不均勻沉降儲罐基礎(chǔ)的糾偏及加固

徐士平

中國石油化工股份有限公司齊魯分公司工程部 山東淄博 255400

1 工程概況

某石化行業(yè)新建兩座航煤油罐，為鋼質(zhì)內(nèi)浮頂油罐，罐體為圓柱形，直徑為27.628m，高度約21.0m，容積9500m3。油罐基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土環(huán)墻，基礎(chǔ)頂標(biāo)高為121.20m（所有標(biāo)高均為絕對標(biāo)高），基礎(chǔ)底標(biāo)高為119.40m，基礎(chǔ)高度1.80m，基礎(chǔ)埋深1.0m，基礎(chǔ)地面以上0.8m，環(huán)墻基礎(chǔ)寬度400mm，基底設(shè)置100m 厚C15 混凝土墊層，原設(shè)計墊層下采用500mm 厚3∶7灰土換填，寬出基礎(chǔ)300mm，壓實系數(shù)0.95，灰土底標(biāo)高為118.80m，現(xiàn)有地面標(biāo)高為120.40m。

原始地基土上部為雜填土，下部為黃土狀粉質(zhì)粘土，地基采用灰土換填墊層處理，油罐底板下（即環(huán)墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)層）采用100mm 厚瀝青砂絕緣層，300mm 厚砂墊層，2000mm 厚3 ∶7 灰土，灰土底標(biāo)高為118.80m。東側(cè)罐體基礎(chǔ)范圍在118.80m 標(biāo)高以下采用2∶8 灰土換填，換填至117.20～117.60m 標(biāo)高；西側(cè)罐體基礎(chǔ)范圍在118.80m 標(biāo)高以下，采用2∶8 灰土換填至113.90～116.70m 標(biāo)高位置。兩儲罐均處理到黃土狀粉質(zhì)粘土層。

沉降觀測數(shù)據(jù)顯示，兩座油罐均有不同程度的傾斜。經(jīng)現(xiàn)場測得的沉降數(shù)據(jù)，截止到2015 年12 月13日，西側(cè)儲罐最大沉降量為271mm，最小沉降量為3mm，沉降差為268mm（傾斜9.7‰），主傾方向南西8度；東側(cè)儲罐最大沉降量為313mm，最小沉降量為66mm，沉降差為247mm（傾斜8.94‰），主傾方向北東30 度。經(jīng)分析可知，油罐基礎(chǔ)沉降具有對稱性，滿足任意直徑方向的平面傾斜變形特征，為平面傾斜，西側(cè)和東側(cè)儲罐的沉降投影圖分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 西側(cè)儲罐沉降投影圖

圖2 東側(cè)儲罐沉降投影圖

根據(jù)《石油化工鋼儲罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》SH/ T 3068- 2007 第8.3 條規(guī)定，對內(nèi)浮頂罐，當(dāng)儲罐底圈內(nèi)直徑在22＜Dt ≤30m 時，沉降差允許值為0.006Dt。 本 工 程 沉 降 差 應(yīng) 控 制 在 27628 ×0.006=166mm 范圍內(nèi)，但兩個油罐基礎(chǔ)均超出規(guī)范要求（傾斜分別為9.7‰、8.94‰，均大于6‰）。比較大的不均勻沉降會給管線的安裝和油罐運(yùn)行使用帶來許多困難，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致罐體破裂、原油泄漏。由于罐底局部不均勻沉降，罐體上口的橢圓度發(fā)生變化，過大可能卡住浮頂，甚至造成嚴(yán)重事故。

2 場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

建設(shè)場地位于山區(qū)山前溝谷地帶，處于兩個山頭中間的沖溝內(nèi)，后經(jīng)人工回填整平。根據(jù)場地詳勘報告，原始場地地層自上而下的地質(zhì)情況見表1。

3 油罐基礎(chǔ)沉降原因分析

引起油罐基礎(chǔ)不均勻沉降的原因是多方面的，包括場地土質(zhì)的不均勻(厚薄不一致、土質(zhì)變化、地質(zhì)缺陷)，局部地表水下滲到雜填土或黃土狀粉質(zhì)粘土層導(dǎo)致該層濕陷產(chǎn)生沉降，油罐的瞬時快速加荷導(dǎo)致地基土體的破壞產(chǎn)生沉降，相鄰基礎(chǔ)或地面荷載的影響，以及地基土受到各種因素的擾動等，都會引起基礎(chǔ)壓縮層范圍內(nèi)土的各向應(yīng)力狀態(tài)的改變，而導(dǎo)致基礎(chǔ)不均勻沉降?；A(chǔ)的沉降速率一般來說與土的性狀和加荷速率有關(guān)，特別是與土體中孔隙水壓力的消散速率和消散條件有關(guān)。綜合原基礎(chǔ)及地基處理設(shè)計、施工和沉降觀測成果，具體分析如下：

