置换碎石桩联合强夯在软弱地基处理上的应用

常海军，伊 震，杨耀森

（中国寰球工程公司辽宁分公司，中国 抚顺 113006）

1 工程概况

1.1 工程概况

2001年1月我院承担了抚顺石化公司石化七厂在鲅鱼圈二港池顺岸堆场新建散蜡油罐区的设计任务，罐区位于鲅鱼圈二港池顺岸堆场内，罐区东端距锅炉房﹑ 烟囱12 m左右，罐区西端距码头前沿线22.5 m，罐区北端距煤输送廊道8 m左右，罐区南端与港口地下排水沟相邻，场地建港前属剥蚀丘陵，建港后经填海整平，地形较平坦。总库容为1.4万m3，其中2台5 000 m3浮顶罐，油罐直径为20 m，高度为16.08 m，4台1 000 m3浮顶罐，油罐直径为10 m，高度为13.08 m。于2001年7月建成，2001年8月投入使用，4个多月油罐基础的平面倾斜值、非平面倾斜值和基础椎面坡度均满足要求。本工程勘察﹑ 地基处理及检测工作均由沈阳勘察研究总院进行。

1.2 工程地质条件

石化七厂新油库区库地，原属剥蚀丘陵，建港后经填海整平形成现有场地，地形平坦，假定场区混凝土地面为准，H=0.000 m。

根据工程地质勘察报告揭示，新油库区为一复杂场地，场地按东西向划分两个区域，自地面以下土层分布如下：

I区：分布在场区西半部

1）吹填砂：

0.0～0.5 m混凝土：

0.5～7.0 m为吹填砂：呈黄绿色～黄褐色，夹黏性土，含大块石，结构松散，标贯3～9击。

2）淤泥质黏土：层位7～9 m，厚度2 m，灰黑色，软～流塑。饱和，fK=60 kPa。

3）回填块石：以混合花岗岩为主，呈中风化状态，块径0.5～1.5 m。空隙充填砂 9.0～13.4 m。

4）中粗砂：黄褐色。局部夹黏性土，粉细砂层。呈中密～密实状态，饱和，fK=220 kPa。

II区：分布在场区东半部

1）回填块石：

表层0.0～0.5 m为混凝土层，0.5～13.4 m为回填块石。块径0.5～2.0 m不等。含量60%～80%，空隙充填砂土，6.5～9.0 m有淤泥质黏土夹层。

2）中粗砂：黄褐色，局部夹黏性土，粉细砂层，呈中密～密实状态，饱和，厚度为12.7～15.1 m标贯15～22击，fK=220 kPa。

3）粉质黏土：黄褐色，含铁锰结核，可塑，饱和。厚度为4.9～6.8m，fK=200 kPa。

4）残积土：黄褐色，饱和，可～硬塑。含砾石、块石等。标贯12～30击，fK=250 kPa。

本场地的地层变化较大，条件复杂，I区地层上部为吹填砂及淤泥质黏土，承载力较低，II区为回填块石，厚度较大。

作为大中型油罐的地基，原场地土必须进行地基处理才能满足罐基对地基承载力和变形值的要求。

设计要求地基处理后的有效影响深度9 m，地基承载力不小于200 kPa，土的压缩模量≥16 kPa。

2 地基处理方案的确定

地基处理方案的确定，除了取决于原场地各土层的性质，还要考虑周围建（构）筑物的影响及综合经济利益。

根据场地土层的分布情况以及拟建油罐荷载较大，对沉降敏感，安全等级为一级。可采用下面三种方案进行地基处理。其一：采用桩基，桩基按摩擦桩考虑，即采用普通钻孔钢筋混凝土灌注桩，比较安全可靠，但是工程造价太高，估价在308万元左右，且由于地下块石太大，施工也是相当的困难。其二：采用强夯加固处理，强夯单击能在6 000 kN·m以上，因回填土层较厚，需较大夯击能，且回填土层岩性差异较大，工程性质较差，于周围建（构）筑物及码头前沿相邻较近，因此强夯加固后的地基处理效果及对周围建（构）筑物的安全很难保证，但工程造价比较经济，估价在13万元左右。其三：采用强夯置换碎石桩加固处理。依据工程地质勘察报告及对相邻原有建（构）筑物影响。I区：埋深9 m以内主要为吹填砂及淤泥质黏土，埋深9～13.4 m为回填块石及填充砂，采用强夯置换碎石桩进行加固，强夯单击能在4 000 kN·m以下，既能地基承载力的要求，对相邻原有建（构）筑物的影响甚微。II区：埋深0.5～13.4 m为回填块石及填充砂，回填块石厚度较大，为减小强夯周围建（构）筑物的影响，采用振冲置换碎石桩进行加固；既能地基承载力的要求，对相邻原有建（构）筑物的影响甚微。经过对上述情况作认真分析后，对I ﹑区 II区分别采用强夯置换碎石桩及振冲置换碎石桩进行加固，I区﹑ II区加固处理的工程造价在80万元左右。

