原油储罐地基的强夯法处理

田 正,于 飞

(1.中国建筑东北设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110014;2.寰球工程项目管理(北京)有限公司,北京 100101)

原油储罐地基的强夯法处理

田 正1,于 飞2

(1.中国建筑东北设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110014;2.寰球工程项目管理(北京)有限公司,北京 100101)

针对储罐对地基承载力和变形的要求,以大连保税区油库10×104m3原油储罐的强夯地基处理工程为实例,阐述了强夯法的加固原理和施工工艺,探讨了原油储罐对地基处理的要求·

强夯;地基处理;储罐基础;沉降

随着经济的飞速发展和工业化的要求·我国对石油的需求越来越大,作为原油的储存库——大型储油罐——的应用越来越多·储油库多建于交通比较发达,但地质条件较差的沿海地区·而储油罐的特点是自身结构较储存物轻,对地基变形比较敏感·一旦储油罐出现破坏,不仅经济上会有巨大的损失,而且会对环境造成难以估计的污染·为了解决这一问题,采用强夯法作地基处理不失为较为理想的施工工艺·

1 场地基本条件

以大连保税区原油储罐工程中的强夯法地基处理为例·本工程位于大孤山半岛东端,占地约为20.8×104m2,库容:12.5×105m3·其中包括 10×104m3外浮顶原油储罐11座,5×104m3储罐3座·本工程地层主要由杂填土,粉质黏土,板岩组成·

第1层为杂填土:土层平均厚度约3.50 m,地基承载力特征值fak=80 kPa,土的压缩模量Es=3.0 MPa·

第2层为粉质黏土:土层平均厚度约2.30 m,地基承载力特征值为fak=140 kPa,土的压缩模量Es=4.0 MPa·

第3层为粉质黏土:土层平均厚度约1.80 m,地基承载力特征值为fak=180 kPa,土的压缩模量Es=10.0 MPa·

第4层为碎石:土层平均厚度约2.70 m,地基承载力特征值为fak=240 kPa,土的压缩模量Es=2.0 MPa·

第5层为全风化板岩:土层平均厚度约2.50 m,地基承载力特征值为fak=220 kPa,土的压缩模量Es=16.0 MPa·

第6层为强风化板岩:土层平均厚度约4.23 m,地基承载力特征值为fak=500 kPa·

第7层为中风化板岩:土层平均厚度约4.63 m,地基承载力特征值为fak=1 500 kPa·

第8层为中风化辉绿岩:土层平均厚度约4.55 m,地基承载力特征值为fak=1 500 kPa·

2 地基处理控制

原油储罐底部是由钢板焊接而成的上凸圆锥面,本工程 10×104m3外浮顶罐,罐体直径达80.00 m,高 21.80 m,罐体质量为 2 025.92 t,最大质量达到103 652.00 t·罐体结构自重相对于储存物轻、刚度小,柔性大,对地基基础沉降比较敏感,因此,工程要求地基的承载力同时满足油罐基底面压力值的要求和储油后罐基沉降在允许的范围内·具体体现在4个方面·

(1)根据结构计算,地基处理后应消除土层的不均匀性,并且达到地基承载力特征值fak≥280 kPa,压缩模量Es≥20 MPa·

(2)整体平面倾斜(沿直径方向的沉降差)要求·如果罐基整体倾斜过大,会使浮顶升降功能受阻,并且拉裂与罐壁相连的管道·《石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范》(SH/T 3068—2007)8.3条规定:浮顶罐60 m＜Dt(储罐底圈内直径)≤80 m,沉降差为0.003 5Dt·以直径为80 m的10×104m3储罐为例,其直径方向的最终沉降差许可值为280 mm[1]·

(3)非平面倾斜(罐基础周边的不均匀沉降)要求·非平面倾斜通常会使罐壁径向扭曲,严重时还可能引起罐体破裂·因此,按《石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范》8.3条的规定:沿壁圆周方向上任意10 m弧长内的沉降差不大于25 mm·

(4)罐基础顶部锥面坡度变形(罐中心与罐周边的沉降差)要求·据经验数据表明,储油时罐底板边缘沉降小而中间大,变形类似一个锅底,边缘与中心的沉降比值在0.64～0.69[2]·若罐底板中心沉降过大,会产生大于底板设计强度的拉应力,致使底板焊缝拉裂·

