CFG樁在儲罐地基處理中的試驗研究

戰永亮，孫秀竹

（中國石油大學儲運與建筑工程學院，山東 青島 266555）

0 引言

在軟土地基上建造大型儲罐的主要問題[1]是，地基壓縮層內土的強度低，承載力不足，變形大，造成基礎出現較大沉降。如前期不對這類地基進行加固處理，儲罐基礎會發生較大的沉降以及不均勻沉降，甚至會造成地基局部失穩破壞，直接影響儲罐頂蓋的浮升和降落，造成連接管道處的斷裂等事故。國內處理儲罐地基的方法很多，優缺點各不相同，CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）復合地基處理儲罐地基在東營地區尚屬首次。由于地基處理地域性經驗較強，CFG樁復合地基是否適合東營地區，是本次試驗研究主要探究的問題。

1 工程概況

1.1 概況

勝利石油管理局擬建東營原油庫1號罐，擬建場地位于東營市西城區濟寧路以南，西三路以東。地基處理利用CFG樁復合地基，樁長16 m，樁徑400 mm，間距1600 mm，三角形布置，共1393根樁。1號罐為鋼制浮頂罐，罐容積為5萬m3，罐直徑60 m，罐壁高19.35 m。罐體基礎采用混凝土環墻式基礎，環墻高1.8 m，寬0.55 m。

1.2 地質情況

場地地質屬于黃河三角洲沖積平原，除部分場地表層為雜填土和淤泥外，所揭露地層均由黃河三角洲第四紀新近沉積和一般沉積的黏性土、粉土及砂土構成。勘察報告提供的各層土的物理力學指標見表1。

1.3 儲罐地基處理方案

本工程地基處理方案采用CFG樁復合地基。CFG樁是在沉管碎石樁的基礎上摻入適量石屑、粉煤灰和少量水泥加水拌和后制成的一種樁體。CFG樁復合地基由樁、樁間土及褥墊層3部分構成，其加固機理為褥墊層受上部基礎荷載作用產生變形后以一定的比例將荷載分攤給樁及樁間土，使二者共同受力。同時土體受到樁的擠密而提高承載力，而樁又由于周圍土的側應力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一個復合地基的受力整體，共同承擔上部基礎傳來的荷載。該處理技術適用于砂土，松散填土，粉質黏土，淤泥質黏土等地質條件；工藝性能好，灌注方便，能大大縮短工期[2]。

表1 土層物理力學性質指標

2 充水預壓監測及結果分析

地基處理完成后，經過復合地基靜荷載試驗驗證，地基承載力得到了提高并能滿足強度要求。為了進一步有效地控制地基的穩定，減少地基不均勻沉降，還需對復合地基進行充水預壓加固[3-4]。本次試驗對東營原油庫1號罐進行了地基土壓力觀測及環墻基礎的沉降觀測，測點布置見圖1。試驗充水加荷時間為22 d，最大加荷值207.4 kPa，恒載時間21 d，放水卸荷時間21 d，共計64 d。

圖1 環墻基礎豎向位移測點及地基土壓力觀測點位置圖

2.1 地基土壓力觀測及樁土荷載分擔比分析

在CFG樁的樁頂標高處沿儲罐半徑方向共布置7個觀測點，分別位于儲罐基礎中心處1個、1/2半徑處3個、環墻底部3個。每個觀測點分別在CFG樁樁頂，1/2樁間距及1/4樁間距處樁間土表面埋設1個土壓力計。土壓力計埋設位置見圖1。

1）地基土壓力觀測。本次試驗實測樁頂、樁間土處應力隨荷載時間變化曲線見圖2。

通過分析加荷卸荷-基底應力曲線可以得到：樁頂及樁間土的應力變化曲線與加荷曲線形狀基本一致，且增加幅度變化趨勢基本一致，說明樁頂及樁間土在加荷過程中不存在應力滯后問題；隨著荷載增大，基底應力不斷增大，總體來看樁頂處應力最大，1/4樁間距處應力次之，1/2樁間距處應力最小；應力增幅也是樁頂的最大，1/4樁間距處次之，1/2樁間距處最小；實測曲線中顯示在恒荷階段后期，樁頂和1/4樁間距處應力略有增加，而1/2樁間距處應力略有降低，這是隨著樁間土的壓縮變形，應力不斷向樁頂轉移的結果。

2）樁土荷載分擔比分析。由樁土應力可以計算出樁土的荷載分擔比，本次試驗得到的樁土應力比及樁土荷載分擔變化情況見圖3。

通過對樁土應力比曲線及樁土荷載分擔比曲線分析可以總結得出：加荷初期階段，褥墊層在較小荷載作用下壓縮變形，樁端無刺入，表現出樁土應力比不大，樁間土先于樁體發揮承載力；當荷載進一步增加，隨著樁間土的壓縮變形樁頂承擔荷載逐漸加大，最終超過樁間土；恒荷階段樁間土（1/2樁間土處）承擔的荷載穩定在100 kPa左右，而樁頂荷載已達2200 kPa左右，CFG樁承擔的荷載約占60%，樁間土承擔荷載占40%；卸荷后，樁土荷載分擔比迅速恢復到加荷前的水平。說明在CFG樁復合地基中，褥墊層-樁土相互作用發揮充分，CFG樁的樁體作用也比較明顯。

2.2 環墻基礎沉降觀測及結果分析

為了研究CFG樁復合地基在儲罐實際荷載作用下的工作情況，在充水試壓期間對1號罐地基基礎進行了現場沉降觀測。測點的平面布置見圖1。

1）最終沉降分析。儲罐在充水加荷卸荷時，環墻豎向位移與儲罐荷載之間的變化情況，荷載-時間-豎向位移關系曲線見圖4。從圖4中看出，沉降隨荷載增加而逐漸增大，當荷載達到最大并恒載時，沉降仍隨時間而緩慢增大，并趨向穩定。罐周24個觀測點最大沉降值見表3。

