振冲法加固大型储罐软土地基的工程实践

左亚锐

诚通企业管理（北京）有限公司（外包至中国石油工程建设有限公司），北京 101399

阿尔及利亚某炼油厂位于该国SKIKDA工业区内，整个厂区坐落在地中海南岸的一盆地内，厂区内的储罐群由16座储罐组成，其中最大的储罐罐容为36 600 m3，罐体采用钢制焊接浮顶的结构形式，罐直径52 m，罐高21.40 m，采用钢筋混凝土环墙基础。根据工艺要求，储罐底面高出地面1 m。储罐底面荷载为225 kN/m2，由于天然地基的承载力只有130 kN/m2，因此，需要对地基进行处理。

该建设场地的地基土属于第四系滨海相沉积与冲洪积的软弱黏性土及粉细砂、含淤泥质黏土等，基岩埋深大于48 m。在勘探深度范围内，自上而下地层分为7层：①肥沃黏土：呈软塑～可塑状态，属高压缩性土，平均厚度2.63 m；②中粗砂：级配不良，分选较差，饱和，松散～稍密状态，中等～严重液化，平均层厚3.40 m，该层夹有黏粒含量较高的饱和粉砂，且为2层；③肥沃黏土：可塑～硬塑状态，中高压缩性土，平均厚度5.75 m；④肥沃黏土：由上而下呈软塑～可塑状态，部分呈流塑状态，高压塑性土，欠固结，有机质含量较高，平均厚度21 m，该层含有5层粉细砂夹层；⑤肥沃黏土：呈可塑～硬塑状态，属中压缩性土，该层中部一般夹有1～2层粉细砂透镜体，平均厚度41.59 m，该层大部分未揭穿；⑥黏土质圆砾：岩性不均匀，含大量的砾石及砂粒、铁锰结核等，磨圆中等，呈浑圆状，粒径2～50 mm，层状分布，呈饱和、中密状态，该层大部分未揭穿或未揭露，在已揭穿的钻孔中，厚度平均1.47 m，该层主要分布在第⑦层基岩风化带顶部，为冲洪积成因，砾石的成分为下伏母岩的风化产物；⑦基岩：强度高，压缩性极低，并且桩不进入该层。

1 地基处理方案的选择

选择在软土地基上进行大型储罐建造，产生较大沉降和不均匀沉降的情况时有发生，甚至地基有可能发生局部破坏和整体滑动，导致储罐无法使用。因此大型储罐对罐基础的变形限值进行了严格的规定（见表1）[1-2]，而地基应能够满足罐基础变形限值的要求。

表1 储罐基础变形限值

根据地质和土的物理力学性质及原位测试的成果，储罐主要持力层为①～④层，其中除第②层为可液化的饱和砂层外，①、③、④层均为软弱的肥沃黏土，具有含水量高、天然强度低、超过液限、压缩性高、抗剪强度低、承载力差等特性，储罐的承载力和沉降要求均无法满足。

在如此软弱的地基上建造大型储罐，在该国还是首次。阿尔及利亚国家实验室提出了采用桩基和换填堆载预压的地基处理方式。由于软弱土层厚度大，桩基施工难度大，造价高；堆载预压[3]虽然是处理软土地基的一种有效方式，但由于完成固结和沉降的时间长，工期难以保证。根据储罐的要求、土质分析以及以往工程实践，经过方案论证和比选，提出了采用振冲碎石桩辅以充水预压的方式对储罐地基进行综合处理。

本工程采用的振冲碎石桩能够达到的效果和作用如下：一是减少沉降量，通过碎石桩的置换原理形成复合地基，大幅度提高地基的承载力和地基的整体性；二是消除液化，通过振密原理消除第②层可液化的砂层；三是提高地基土强度，在储罐充水预压试验过程中，利用碎石桩作为地基的竖向排水通道，将饱和软黏土空隙中的水挤压排出，使地基在上部荷载的逐渐作用下，慢慢发生固结变形，最终提高地基土的强度，以满足设计要求。

2 振冲碎石桩加固地基的原理

为了能够减少储罐沉降和不均匀沉降，有效消除在地震作用下的砂土液化，在软弱的地基中选择打入一定数量的碎石桩，通过碎石桩对原地基土的置换，促使碎石桩和桩间土发生变化形成复合地基，大幅度提高地基整体的承载力，这是振冲碎石桩加固地基的根本原理。

碎石桩主要是加固饱和软黏土，起到土质置换作用。由于碎石桩的桩体强度远大于周围土质，地基中的应力会根据材料变形模量重新分配，碎石桩承担了大部分载荷，利用碎石桩的桩体强度有效地解决了复合地基的承载力问题，同时碎石桩的桩间土具有约束效应，也会间接提高碎石桩的强度。另外，在碎石桩施工过程中，水平方向的振动会使桩体对地基土产生一定的挤压密实作用，使桩间土强度提高，根据大量的工程试验结果，处理后的地基承载力一般可达200～300 kPa[4]。对于碎石桩没有穿透的较厚软弱土，也会因为碎石桩的进入从而形成复合地基，起到地基整体的垫层作用。而对储罐地基进行充水预压，碎石桩还将承担竖向排水作用，可加速土层固结，这样储罐所引起的沉降即可大大减少，从而使土层在使用荷载下的变形大为减少。

3 振冲碎石桩加固地基的设计

通过对原有地基的加固处理，使复合地基承载力特征值达到fspk≥225 kPa，沉降值和差异沉降值符合储罐基础变形限值，满足储罐对地基承载力以及对沉降和差异沉降的要求，这是本工程加固地基的主要目的。

