水泥土攪拌樁法在處理大型鋼儲罐軟弱地基上的應用

張亞非 （安徽實華工程技術股份有限公司，安徽 安慶 246000）

1 概 述

大型鋼儲罐是特殊構筑物，它對地基的要求和受力特點為：①鋼儲罐底是由鋼板組成，由于罐底面積大，具有較大的柔性，要求地基基礎提供與罐基礎底部應力相適應的地基反力；②鋼儲罐的直徑較大，荷載影響較深；③對鋼儲罐變形有特殊的要求，罐中心與邊緣的沉降差應滿足罐底變形要求。如果罐中心沉降過大（在軟弱地基上建罐，罐基礎設計成圓錐面坡度一般為15‰~20‰），使罐底板中心標高低于邊緣標高，產生“鍋底”狀，會使底板焊縫受剪，使底板應力增大，甚至拉裂底板；④罐基礎整體傾斜（平面傾斜），也就是直徑方向的沉降差過大，改變了液面水平面，會使罐壁增加較大的附加壓力；⑤罐基礎周邊不均勻沉降（非平面傾斜），會使罐壁徑向扭曲產生過大的次生應力，導致罐壁破裂。所以在軟弱地基上建造大型油罐，由于地基土不能滿足鋼儲罐承載力和變形要求，需要進行地基處理。地基處理的方法有很多種，《鋼制儲罐地基處理技術規范》（GB/T 50756-2012）給出了可供地基處理的方法有：充水預壓法、水泥粉煤灰碎石樁法、水泥土攪拌樁法等。筆者在山東海化工程項目中設計了23000m3鋼儲罐，并就其軟弱地基進行了處理，方法是采用了水泥土攪拌樁法形成的復合地基處理軟弱地基，使之滿足承載力和變形要求。本文將結合工程實踐，對水泥土攪拌樁復合地基設計過程和參數的選取進行闡述，為今后類似工程提供一種的設計思路。

2 水泥土攪拌樁法處理大型鋼儲罐軟弱地基的設計思路

2.1 水泥土攪拌樁法復合地基設計

本工程項目按《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2002）要求設計的，設計思路為：①首先根據鋼儲罐的設計條件，計算罐底需要的地基承載力，并根據地層結構進行變形驗算；②當計算結果發現地基土的承載力和變形驗算結果均不滿足規范要求；③通過綜合分析，采用水泥土攪拌樁法復合地基處理軟弱地基；④用該方法處理地基時，首先要進行估算復合地基的地基承載力特征值，然后通過復合地基載荷試驗，來確認處理的結果。

圖1

表1

水泥土攪拌樁法的設計，主要是設計攪拌樁的置換率和樁長。樁長可以根據罐基礎對承載力和變形的要求確定。宜穿透軟弱土層至承載力相對較高的土層。復合地基的地基承載力特征值估算首先計算樁土面積的置換率m，根據樁土面積的置換率m 和基礎底面形式布樁設計，公式如下。

式中：fspk為復合地基承載力特征值（kPa）；m 為樁土面積的置換率；η 為樁身強度折減系數，干法可取0.2~0.3，濕法可取0.25~0.33；β 為樁尖土承載力折減系數，宜按地區經驗取值，如無經驗時可取0.75~0.85，天然地基承載力較高時取大值；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內加固土試塊（邊長為70.7mm立方體，也可采用邊長為50mm的立方體），在標準養護條件下90d齡期的立方體抗壓強度平均值（kPa）。

2.2 設計技術參數的選取

上面幾個公式較為簡單，但在具體應用時，還是有較為難以掌握確定的技術參數，例如m、β、η、fcu和水泥摻入量等。顯然，某一技術參數的更改，都會導致結果的變化。所以，正確理解和把握公式技術參數的選取，對設計人員來說，無疑是十分重要的。

下面就這幾個參數逐一進行分析。樁土面積的置換率m和樁徑與單樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑油罐有關，在設計中，根據當地的施工機械，擬采用φ600的樁，樁距1.0m，三角形布樁，m=0.2563。fcu的取值也非常關鍵，它與土的類別、水泥品質、水泥摻入量、水泥土養護齡期(t)有關。嚴格說，該項指標應該通過現場采集土樣，在室內與摻入不同數量的水泥混合制成水泥土試塊，并經歷不同齡期試壓測得；但是在實踐中，由于時間條件限制，這項指標的試驗工作往往來不及實施。筆者根據當地的工程實踐經驗來選取，山東壽光的海化地區若水泥摻入比為15%，fcu的經驗值一般取2.5MPa~3.0MPa。η 為樁身強度折減系數，因為是干法施工，取0.2~0.3即可。β 為樁尖土承載力折減系數，是反映樁土共同作用的一個參數，也是樁與樁間土兩者分擔荷載比例的問題，規范給出是0.75~0.85，但根據筆者收集到的地區經驗值是0.5；這個參數理論上應是以載荷試驗為最好，因條件所限，也盡量調研當地的工程經驗數據。對于單樁豎向承載力的特征值的估算，Ra要同時滿足上述（3）、（4）兩式。