圖2 各測點應力隨時間變化曲線

圖3 樁土荷載分擔比分析曲線

圖4 荷載-時間-沉降曲線及荷載-時間-沉降速率曲線

表3 儲罐環墻各測點最大沉降值mm

通過充水預壓現場實測沉降，可以推算儲罐地基沉降穩定后的最終沉降。按SH/T 3123-2001《石油化工鋼儲罐地基預壓監測規程》，采用指數曲線擬合法推算地基最終沉降量：

式中：S1，S2，S3為地基固結時間段內的3個沉降量，分別為荷載-時間-沉降關系曲線中與t1，t2，t3對應的沉降值，mm；t1，t2，t3分別為加載停止后從零算起的3個歷時時間，d。

經計算，環基最終沉降量推算值S∞為132.6 mm。經過22 d加荷21 d恒載后，罐周平均固結度為98%，固結相當快，這主要是因為采用了剛性樁復合地基，控制了加固體范圍內的變形。

儲罐環墻沉降隨荷載增加而逐漸增大，當荷載達到最大并維持恒載時，沉降仍隨時間而緩慢增大，并趨向穩定。放水卸荷后，豎向位移回彈9.4 mm，回彈率7.2%。荷載-時間-豎向位移關系曲線見圖4。

充水預壓初期，平均沉降速率變化不大。當充水至107.2 kPa時，平均沉降速率急劇增大，此時樁間土受力沉降；當荷載接近恒載時，平均沉降速率達到最大值14.5 mm/d；恒載后，沉降速率急劇減小并趨于穩定。從圖上看出，沉降反應比荷載變化滯后2 d，也即應力傳遞需要2 d時間。這是在以后的充水預壓沉降監測中特別需要注意的。需要對地基沉降發展提前兩天判斷，若出現沉降發展過快，雖未超過規范允許值，也應及時停止加荷，加強觀測，以避免地基失穩事故的發生。

2）不均勻沉降分析

儲罐環墻基礎的變形分析主要從控制環基的平面傾斜和非平面傾斜兩方面考慮。從環基的沉降投影及沉降展開圖可以看到整個環墻邊緣沉降值的變化情況，從而判斷儲罐是否發生傾斜或者扭曲，是否對儲罐安全構成威脅。1號儲罐不均勻沉降分析見圖5。

圖5 環基不均勻沉降分析圖

罐周19號觀測點沉降量最大，為173.8 mm，12號觀測點沉降量最小，為103.9 mm。任意直徑方向最大沉降差為50.3 mm（6號與18號方向），平面傾斜為50.3 mm，滿足設計對浮頂罐平面傾斜小于0.004 D=240 mm的要求。罐周邊相鄰觀測點的最大沉降差為15.8 mm（15號與16號之間），=0.0021<0.0025，滿足要求。

從儲罐環墻最大沉降觀測點與其徑向對應觀測點的差值變化可以看出環基平面傾斜的發展趨勢。根據7號觀測點與19號觀測點的沉降曲線可以看出，兩點的沉降在卸荷前已經趨于穩定，因此，儲罐基礎的平面傾斜也基本穩定，不會繼續向不利的方向發展。從最大沉降觀測點與最小沉降觀測點的差值變化可以看出儲罐基礎非平面傾斜的發展趨勢。根據12號觀測點與19號觀測點的沉降曲線可以看出，兩點的沉降在卸荷前已經趨于穩定，因此，儲罐基礎的非平面傾斜也基本穩定，不會繼續向不利的方向發展。這兩者也是非常重要的控制儲罐充水加荷的控制指標，是判定儲罐地基是否安全和是否對儲罐本身造成破壞的關鍵性指標。

3 結論

1）東營原油庫50000 m3儲罐，充水預壓期間土壓力測試結果表明：恒載時CFG樁承擔的荷載約為60%，而樁間土承擔荷載為40%；卸載后，樁土荷載分擔比迅速恢復到加荷前的水平。說明在CFG樁復合地基中，CFG樁的樁體作用明顯。

2）充水預壓沉降觀測結果表明：充水預壓的危險階段出現在充水預壓即將達到恒載時，同時沉降反應比荷載變化滯后2 d，必須加強監測及預測。

3）儲罐環墻最大沉降觀測點與其徑向對應觀測點的差值變化及最大沉降觀測點與最小沉降觀測點的差值變化在卸荷前均已經趨于穩定，說明儲罐雖然發生一定程度的平面傾斜與非平面傾斜，但加荷穩定后，不會繼續向不利方向發展。

綜上現場檢測結果和試驗數據表明，在東營地區利用CFG樁復合地基處理儲罐基礎具有較好的技術經濟效果和社會效益。

[1]孫曉前.盤錦地區大型石油儲罐地基處理及設計優化[D].大連：大連理工大學,2001.

[2]李少和,易發成.CFG樁復合地基的基本原理及工程應用[J].西部探礦工程，2005（9）：19-21.

[3]隆威,陳剛,曹增國.大型油罐剛性樁復合地基基礎的試驗研究[J].巖土工程界，2000（10）：26-28.

[4]潘林有,謝新宇.用曲線擬合的方法預測軟土地基沉降[J].巖土力學，2004（7）：1051-1058.

[5]SH3068-95，石油化工企業鋼儲罐地基基礎設計規范[S].

[6]SH/T3123-2001，石油化工鋼儲罐地基充水預壓監測規程[S].

[7]龔曉南.復合地基理論及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.