強夯技術及碎石環梁在超大儲罐地基處理中的應用

陳 宇，張雪生

中國石油工程建設公司，北京 100120

0 引言

原油戰略儲備是世界各國維持和推動經濟發展的必然途徑，超大型儲罐及罐區建設是原油儲備不可缺少的重要手段。選擇濱海區域建設超大型罐區經濟上有極大優越性，因此對濱海灘涂沖積地區地基進行處理以適應罐區建設地基要求已經廣泛應用于國內外基礎設施建設中。

阿布扎比原油管道項目設計輸送能力約20.5萬t/d（150萬桶/d），其中10座16萬m3的原油儲罐是項目的重要組成部分。單個罐體基礎直徑130m，僅各類石材用量約400萬m3，近1 000萬t。針對工程現場復雜的地質結構，經過反復論證，采用了將強夯技術及碎石環梁用于超大型儲油罐地基處理的方案。

1 地基處理方案及儲罐基礎形式比選

1.1 地基處理方案比選

根據場區地質詳細勘察報告，儲罐基礎座落于第四紀沖、洪積層上，土層厚度大于5 m，地基承載力136 kPa?；A高度5.3m，回填材料密度按2.4 t/m3計算，地基需承擔約127 kPa的回填材料重力，根本無法承擔儲罐及其儲存原油的重力，也無法滿足罐基礎的沉降控制要求，因此罐基礎地基需進行處理。根據現場條件，綜合比較樁基礎處理方案、振沖地基處理方案、強夯地基處理方案發現，樁基礎及振沖處理方案工程造價高且施工周期長，無法滿足項目需要。

強夯法加固地基是基于動力壓密理論，即用沖擊型動力荷載使土體中孔隙體積縮小，土體密實，承載力提高。其施工方法是將一定質量的錘從一定高度自由落下，其動能在土體中轉化成沖擊波和高應力，壓縮土體從而提高地基承載力，而且改善其抵抗振（震）動液化的能力，提高土層的均勻性，減少施工后差異沉降[1]。強夯法處理地基具有加固效果顯著、設備簡單、施工方便和節省材料等優點。對于本項目來說，采用該法進行加固，經濟適用且施工時間短。將現場罐區內的一座小山體爆破以生產大量的碎石用于場地平整，將這些碎石進一步破碎、篩分后，可用于罐基礎的回填、夯實，可以節省大量的資金。首先進行試夯以獲取數據確認是否能夠滿足儲罐對地基承載能力和沉降的要求，再根據試夯結果確定強夯處理方案。強夯方案制訂及施工由法國M enard公司實施。

1.2 儲罐基礎形式比選

本項目設計的罐基礎形式為碎石環梁罐基礎，即國內規范中的護坡式罐基礎。在罐基礎常規設計中，多采用環墻式基礎，但對本項目來說，碎石環梁式基礎要優于混凝土環墻式基礎。其一，碎石環梁式基礎可充分利用為平整場地而爆破山體所獲得的材料，經過破碎、篩分、級配混合、加水混合攪拌后，鋪設碾壓，既達到設計要求，又節省資金，節約時間。其二，該罐體直徑110m、高21.7m，基礎頂標高高出罐區地坪1.85m。罐壁下圓周長345.4m，如采用環墻式基礎，則需預留8道后澆縫。假設環墻埋深1.2m、寬度0.8m，則需要843m3混凝土，而且還有大量的開挖基槽、鋼筋綁扎、模板支護等工作量，施工周期相對較長[2]，施工質量難以保障。另外環墻內部仍需分層碾壓，而環墻的存在會使得邊緣部分碾壓不充分。在充水試壓和設備使用階段，較大的頂部線性荷載作用在較長的混凝土環墻上，在地基不均勻沉降的情況下，極易使其產生扭曲變形，進而產生裂紋。而碎石環梁罐基礎可以有效地避免上述問題。

2 強夯法地基的實施處理

2.1 強夯法地基處理試驗

2.1.1 強夯施工試驗區選擇

根據現場儲罐位置的實際地質情況，確定了三個試夯區，分別稱為DCT1、DCT2和DCT3。

DCT1：將表層土開挖清除至原狀土層，回填砂石材料至地上2.0m；土層剖面如圖1所示。

圖1 DCT1土層剖面

DCT2：在原有地面上直接回填砂石材料至地上2.0 m；土層剖面如圖2所示。

圖2 DCT2土層剖面

DCT3：在原有地面上直接回填砂石材料至地上2.0 m；土層剖面如圖3所示。

2.1.2 試夯工藝參數

根據承擔該施工項目的強夯公司的設備能力，采用25 t重錘，落距20m，每一夯擊能量為5 000 kJ。試夯區域尺寸為40m×40m，夯點間距為8m，分兩個階段夯實，前后兩次夯點對角線距離為5.66m。試夯區夯點布置如圖4所示。