3 工程實例設計與計算

3.1 鋼油罐的主要參數及地質情況

本項目的設計條件為23000m3鋼儲罐，直徑40.50m，高度19.00m。地基承載力要求達到220 kN/m2。

擬建場地位于山東海化集團有限公司石油化工分公司北，場地地形基本平坦，勘察期間測得孔口高程5.20m～6.55m，地貌單元屬濱海沉積平原。①雜填土（Qml）：黃褐色～灰色，稍濕，松散，層底深度0.70m～3.50m。②粉土（Q4al）：黃褐色，濕～很濕，稍密，無光澤，搖振反應迅速，韌性低，干強度低。層底深度2.10m～5.00m。③粉砂（Q4m）：灰褐色～灰色，飽和，稍密～中密，夾粉質粘土薄層。層底深度10.50m～13.20m，層厚5.30～10.40m，平均厚度8.60m。③-1粉質粘土（Q4m）：灰褐色，可塑，稍具光澤，無搖振反應，韌性中等，干強度中等，層厚0.50～3.20m，平均厚度1.28m。④粉質粘土（Q4mc）：灰黃色～褐黃色，可塑，稍具光澤，無搖振反應，韌性中等，干強度中等，層底深度14.80～17.00m，層厚2.50～5.30m，平均厚度3.43m。⑤粉砂（Q3+4al）：灰黃色～褐黃色，飽和，中密~密實。層底深度20.30～25.70m，層厚4.70～10.20m，平均厚度6.47m。⑥粉質粘土（Q3+4al）：褐黃色，可塑，稍具光澤，無搖振反應，韌性中等，干強度中等，層底深度34.00m～39.30m，層厚11.90～17.00，平均厚度14.10m。⑥-1粉砂（Q3+4al）：褐黃色，飽和，中密～密實，本層呈透鏡體狀夾于第⑥層粉質粘土中，層厚0.60m～3.20m，平均厚度1.54m。⑦粉砂（Q3+4ml）：褐黃色，飽和，中密～密實。本層未揭穿，最大揭露深度40.00m，最大揭露厚度6.00m，相應標高-33.93m。

按照GB50007-2002規范有關規定，結合場地工程地質條件和各種測試手段適用性，參照地區建筑經驗，建議各層土的承載力特征值fak（kPa）、壓縮模量Es（MPa）取值如表1所示。

從巖土工程地勘報告看，作為23000m3鋼儲罐的地基，無論是承載力還是各種變形控制值，都難以達到要求。⑥層以上土的fak均低于220kPa，且Es只有7.0MPa，屬于中高壓縮性土。結合工程擬建場地土特征分析，擬采用水泥土攪拌樁法復合地基處理軟弱土層。

3.2 復合地基承載力計算

兩種算法的Ra取小值。

擬采用φ600的樁，樁距1.0m，三角布樁，m=0.2563；

通過計算，估算的復合地基特征值滿足要求。

在設計中，取樁徑φ600，樁長16m，采用強度等級為42.5MPa水泥作為固化劑。水泥摻入量按：樁上部5m復攪采用80kg/m，其余部分采用60kg/m，折算為14.65%（即260kg/m3），基本滿足經驗數值。

本工程按設計條件先行進行了復合地基的載荷試驗，試驗結果復合地基特征值均大于220 kN/m2。

工程項目按圖1形式布樁。

3.3 復合地基變形的計算

油罐的變形計算主要是控制罐中心與邊緣的沉降差，《石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規范》（ST/T3068-2007）中規定，當40＜Dt≤60 m（Dt為罐直徑）時，罐中心與邊緣的沉降差允許值為0.004 Dt。本例中，如未進行地基處理，按規范［4］計算，算得罐中心沉降計算值為641mm，邊緣沉降計算值314mm，實際計算沉降差遠超沉降差允許值。本工程采用水泥土攪拌樁法處理軟弱地基后按《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2002）中的相關公式計算復合地基變形為：罐中心沉降計算值為190mm，邊緣沉降計算值110mm，計算沉降差小于規范規定的沉降差允許值。后經現場觀測數據反饋，實際罐邊緣沉降僅80mm左右。

4 結 論

①采用水泥土攪拌樁法處理大型鋼儲罐軟弱地基是可行的。在實際工程中應結合當地的地質條件，盡可能準確選用m、β、η、fcu等技術參數，合理布樁，以提高地基承載力，控制地基變形。

②采用水泥土攪拌樁法處理大型鋼儲罐軟弱地基可就地取材，充分利用原土，施工時噪音很小、且無污染，能達到保護環境和節約資源的效果，符合綠色建筑的設計理念。鋼儲罐基礎設計時，因地制宜、就地取材、保護環境和節約資源是最主要的設計理念。設計要根據地基情況、技術標準、經濟造價、工期和施工可行性等幾個方面進行綜合分析。

[1]徐英，楊一凡，朱萍，等.球罐和大型儲罐[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]GB/T 50756-2012，鋼制儲罐地基處理技術規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[3]JGJ79-2002，建筑地基處理技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[4]ST/T3068-2007，石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規范[S].北京：中國石化出版社，2007.

[5]印曉武.噴樁處理大型油罐軟土地基實例及分析[J].江蘇建材，2007（4）.