔隙水的消散作用，降低了土體含水率，確保了第四遍4000kN·m能級點(diǎn)夯施工過程中采取不填料的形式對前三遍點(diǎn)夯形成的墩間土進(jìn)行二次加固順利進(jìn)行，進(jìn)一步提高墩間土的承載力，可為有類似地質(zhì)條件工程的地基處理提供借鑒和參考。

（2）置換強(qiáng)夯處理飽和軟土地基具有置換加固作用、擠密作用和排水作用，克服了強(qiáng)夯技術(shù)加固高含水量軟土地基和強(qiáng)夯置換地基不均勻的缺陷，本工程的成功實(shí)施，驗(yàn)證了15000kN·m高能級置換強(qiáng)夯處理高含水量粘土的可行性，因此，置換強(qiáng)夯處理軟土高含水量地基具有較高的推廣價(jià)值。

[1]徐玉勝.大能量強(qiáng)夯置換法處理深圳地區(qū)軟土地基的應(yīng)用研究[D].中國鐵道科學(xué)研究院，2009.

[2]王亞凌.高能級強(qiáng)夯工程實(shí)踐與推廣應(yīng)用[J].地基處理，2003（3）：29-30.

[3]李鋒瑞.高能級強(qiáng)夯置換處理新填大厚度軟土地基[J].建筑施工，2009（7）：548.

TU472.3

B

1004-5716(2015)01-0007-04

2014-11-06

2014-12-01

蘭志佳（1986-），男（漢族），天津人，助理工程師，現(xiàn)從事巖土工程的設(shè)計(jì)、施工及生產(chǎn)管理等工作。