圖3 DCT3土層剖面

圖4 夯點布置示意/m

根據地層剖面，可以知道DCT1和DCT2的地層處理深度H為5.5 m，對DCT1選擇處理能量E為250 kJ/m3，DCT2選擇處理能量350 kJ/m3，DCT3地層處理深度9.0m，選擇處理能量350 kJ/m3。強夯設備每次夯擊能量為5 000 kJ，處理面積為32m2。需要的夯擊數N可以根據以下公式計算得出。

根據計算，DCT1每一夯點夯擊10次；DCT2每一夯點夯擊12次；DCT3每一夯點夯擊20次。全部夯點分兩階段夯實。

2.1.3 試夯結果分析

夯前試驗是在回填碎石前，在試夯區原始地面進行的；夯后試驗是在夯實施工完成后形成的的平臺頂面進行的。錐體貫入度試驗（CPT）的目的是確定土壤的原始情況和強夯后的情況；旁壓試驗（PMT）的目的是確定夯實前后地質力學性能的改變。通過夯前及夯后試驗結果對比來評價強夯效果。

通過對比DCT1夯前、夯后的CPT試驗曲線，表明強夯處理的影響深度只達到第2層土，第3層土的地質條件未被改善，這表明換土層深度仍需加大，另外強夯能量也需提高。對夯前、夯后的PM T試驗曲線進行對比，表明0.0m以上的土層的地基承載力和壓縮模量都有大幅增長，但3層及3層以下土層地質條件未有改善。

通過對比DCT2夯前、夯后的CPT試驗曲線，表明底部土壤的地基承載力在夯后有了顯著改善，說明強夯處理深度達到試驗所要求的5.5m以下。對夯前、夯后的PM T試驗曲線進行對比，表明地下土壤各層的地基承載力和壓縮模量都有大幅增長，說明地質條件經強夯后有了顯著改善。

通過對比DCT3夯前、夯后的CPT實驗曲線，表明強夯后第1、2、3層土有了明顯改善，但第4層土只處理到-2.5m處，說明采用5 000 kJ的能級無法達到試驗要求處理的深度。通過對夯前、夯后的PM T試驗曲線對比，表明地基承載力和壓縮模量都有顯著提高。

Menard公司采用有限元模擬方法對大罐沉降進行模擬計算，包含了Mohr-Coulombd的Elasto-plastic模型。該模型的輸入參數為220 kPa均布載荷、現有土層及地表以上回填土夯后的性能參數等；模型輸出為大罐基礎的沉降數據。將試夯后試驗結果作為模型輸入數據進行有限元計算，得出的沉降數據滿足項目要求。因此通過試夯表明，采用強夯方法處理地基可以達到設計對地基的承載力和沉降要求。同時表明采用25 t夯錘、落距20 m，每夯擊能量5 000 kJ的設備，處理深度為7m。對于處理深度大于7m的罐區，則需采用35 t夯錘，落距20 m，每夯擊能量7 000 kJ的設備。另外DCT1強夯試驗表明，第3層泥砂層不適合強夯處理，需要清除。

2.2 強夯施工工藝及結果分析

2.2.1 強夯施工方案

根據試驗結果和地勘報告，對罐基礎采用以下地基強夯施工工藝：

（1）罐基礎地基處理區直徑為130m，先將處理區域地下不適合土清除，回填滿足規范要求的級配碎石至地面標高。

（2）回填碎石料至絕對標高5.0m（地上2m左右），攤平后夯實。對于處理深度大于7m的罐基礎采用35 t夯錘，夯點間距為10m，分3個階段夯實，每點夯擊次數為12擊；其他罐基礎采用25 t夯錘，夯點間距為8m，分2個階段夯實，每點夯擊次數為12擊。

（3）夯實施工完畢后，推平夯坑，回填碎石料至絕對標高6.5m，攤平后一次夯實完畢。對于處理深度大于7m的罐基礎采用35 t夯錘，夯點間距為5m，每點夯擊次數為10擊；其他罐基礎采用25 t夯錘，夯點間距為4m，每點夯擊次數為10擊。

2.2.2 夯后試驗及模擬計算分析

采用旁壓試驗（PMT）及靜力載荷試驗（PLT）檢測強夯效果。根據D60 AN規范用PMT數據計算土壤楊氏模量[3]，可以分別得出強夯后壓實平臺楊氏模量，該楊氏模量作為罐體沉降模擬計算的一個輸入參數。表1為其中一個罐基礎模擬計算結果（在220 kPa的均布載荷條件下）及API650的沉降要求。比較表1中數據可以看出，強夯效果滿足標準要求。