表1 原始場地地質(zhì)情況

（1）首先，設(shè)計采用的是灰土換填處理軟弱地基，這一處理方案是比較合理的。油罐基礎(chǔ)變形的影響深度一般為0.7 倍罐體直徑，即20m 左右。從灰土換填處理的深度來看，僅對第1 層雜填土進(jìn)行處理是不充分的，從充水預(yù)壓開始至全部充滿水試壓期間沉降一直不穩(wěn)定，這與下層厚達(dá)9.2m 的第1 層雜填土和第2 層黃土狀粉質(zhì)粘土有關(guān)。

（2）其次，充水預(yù)壓時的沉降實測數(shù)據(jù)表明，目前的沉降已達(dá)271～313mm?？梢源致缘赝茰y，除1 層雜填土層的壓縮變形以外，地基處理深度范圍以下的2層黃土狀粉質(zhì)粘土層可能已經(jīng)出現(xiàn)局部土體的強(qiáng)度破壞。

（3）再次，灰土換填處理地基應(yīng)考慮軟弱下臥層的地基強(qiáng)度及其變形。地基強(qiáng)度理論計算表明：地基承載力滿足要求，但軟弱下臥層（第2 層黃土狀粉質(zhì)粘土層）地基承載力未滿足要求。地基變形理論計算表明：西側(cè)儲罐充水預(yù)壓至8m 時的理論計算，中心沉降值為414.70mm（選取7# 鉆孔地層資料），邊緣（環(huán)墻基礎(chǔ)位置）沉降值為199.6～226.9mm；東側(cè)儲罐充水預(yù)壓至16m 時的理論計算，中心沉降值為316mm（選取7# 鉆孔地層資料），邊緣（環(huán)墻基礎(chǔ)位置）沉降值159.1～184.5mm?？梢?，兩儲罐均與當(dāng)時的實測誤差較大。根據(jù)地基土的物理力學(xué)特性和罐體的加荷固結(jié)時間，西側(cè)罐基土層壓縮接近60%、東側(cè)罐基土層壓縮接近75%。

（4）最后，油罐基礎(chǔ)對地基的不均勻沉降是十分敏感的。如果存在相對較大的基礎(chǔ)初始傾斜，荷載重心也勢必長期處于偏心狀態(tài)，必然加劇地基不均勻沉降的發(fā)展。當(dāng)這一變形發(fā)展到某一臨界狀態(tài)，即地基土產(chǎn)生局部塑性破壞時，將導(dǎo)致基礎(chǔ)的整體失穩(wěn)破壞。沉降呈發(fā)散式增長，體現(xiàn)出失穩(wěn)的特征。

4 糾傾與地基加固設(shè)計

根據(jù)油罐基礎(chǔ)的特點，在一定的沉降差容許范圍內(nèi)，并能滿足正常生產(chǎn)的條件下，直接采用沉降差控制是可行的。因此，可以將扶正罐體和地基加固結(jié)合一起考慮，即糾傾和地基加固同時進(jìn)行。先利用沉降較小一側(cè)采用半圓周挖溝掏土的方法進(jìn)行迫降糾傾，然后在沉降較大一側(cè)利用袖閥管壓密注漿法進(jìn)行地基加固，同時對地基加壓進(jìn)行頂升，從而讓迫降和頂升趨于平衡達(dá)到糾傾的目的。

5 半圓周挖溝掏土迫降糾傾

對于挖溝掏土糾傾法，早期充水加荷時，油罐傾斜方向不一定是真正的傾斜方向，它并不是不變的，而是呈螺旋形搖晃下沉，基礎(chǔ)各點的沉降量有可能會自動調(diào)整一些。根據(jù)經(jīng)驗，若早期相對沉降量傾斜值大于8‰時，則后期必有更大的沉降差，此時已經(jīng)不可能再自動調(diào)整，因此必須掌握時機(jī)及早挖溝調(diào)整。

根據(jù)沉降觀測報告，西側(cè)罐體向西南方向傾斜，目視可見西南方向處罐體壓入散水坡；東側(cè)罐體向東北方向傾斜，目視可見東北方向處罐體壓入散水坡。采用半圓周挖溝掏土迫降糾偏法，利用鋼筋砼環(huán)墻基礎(chǔ)剛度較好的條件，不需另外加強(qiáng)油罐及基礎(chǔ)的剛度，節(jié)約費(fèi)用。這種方法主要是根據(jù)土力學(xué)的原理，解除沉降少一側(cè)地基土的側(cè)向約束力，沿環(huán)形基礎(chǔ)外側(cè)圓周挖一定深度和寬度的半圓形溝，形成基底下土體部分臨空，使這部分基礎(chǔ)的接觸面積減少，接觸應(yīng)力增加，使基底土體側(cè)向擠出，產(chǎn)生有效應(yīng)力差，加大沉降小的基礎(chǔ)部位的沉降，從而減少差異沉降，達(dá)到糾偏的目的。詳見圖3。

圖3 挖溝掏土迫降糾傾示意圖

挖溝深度取決于土質(zhì)情況、離罐壁遠(yuǎn)近、荷載大小和時間長短等因素。挖溝位置、長度和深度是必須考慮的3 個設(shè)計參數(shù)，本工程具體參數(shù)如下：