因此,《石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范》8.3条同时规定,罐基础沉降基本稳定后的锥面的坡度不得小于0.8%·

根据本工程的地质条件和具体情况分析,即:10×104m3原油储罐不仅对地基承载力有较高的要求,而且要求储油后的地基变形也要控制在一定范围内·而本工程的天然地基达不到原油储罐对地基的这种要求,需要对地基采取一定的加固措施·所以,根据其地质条件及当地地基处理经验,采用强夯法对地基基础进行加固处理·

3 施工加固原理

强夯法亦称动力固结法(Dynamic Consolidation Method),这种地基处理是法国Menard(麦娜)公司1969年发明的·强夯法引入我国已有20多年的历史,是一种技术上较为成熟,经济且实用的地基处理的方法·在施工中通常采用大吨位自行式、全回转履带式起重机配合龙门架,将一定结构外形的夯锤(吨位8～40 t)起吊至一定高度(10～40 m)后,放开吊钩使夯锤自由落下,从而产生强大的冲击能量对地基土进行夯实,使地基土产生强烈的振动和较高的动应力,从而使土体克服较大的摩擦力和黏阻力成为密实状态,土粒得以重新排列并迅速固结·使用强夯法地基处理的施工工艺,可以在地基承载力提高的同时降低其可压缩性,受夯击的土层还可提高均匀程度,减少将来差异沉降的可能性·

4 技术参考数据

强夯的主要技术参数包括:有效加固深度、夯击次数、夯击遍数、间隔时间、夯点的布置和处理范围·其中强夯的有效加固深度应根据地质资料、现场试夯或当地经验确定,无经验时可按以下公式估算:

式中:H为加固有效深度,m;M为锤重,t;h为有效落距,m·夯击次数以夯坑压缩量最大,夯坑周边土隆起量最小为原则,同时应满足最后两击平均夯沉量不大于下列数值:单击夯击能≤4 000 kN·m为 50 mm,夯击能 ≤4 000～6 000 kN·m 为100 mm,夯击能≥6 000 kN·m为200 mm;夯击遍数应根据地基地质条件和工程要求确定,对透水性弱的细颗粒土层及加固要求高的工程,夯击遍数较多,国外文献报道一般为1～8遍,国内一般为2～4遍[3]·最后再以低能夯,普夯一遍(也称满夯),其目的是将松动的表层夯实·夯击间隔时间应根据超净孔隙水压力的消散情况确定,对渗透性好的地基可不考虑间隔时间,对于排水条件较差的黏性土,间隔时间为2～4周,一般可采用埋设袋装砂井的办法,加速孔隙水压力的消散,用以缩短间隔时间·夯击点可采用等边三角形或正方形布置,夯点间距应按试夯效果布置,第一遍夯点间距宜取夯锤直径的2.5～3.5倍,第二遍夯点位于第一遍之间,以后夯点间距可依次减小;处理范围宜超出基底设计处理深度的1/2～2/3,且不小于3 m[4]·

5 强夯参数及方案

在初步确定强夯参数后,对本工程一处24 m×24 m的场地进行试夯·通过试夯数据,最终确定了本工程强夯的参数,参数内容见图1和表1·

图1 10×104m3储罐区域8 000 kN·m能级夯点布置图

表1 强夯参数表

6 施工工艺流程

强夯施工工艺流程为:场地平整→布置夯点→机械就位→夯锤起吊至预定高度→夯锤自由下落→按设计要求重复夯击→低能量满夯、夯实表面松土·主要施工流程说明如下·

(1)平整场地、组装机械·本工程采用杭重50 t履带式起重机并配30 m门式支架为提升机具,夯锤为直径2.5 m、重40 t的钢制夯锤,场地应平整并能承受夯击施工的机械载荷,能够保证夯机在施工操作中稳定就位,施工前应清除所有障碍物及地下管线,并且还需要对施工机械进行组装调试,对夯锤的落距和锤重进行复核,进行试运转·在施工中要求夯锤落距偏差≤±300 mm、锤重偏差 ≤±100 kg[5]·