综上所述对三种方案进行比较，第一种加固处理方案效果好，施工比较困难（地下块石大而多）且施工的工程造价太高；第二种加固处理方案工程造价低，但加固效果难以保证设计要求；第三种加固处理方案加固效果能满足设计要求，且施工的工程造价也比较合理，只是对周围建（构）筑物需做防震处理；经过对上述方案分析对比，同时又经过与业主及施工单位商讨，最后确定采用第三种加固处理方案进行地基处理。

3 设计与施工

由于场地由I 区﹑ II区两种结构土体组成，我们采用了强夯置换碎石桩和振冲置换碎石桩分别处理不同的土层，形成复合地基。

3.1 振冲碎石桩复合地基

根据场地工程地质勘探报告及罐区平面布置图振冲碎石桩设计如下：

3.1.1 布桩

按正方形布桩，桩径850～900 mm，桩间距1 300 mm，桩长2 500～11 500 m, 均匀布桩，总桩数324根（以一台5 000 m3油罐设计），总桩长2 746 m。

3.1.2 施工参数

1）使用ZCQ-55型振冲器；

2） 造孔水压500～600 kPa，成桩水压300～400 kPa ；

3）造孔速度1 m/d，清孔1～2次；

4）成桩密实电流90 A；

5）制桩采用连续填料法，密实间距小于0.5 m，严禁快速提升；

6）采用石料粒径为20～60 mm混粒碎石，宜为硬质岩石或未风化石灰岩，含泥量﹤ 8%。

7）施工顺序为排打法。

a.施工机具：

b.吊车：轮式或履带吊车（提升振冲器）1台；

c.铲车：用做填料的装卸机（40型为宜）；

d.ZCQ-55型振冲器及附属设施2套；

e.污水泵3台，多级泵1台。

3.1.3 施工工期

施工于2001年3月3日至2001年3月19日共16天进行振冲碎石桩施工。

3.1.4 振冲施工质量保证体系及注意事项

1）施工人员按班定岗，严格执行方案，确保施工质量。

2）施工前施工人员规划好现场，防止污水乱流，以利下部施工。

3）施工人员应协调好施工各个环节，对施工进度及质量负责，发现问题应及时向有关人员汇报协商解决。

4）施工填料时应保证慢填且均匀。

5）记录员要认真填写施工记录，如实反应现场情况，且记录签署齐全。

6）检测及评价

振冲碎石桩施工结束后，待孔隙水压力消散后，对场地进行质量检测，检测采用重型（2）动力触探试验，静载荷试验及稳态瑞利波法试验，检测在桩上和桩间土分别进行。根据检测结果对照相关规范对场地进行综合评价。如果桩体强度不够时，可在振冲碎石桩上进行强夯碎石桩，提高场地的加固效果。直到满足设计要求为止。

3.2 强夯置换碎石桩复合地基

3.2.1 布桩

按正方形布桩，桩径400～1 000 mm，桩间距1 250 mm，桩长9 000 mm，均匀布桩，成桩时下部复打3 m。总桩数177根（以一台5 000 m3油罐设计），总桩长5 625 m。

3.2.2 施工参数

置换锤锤重12 t，锥形，底面积0.3 m2，最大直径1.0 m，锤长约3 m。满夯锤重14 t，直径2.0 m。置换强夯锤单夯击能110～120 t.m。夯击击数≥13击。采用石料粒径为20～60 mm混粒碎石，宜为硬质岩石或未风化石灰岩，含泥量﹤ 8%。