表1 罐基礎沉降要求及模擬計算結果

PLT用于頂層強夯施工驗收，參照標準為ASTM 1194-1994。PLT的載荷為250 kPa，所用平板直徑為0.6m[5]，驗收標準如下：變形模量Ev1≥45 MPa，變形模量Ev2≥80MPa，Ev2/Ev1≤2.5。每個罐基礎載荷試驗數量為8個，試驗結果全部滿足驗收標準要求。

3 碎石環梁罐基礎

碎石環梁罐基礎是用一定級配、一定粒徑范圍的砂石摻水充分混合，控制其含水量在5%～8%之間，攤鋪碾壓而成，每一層碾壓后的厚度控制在300 mm左右。所謂碎石環梁是指在碾壓過程中，先在設計的罐壁周長線位置（以下簡稱罐周長線）碾壓出一圈環形碎石基礎，使其壓實密度優于環梁內區域。防滲膜鋪設完畢后，再逐層回填碾壓內部區域，最后達到設計要求的基礎形式。儲罐基礎施工還包括排污管、土工膜、土工布的鋪設，瀝青混凝土層的施工等。

3.1 回填材料要求

碎石環梁基礎壓實效果的好壞首先取決于回填材料，因此必須保證回填材料滿足要求?；靥畈牧系募壟湟笕绫?所示。

3.2 碎石環梁罐基礎施工

表2 回填材料的級配要求

碎石環梁罐基礎的施工以鋪設地膜層為界分為兩個階段。第一階段共分6層施工，這一階段將罐周長線下環梁區域碾壓成型；待地膜層鋪設完畢后，進行第二階段共5層的施工。

第一層和第二層：壓實厚度均為300mm，無其他工作內容。

第三層：壓實厚度250mm。該層在壓實施工完畢后需開挖排污管溝并埋設管道。管道空間位置應在第二層范圍內，但因管道為高密度聚乙烯材料，在第三層回填碾壓時易造成損壞，因此將該工序安排到第三層碾壓完成后進行。

第四層：從第四層開始，逐漸將罐周長線板下環梁碾壓成型。第四層分兩部分回填，環梁部分是從罐周長線兩側各寬出5.275m，厚度300mm，碾壓成一環形錐臺；內部是從罐基礎中心向外回填碾壓，中心點厚度300mm，表面坡度1.2%。

第五層：第五層也是分兩部分回填，環梁部分是以罐周長線為中心，兩側各寬出5m，中心厚度200mm，從中心圓向內、外兩個方向坡度1.5%，以滿足地膜層的施工坡度要求。內部是以基礎中心為圓心，中心點厚度300 mm，坡度為1.2%。因環梁處該層頂部需要鋪設地膜層，為防止碎石損壞地膜，該層采用最大粒徑≤15mm的回填材料。該層碾壓完畢后，需清除罐基礎邊緣多余的回填部分，還需在環梁位置開挖清掃孔下預制梁的安置坑，為下一步地膜層的施工做準備。

第六層：該層厚度300mm，坡度1.5%。該層碾壓完畢后需開挖環梁內側環形管溝，以安置基礎內污油污水收集管，以及罐底收集桶安置坑。罐底收集桶安置坑的開挖是因為罐底本身帶的收集桶底標高在地膜層以下，所以需把收集桶處的地膜標高降到坑底標高以下，避免其穿透地膜層。這些工作結束后需清理面層表面，將表面的小石子清理干凈，為下一步地膜層的施工做準備。

前述六層施工完畢后，罐基礎第一階段施工完畢，開始鋪設地膜層。地膜層由2mm厚高密度聚乙烯土工膜和土工布保護層組成。土工膜施工完畢后需做接縫焊接處的氣密性試驗、接縫拉伸試驗、接縫電火花試驗，以確保地膜層的施工質量。

第七層：該層圓心處回填厚度300mm，邊緣處與碎石環梁頂平齊。

第八層：該層在環梁上壓實厚度為200 mm，在基礎內部是以罐基礎中心為圓心，邊緣與環梁處回填高度平齊的圓錐體。

第九層：該層為環梁上200mm厚瀝青混凝土，分兩層施工，每層100mm厚。該層施工前需噴涂一層粘合滲透劑，使土層和瀝青混凝土層很好地粘合，粘合劑噴涂完畢后需24 h方能施工瀝青混凝土層。該層施工時需注意在每層瀝青混凝土壓實完畢后，在瀝青混凝土冷卻硬化前，將罐清掃槽處的瀝青混凝土清除掉，然后回填同樣厚度的工程材料并壓實，為后期清掃槽施工做準備。雖然清掃槽施工是在罐體安裝完畢后進行，但提前做好準備工作，可避免到時混凝土完全硬化致使清除困難的問題發生；也可避免罐體施工完畢致使工作面窄小，開挖時易損傷罐體的事情發生。