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3.1 设计原则

根据浮顶储罐的特性和储罐所在场地的地质条件，地基加固处理面积要大于储罐基础面积，一般要扩大至储罐基础边缘外2～4排桩，结合本工程36 600 m3浮顶油罐所在场地的位置条件，地基加固处理面积选择扩大至储罐基础边缘外3排桩。

布桩形式采用等边三角形布置，桩径1000mm，根据变形控制的要求以及排水固结的需要，确定桩端进入第④层肥沃黏土，由于罐中心区域沉降量相对外围区域大，罐中心区域的桩长为23 m，外围区域桩长为18 m。

3.2 桩距的确定

面积置换率不但决定复合地基承载力的大小，而且是表示桩间距的一个指标。为使碎石桩的设计达到最优化，选择恰当的值是设计关键。面积置换率m是桩的断面面积与其影响面积之比，一般表示为：

式中：d为桩的直径；de为桩分担的处理地基面积的等效圆直径，对于等边三角形布桩，de=1.05 s，s为桩间距。

确定值一般根据规范[5]：

式中：Esp为复合土层压缩模量；Es为桩间土压缩模量；n为桩土应力比。

黏土的桩土应力比受桩体材料、地基土性、桩位布置、桩间距以及施工质量影响较大，其应力比n值不是一个常数，根据国内外工程实际的桩土应力比实测值，最大为6，最小为1.4，一般为2～5[3-6]。由于桩土应力比的变化范围较大，而且在设计初期无法取得实测数据，因此根据经验资料计算出来的数值差异较大。

为了确定值的合理性，根据单桩承载力特征值、处理后的桩间土承载力特征值、复合地基承载力特征值，计算得出值。以36 600 m3浮顶储罐为例，根据规范[5]，复合地基承载力特征值计算用以下公式：

通过计算得出，36 600 m3浮顶储罐对地基承载力的要求为fspk≥225 kPa，因此fspk≥225 kPa即为复合地基承载力的特征值；根据综合单桩极限承载力法和类似工程实例，fpk值取450 kPa；选择地基处理前的天然地基承载力特征值进行替代，fsk值取130 kPa。由式（3） 计算得出：m=0.297；由式（1） 计算得出：de=1 835 mm；根据式de=1.05 s计算得：s=1 748 mm，取s=1 750 mm。储罐基础平面布置见图1。

图1 储罐基础平面布置

3.3 变形计算

根据国家GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》的有关规定，对复合地基的变形进行计算得出，对于处理前的地基沉降量，罐中心为-2.626 m，罐边缘为-1.375 m；对于加固处理后的复合地基最终沉降量，罐中心为-1.015 m，罐边缘为-0.614 m；对于充水预压期间完成的沉降量，罐中心为-0.717 m，罐边缘为-0.367 m；对于充水预压后的剩余沉降量，罐中心为-0.298 m，罐边缘为-0.247 m（小于0.30 m）；锥面变形为0.998。变形计算结果满足储罐运行要求。

4 施工工艺

振冲碎石桩加固地基的工艺首先是使用振冲器水冲成孔，待造孔至设计深度时进入清孔阶段，反复提升下放，使之达到预定的直径和清理掉孔中泥浆的目的。清孔后，将一定级配的碎石填入孔内，再用振冲器振密碎石，反复填料、振密直至形成碎石桩。见图2。

图2 振冲碎石桩施工工艺示意

结合本工程的实际情况，采用了75 kW的振冲器，密实电流为90 A，留振时间为10～20 s。碎石料采用40～70 mm和25～40 mm两种粒径的碎石，填料充盈系数为1.2～1.4。施工顺序由罐中心向罐边缘施工，并采用跳打的方式，防止邻桩的扰动。36 600 m3浮顶储罐共成桩1 189根，其中中心区域217根，桩长23 m，外围区域972根，桩长18 m。

在桩施工完成之后，储罐基础施工之前，应将松散的桩头清理干净，并进行机械碾压，随后铺厚度为400 mm的碎石垫层，其压实系数≥0.95。

5 试验与效果评价

试验区域：储罐周边的试桩区。试验时间：成桩3周之后。试验对象：选取5个具有代表性的桩位。试验方法：按照JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》附录A规定[5]进行单桩复合地基载荷试验，采用直径1.85 m的压板，荷载按照设计荷载的2倍加载。试验结果见表2。从表中试验结果可知，复合地基承载力特征值和变形模量均符合设计要求。

表2 单桩复合地基载荷试验结果

成桩40 d后采用静力触探对加固后的桩间土进行了检测，在有代表性的位置选取4个点测试，对这些试验数据进行了分层数理统计，测试结果及与加固前的静力触探资料对比见表3。

表3 地基土处理前后静力触探试验成果对比

振冲碎石桩的地基处理施工方法虽然会对黏性土扰动较大，且恢复较慢等，但从上述比较结果可知：以黏性土为主的①、③、④层桩间土，在静力触探检测时，桩间土的强度将会进一步恢复提高；而对于以砂土为主的②层桩间土，取得的效果非常显著，经过振冲碎石桩对砂土的振密，消除了砂土液化，提高了地基土强度。

储罐主体建成后，利用储罐的充水试验进行了预压，预压完成后，实测罐周的最终沉降量为-0.63 m，剩余沉降量小于0.30 m，充水61 d后的固结度超过80%。

6 结束语

振冲碎石桩加固大型储罐地基处理的工程实践，证明了该方法应用于软土地质条件是可行的，能够有效地提高地基土承载力，减少沉降和不均匀沉降，而且消除了地震时砂土的液化，加固效果显著，可以满足设计要求。该方法具有施工简便、设备机具投入少、施工进度快、工程造价低、成桩质量便于控制等优点，推广应用前景良好。由于振冲法的设计目前还处在半理论半经验状态，从本工程实践总结出的碎石桩与充水预压综合处理大型储罐软土地基的经验，可供类似地质条件下的工程借鉴。