3.2.3 强夯置换碎石桩施工

强夯置换碎石桩施工第一遍桩数177根，锤重12 t，落距10 m，击数14，点夯填加碎石。第二遍桩数177根，锤重14 t，落距2 m，击数2，锤印搭接满夯。

3.3 施工监测及工程现场检测

3.3.1 施工监测

为防止强夯施工对原有建（构）筑物造成损害，设计要求施工的同时对夯击能量在夯点

周边的扩散进行了实地监测，对附近建（构）筑物进行了变形观测。夯击能量扩散监测采用RSM-12G工程测振仪及891型加速度传感器进行，主要监测指标为加速度及夯击首次冲击波持续时间。变形观测主要是采用T2经纬仪和N3水准仪对夯区附近建（构）筑物（输煤廊道，海堤，吊车轨道）进行了水平位移和垂直位移观测，根据监测和变形测量结果（仅几毫米），强夯施工未对附近建（构）筑物产生位移影响。

3.3.2 工程现场检测

为了评价地基土的加固效果，由沈阳勘察研究总院检测中心人员对施工质

量进行了检测。共完成4处静载试验，24处动力触探试验，44处瑞利波试验，检测数据见附件一。

综合分析处理后地基土的重型动力触探，瑞利波检测及静载荷试验结果，结合该场地施工工艺，根据复合地基承载力及复合地基压缩模量计算公式：

式中：fsp，k—复合地基承载力标准值

fp，k—桩体单位截面积承载力标准值

fs，k-—桩间土的承载力标准值

m—面积置换率

Esp-—复合土层的压缩模量

Es—桩间土的压缩模量

n—桩土应力比

经计算得出复合地基承载力标准值为210 kPa，压缩模量为1.58 MPa。综上所述，可得出如下结论：该场地复合地基承载力标准值可采用210 kPa，压缩模量可采用1.58 MPa。

4 实验成果

2个5 000 m3浮顶油罐4个1 000 m3浮顶油罐建设过程中，经过充水试压，基础沉降基本稳定，建成投入使用后，经过4个多月的监测，最大沉降为18 mm，对径点最大差异沉降为8 mm，罐基础最大锥面坡度变化为0.5%，均满足设计要求，地基处理问题也已经解决。所以采用振冲碎石桩和强夯置换碎石桩对处理围堤填海的复杂场地。建造大中型油罐是成功的。这也是设计，建设单位，勘察，施工等多个单位通力合作的结果。取得了较大的经济效益和社会效益。

附件一：

采用重型动力触探法在振冲处理场地共进行 4处桩体及4处桩间土检测，动触试验统计见表1。

采用重型动力触探法在强夯处理场地共进行 8处桩体及8处桩间土检测，动触试验统计见表2。

根据每个试验点的瑞利波速度计算出该试验点各层间的瑞利波速度，由各试验点的分层瑞利波速度统计计算出场地分层的瑞利波速度平均值，由场地瑞利波速度计算出场地分层的承载力值，见表3。

本次检测共进行瑞利波测试44点，瑞利波检测点位置见表7。

表1 振冲场地重型动力触探统计表Table 1 Heavy dynamic sounding statistical data in vibroflotation site

表2 强夯场地重型动力触探统计表Table 2 Heavy dynamic sounding statistical data in dynamic compaction site

表3 强夯场地碎石桩瑞利波试验成果表Table 3 Result of rayleigh wave test for detritus piles in dynamic compaction site

表4 强夯场地桩间土瑞利波试验成果表Table 4 Result of rayleigh wave test for soil between piles in dynamic compaction site

表5 振冲场地碎石桩瑞利波试验成果表Table 5 Result of rayleigh wave test for detritus piles in vibroflotation site

表6 振冲场地桩间土瑞利波试验成果表Table 6 Result of rayleigh wave test for soil between piles in vibroflotation site

表7 振冲及强夯碎石桩承载力标准值及对应沉降量表Table 7 The bearing capacity nominal value ofvibro-replacement and dynamic compaction detritus pile and the corresponding settlement

地基静载荷试验采用堆重反力结构。用安装在500 kN千斤顶上的压力表监测施加的竖向荷载，用两块大量程（300 mm）位移百分表同时测读承压板在竖向荷载作用下的位移。

本次试验采用0.5 m2的圆形承压板。

本次检测共进行地基静载荷试验4点7。

根据现场试验记录，经整理计算后输入计算机，由计算机绘制出振冲及强夯碎石桩静载荷试验 p-s曲线。根据试验曲线，得出振冲和强夯碎石桩承载力标准值及对应沉降量，见表7。

［1］JGJ79-2002，建筑地基处理技术规范[S].

［2］JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].