第十層：圓心處厚度200mm，邊緣處與瀝青混凝土頂面平齊，坡度1∶120。該層為瀝青砂層下的最后一層，因此應對表面的平整度和坡度嚴格要求。該層需開挖收集桶安置坑，開挖時要注意避免損壞地膜。收集桶定位后灌注混凝土將其固定，灌注混凝土前在收集桶內放置重物，以增加其重量，避免混凝土將其頂起。另外灌注混凝土時分2次灌注，第一次到桶的1/3高處，待混凝土初凝后再將剩余部分灌完。灌注混凝土時應沿桶邊均勻灌注，避免一側混凝土過多將其頂偏。

第十一層：該層為50mm厚瀝青砂層。該層在施工前需要噴一層粘合滲透劑，在噴涂后24 h方可鋪設瀝青砂。瀝青砂層在環梁處要求水平，從圓心到環梁邊緣要求坡度1∶120。按照驗收標準要求，環梁上任意相鄰且距離不超過3m的兩個點，高差不大于3mm；整個環梁上任意兩點的高差不大于6mm。所以對環梁上瀝青砂層的鋪設需格外注意，施工時邊碾壓邊測量，有偏差及時修補。

3.3 碎石環梁基礎驗收

每一層砂石材料壓實完成后，按照要求需做壓實密度測試、動載荷試驗、靜載荷試驗。按照要求每500m2做一個動載荷試驗和壓實度測試，每1 250m2做一個靜載荷試驗。試驗點的布置盡量均勻，盡可能地反映每一層的整體壓實情況，同時需在環梁處設一圈測試點，在內部區域設一圈測試點。

4 基礎沉降觀測

大罐基礎施工完成后，進行罐體施工安裝，然后進行水壓測試，所有測試根據API650的要求。在罐基礎周圍均勻設36個檢測點，沉降觀測結果如下：最大一點的沉降為20 mm，罐底圓周任意兩點最大沉降差為7mm，罐底圓周任意相距10m內的兩點最大沉降差為4mm。將沉降觀測結果對比表1中API650的要求可以看出基礎沉降符合標準要求。

5 結束語

該項目在強夯施工完成后主要利用旁壓試驗結果進行模擬計算，并采用靜力載荷試驗來檢測強夯施工效果。國內強夯設計往往要通過求解地基承載力特征值、壓縮模量及有效加固深度等參數來定量確定地基處理要求。雖然夯后測試的方法有所不同，但總體來說國內的強夯設計要求[6]高于M enard公司所采用的評價標準。從試夯工藝確定和對試夯結果的分析可以看出，本文介紹的項目特點是把測試結果應用于有限元分析，從而模擬了大罐沉降，以此來評價強夯處理效果；同時也用其他測試方法來驗證強夯處理效果。

采用強夯法處理地基，加固效果顯著，施工方便，施工周期短，經濟易行。通過沉降觀測比對發現，地基處理效果非常明顯。成功的工程案例表明，在超大罐區運用強夯法完成原始地基處理和回填石料夯實是安全、經濟、高效的施工方法。同時，行業內領頭公司在強夯工藝確定、強夯效果評價、模擬沉降計算中所采用的方法有很好的借鑒意義。

罐基礎形式多采用混凝土環梁和樁基環梁，尤其是10萬m3以上的大型儲罐。碎石環梁基礎在超大型儲罐上的應用，從成本、進度等方面都顯示出了其優越性，值得在未來罐區的建設中大力推廣。

[1]葉觀寶，陳望春，徐超.強夯法地基處理有效加固深度的分析研究[J].上海地質，2003，87（3）：22-26.

[2]孫維禮.大型油罐基礎的設計選型[J].油氣儲運，1992,11（5）：14-18.

[3]D60 AN，Application and Interpretation of Pressure meter Test to Foundation Design[S].

[4]API650，Welded Steel Tank for Oil Storage Eleventh Edition[S].

[5]ASTM D 1194-1994，Standard Method of Test for Bearing Capacity of Soil for Static Load on Spread Footings[S].

[6]王舒野，孫東彥.強夯地基處理在大型儲油罐區的應用[J].煉油技術與工程，2013,43（6）：62-64.