(2)布置夯点、机械就位·先由测量人员将场地边线及各区分界以木桩、白灰标出,再由各机组施工技术人员按每区不同的夯点间距以白灰标出待夯点,夯点定位允许偏差≤±50 mm[6],之后根据各夯点的施工次序和吊车移位路线,将吊车就位,校正夯锤落距·

(3)按拟定的夯击顺序逐点对测好的夯点进行第一遍点夯:每点夯击程序为:起重机就位→夯锤对准夯点位置→将夯锤起吊至预定高度→拉开脱钩装置锁卡,夯锤自由落下,这样循环多次,直至完成夯击次数,夯击时注意保持落锤平稳,夯位准确,当夯锤气孔被土堵塞时,及时进行清理,以免影响夯击效果·夯击时,夯点中心位移偏差应小于150 mm,当夯坑底部倾斜大于30°时,应将坑底填平再进行夯击·

(4)第一遍强夯结束后,推土机将以夯区推平,间隔一周后,进行第二、三遍夯击·

7 检测和沉降观测

检测表明,地基各土层承载力特征值fak≥280 kPa,压缩模量Es≥20 MPa的设计要求,经处理均得到满足·

在基础施工过程中,沿油罐环墙基础圆周均匀预置了沉降观测点(计26个,两点间隔10 m)·在罐体施工结束后,进行充水试压观测,环墙基础最大沉降量为40 mm,最小沉降量为23 mm,直径方向沉降差为15 mm,任意10 m弧长内的沉降差为8 mm·数据满足规范要求,证明该储罐地基处理是成功的·具体如表2所示·

表2 沉降记录统计表

8 结 语

(1)经检测,原油储罐地基采用强夯法来加固,地基强度和变形量都满足了设计要求且符合现行规范,因此,本工程处理地基的方案和施工都是正确的·

(2)在强夯过程中需注意,强夯的施工顺序是:先深后浅,即先加固深土层,再加固中土层,最后加固浅土层·还需要注意表土层的夯实问题及吊车的稳定及施工时的设备和人员的安全·

(3)采用强夯法可节省下钢筋和水泥,在工程造价上相比其他地基加固方法比较经济;同时施工机具设备简单,且操作方便,施工进度快,节省大量的人工费及机器使用费·

(4)由于采用强夯法,缩短了工期,施工周期仅为60 d,综合平均每台夯机的处理效率达到了95.80 m2/d·

(5)强夯法施工时会产生震动及噪声,会对场地内及附近的建、构筑物和居民生活产生一定影响·应采取一定的隔振措施,如挖隔振沟等·施工时还应注意合理安排施工时间,减小影响·

[1] SH/T 3068—2007,石油化工钢储罐地基与基础设计规范[S].

[2] 徐至均,许朝铨,沈珠江.大型储罐基础设计与地基处理[M].北京:中国石化出版社,2002:251.

[3] 贾庆山.储罐基础工程手册[M].北京:中国石化出版社,2002:205.

[4] J G J 79—2002,建筑地基处理技术规范[S].

[5] GB 50202—2002,建筑地基基础工程施工质量验收规范[S].

[6] YBJ 25—92,YSJ 208—92,强夯地基技术规程[S].

Application of Dynamic Consolidation in Foundation Treatment of Crude Oil Storage Tank

TIAN Zheng1,YU Fei2

(1.China Northeast Architectural Design&Research Institute Cooperation,Shenyang 110014,China;2.Huanqiu Project Management(Beijing)Limited Company,Beijing 100101,China)

Taking hang ground treatment project of Dalian bounded area fuel depot 10×104m3crude storage as an example,the storage tank to the ground supporting capacity and the distortion request are introduced,the dynamic consolidation reinforcement principle and the construction craft are elaborated,and the requirements of crude oil storage tank on the ground handling are discussed.

dynamic consolidation;ground treatment;storage tank foundation;subsidence

TU 433

A

1008-9225(2011)02-0004-04

2011-01-07

田 正(1982-),男,山东新泰人,中国建筑东北设计研究院有限公司工程师,硕士·

【责任编辑:刘乃义】