（1）挖溝位置距離罐壁（s）取500mm；

（2）挖溝長度以周邊最小沉降點為中心，各向兩側(cè)延伸到1/ 4 周長，即總長為半圓周，約47.0m；

（3） 挖溝深度H=C+A+a=1.1+0.5×tan45°+0.5= 2.1m；

（4）采用直角梯形截面，上口寬度（b）為4.0m，下口寬度（d）為1.0m。

挖溝掏土糾傾時，應(yīng)嚴(yán)格檢測基礎(chǔ)沉降量以防糾偏過度，并且防止罐基滑動或地基失穩(wěn)破壞。根據(jù)儲罐基礎(chǔ)的現(xiàn)狀，在兩罐挖溝之后施工注漿孔之前，讓兩罐均保持10m 水位的預(yù)加荷載進(jìn)行迫降糾傾。迫降糾傾時間約為30d，每天糾傾沉降速率控制在10mm/ d。待糾傾沉降滿足設(shè)計要求的150～200mm 后，將兩罐內(nèi)的水抽空再進(jìn)行注漿加固及注漿頂升施工。

6 袖閥管注漿頂升基礎(chǔ)及地基加固

控制油罐基礎(chǔ)不均勻沉降的根本是對地基進(jìn)行加固處理。本工程采用在油罐周邊外側(cè)進(jìn)行袖閥管注漿頂升基礎(chǔ)及地基加固。其加固機(jī)理為壓密注漿，通過鉆孔中設(shè)置袖閥管向土中壓入稠度較高的懸浮漿液；隨著土體的壓密和漿液的深入，在壓漿點周圍形成球形或圓柱形漿泡；在控制一定的灌注壓力條件下，通過對地基土的擠壓、密實、充填，達(dá)到改善土的物理力學(xué)性能的目的，從而在短時間內(nèi)迅速提高地基土的承載力并加速土的固結(jié)，阻止地基土的變形增長。

對于第1 層雜填土和第2 層黃土狀粉質(zhì)粘土，需要的注漿壓力是不同的。對第2 層黃土狀粉質(zhì)粘土，需要很高的注漿壓力才能注入，若壓力控制不當(dāng)，將破壞原灰土地基的強(qiáng)度，下臥層土體也因此極可能出現(xiàn)短時間內(nèi)的較大“順帶沉降”。目前基礎(chǔ)不均勻沉降和沉降速率分別為：西側(cè)罐為9.7‰和1.563mm/ d；東側(cè)罐為8.94‰和1.126mm/ d。通過注漿加固，控制基礎(chǔ)不均勻沉降≤6‰，沉降速率≤0.1mm/ d，并使基礎(chǔ)在已有變形條件下，沉降穩(wěn)定在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

7 糾傾及地基加固完成后的使用情況

截止到2016 年1 月31 日，西側(cè)罐糾偏已達(dá)到規(guī)范允許范圍之內(nèi)，3 月25 日交付生產(chǎn)投入使用；東側(cè)罐2016 年4 月6 日糾偏完成，4 月13 日交付生產(chǎn)投入使用。糾傾加固完成后的基頂標(biāo)高及沉降差數(shù)據(jù)如表2和表3 所示。

從數(shù)據(jù)可以看出，東西兩罐的沉降差在135mm 左右，已經(jīng)小于規(guī)范要求的166mm。從現(xiàn)場的充水、放水過程可以看到，內(nèi)浮盤上下浮動正常。根據(jù)設(shè)計要求，糾傾及地基加固處理結(jié)束28d 后，繼續(xù)對充水預(yù)壓的沉降實施觀測，充水速率控制在2.5～3m/ d 左右。充水預(yù)壓開始至結(jié)束進(jìn)油，必須全過程跟蹤觀測沉降情況，每3d 一次；投產(chǎn)3 個月內(nèi)每10d 一次，以后每月一次，半年后一季度一次，連續(xù)1 年。兩儲罐投入使用至今已有兩年半，沉降觀測數(shù)據(jù)表明儲罐使用狀況良好。可見，糾傾加固取得了比較好的效果。

8 設(shè)計施工中應(yīng)注意的問題

本工程回填土厚度差異較大，填土厚的地方達(dá)8m多，薄的地方僅有3m 多。因回填土的壓實系數(shù)要比原狀土高，充水試壓時，填土厚的沉降少，填土薄的地方沉降偏大，這是造成儲罐基礎(chǔ)平面內(nèi)傾斜的主要原因。建議以后類似的工程應(yīng)把基坑內(nèi)的土層清理到統(tǒng)一標(biāo)高，統(tǒng)一分層回填壓實后再進(jìn)行基礎(chǔ)施工，這樣可以改善填土的性質(zhì)，有效防止不均勻沉降現(xiàn)象的發(fā)生。

表2 西側(cè)罐糾偏數(shù)據(jù)表 mm

表3 東側(cè)罐糾偏數(shù)據(jù)表 mm