大型石化CFG樁復合地基現場試驗與數值模擬*

馬永峰， 周丁恒， 張志豪， 曹力橋

(1.中國石油天然氣華東勘察設計研究院，山東 青島 266071； 2.慕尼黑工業大學，德國 慕尼黑 81245；

3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

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大型石化CFG樁復合地基現場試驗與數值模擬*

馬永峰1， 周丁恒2， 張志豪1， 曹力橋3

(1.中國石油天然氣華東勘察設計研究院，山東 青島 266071； 2.慕尼黑工業大學，德國 慕尼黑 81245；

3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

摘要：CFG樁在地基處理工程中已越來越廣泛應用，針對大型煉廠工程地基處理的復雜性，開展了CFG樁施工前后的標準貫入、重型動力觸探及施工后的單樁和復合地基靜載荷試驗，基于標準貫入和重型動力觸探試驗結果分析了CFG樁對樁間土的影響。以單樁和復合地基載荷試驗結果對大型油罐CFG樁復合地基承載能力進行了評價，并與理論估算進行了對比。此外，建立了CFG復合地基的三維有限差分模型，對樁身6m以下不同厚度的軟土夾層對CFG樁復合地基的影響進行了詳細分析，進一步驗證現場試驗結果，得出一些結論。標準貫入和重力動力觸探試驗結果揭示CFG樁對樁間土未有明顯的擠密效應；靜載荷試驗結果表明，CFG樁復合地基承載力能達到設計要求；現場試驗和數值模擬結果揭示樁身10m以下軟土夾層不會明顯影響復合地基的承載特性。

關鍵詞：石化工程；CFG樁；復合地基；現場試驗；有限差分方法

隨著中國能源需求的進一步加大，越來越多的沿海地區及城市興建了石化工程，建造規模也越來越大，隨之產生了一個問題，如何對軟土軟弱地基進行處理，從而達到控制地基變形及油罐沉降的目的，成為了石化工程地基與基礎設計中的重要研究內容[1]。CFG 樁(Cement Fly-ash Gravel Pile)作為地基處理常用方法之一，是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱，與樁間土、褥墊層一起形成復合地基。該項技術是中國建筑科學研究院于20 世紀80年代末研發的一種地基處理新技術，具有大幅度提高地基承載力、有效減少地基施工后沉降等特點，并對消除地基的不均勻變形具有很好的適應性[2]，在建筑工程中得到廣泛應用。近年來，不少學者對CFG樁進行了廣泛地研究，其中在現場試驗方面有：徐毅等[3]通過對CFG樁復合地基樁、土應力和表面沉降的現場觀測，研究了路堤荷載下CFG樁復合地基樁頂、樁間土的應力和沉降變化規律，根據實測數據分析了褥墊層厚度、樁間距及樁體強度等設計參數的合理性；趙秀紹等[4]對長螺旋CFG樁施工時的孔隙水壓力變化進行了監測，并根據監測結果對施工過程的孔隙水壓力變化進行了階段劃分；張繼文等[5]結合京滬高速鐵路鳳陽試驗段工程，開展 CFG 樁+墊層+筏板處理地基試驗；王旭等[6]通過現場試驗研究了振動沉管碎石樁和CFG樁復合地基的承載特性；丁小軍等[7]開展 CFG 樁復合地基變形與承載特性試驗研究，分析了CFG 樁復合地基在罐體充水過程中樁-土應力、孔隙水壓力、沉降及油罐環墻基礎變形的變化規律。袁滿等[8]對同一場地上的碎石樁、CFG樁、CFG長樁和水泥土短樁組合和CFG芯水泥土樁復合地基進行了現場試驗，得出CFG芯水泥土組合樁復合地基應力分布較其他3種復合地基均勻的結論；李波等[9]對京滬高速鐵路典型工點現場地基沉降試驗研究，掌握CFG 樁加固后的深厚松軟土地基加固區與下臥層的壓縮沉降及地基總沉降變形規律，評價了高速鐵路 CFG樁-筏結構處理深厚層地基的沉降控制效果。

本文通過了CFG樁施工的現場試驗，基于標準貫入和重型動力觸探試驗結果分析了CFG樁對樁間土的影響。以單樁和復合地基載荷試驗結果對大型油罐CFG樁復合地基承載能力進行了評價，并與理論估算進行了對比。此外，建立了CFG復合地基的三維有限差分模型，對樁身6m以下不同厚度的軟土夾層對CFG樁復合地基的影響進行了詳細分析，進一步驗證現場試驗結果。

1工程背景

中委廣東石化2000萬t/年重油加工工程(一期工程設計年加工原油能力2 000萬t及相關配套的石化裝置)是中國石油和委內瑞拉合資建設的國內最大一次性投產的石化工程，廠址位于廣東揭陽惠來縣，東臨隆江河，南臨南海，占地面積約6km2。建設周期4年以上，投資額達500億人民幣左右，基礎及地基處理費用近20億人民幣，工期超過1a。

場區地貌單元榕江三角洲平原，地形較平坦開闊。場區地基土主要為第四系人工填土層、第四系全新統的風-水堆積層、沼澤相沉積層、海陸相交互沉積層、第四系上更新統的海陸相交互沉積層、沖、洪積層、殘積層以及燕山期花崗巖組成。揭露巖層分別為全風化層、強風化層、中風化層，局部為微風化層。工程場地上部廣泛分布有10.0～20.0m厚的第四系風-水堆積粉細砂層及0.5～21.0m厚的淤泥質黏性土，其中②1層細砂層級配不良，以松散狀態為主，局部稍密，屬于中等液化土層；②2層粉細砂層級配不良，稍密-中密，飽和，屬于輕微-中等液化土層，局部嚴重液化；淤泥質粘性土呈軟塑-可塑狀態，具有抗剪強度低、孔隙比及有機質含量大、壓縮性高、靈敏度高及流變性強等不良工程特性。

2現場試驗

2.1 試驗目的

通過現場試驗，研究CFG樁對周圍砂土的密實效應和影響范圍，優化CFG樁樁長及間距等參數，確定單樁及復合地基承載力，探討CFG樁技術提高地基承載能力和控制沉降的可行性。

2.2 試驗方案

設置3個試驗區，面積均為240m2，樁位布置如圖2所示，具體試驗參數：樁數15根，樁間距3m，樁徑均為600mm，樁長應穿過第③層軟土，樁端持力層為第⑥粗礫砂(結合圖1中每個試驗區實際地層情況)，確定CFG-1區樁長24.5m、CFG-2區樁長25m及CFG-3區樁長23m)，褥墊層厚度為200mm。CFG復合地基現場試驗檢測布置如圖3所示。

3試驗結果與分析

3.1 樁身質量檢測

樁身質量測試采用低應變動力測試方法，測試方法為彈性波反射法。經過低應變動力檢測，編號CFG1-1～3、CFG2-1～3及CFG3-1～3樁均為Ⅱ類樁外(Ⅱ類為有輕度缺陷，但不影響或基本不影響原設計樁身結構強度的樁)，其中CF2-2樁為樁身6m左右有輕微缺陷。

圖1　3個試驗區地層分布情況

圖2　CFG樁基復合地基試驗樁位布置圖

3.2 CFG樁對樁間土影響分析

為了解CFG樁施工對樁間土的加固效果，在每個試驗區內樁間土的典型位置均進行了3孔的標準貫入試驗和3孔的重型動力觸探試驗。

3.2.1 標準貫入試驗CFG樁施工前后典型標準貫入試驗曲線如圖4所示，每個試驗區以3孔標準貫入試驗測值為基礎，統計出不同土層的標準貫入擊數值(見圖5，CFG樁施工前后)，從而確定CFG樁施工前后不同土層的地基承載力和壓縮模量(見圖6、7)。綜合比較9個試驗孔標準貫入試驗結果可知，CFG樁施工前后的標準貫入擊數未明顯變化，壓縮模量和地基承載力亦未得到明顯提高，部分深度范圍內甚至有降低的現象。

圖3　CFG樁基復合地基試驗檢測布置圖

圖4　典型標準貫入試驗曲線

圖5　CFG樁施工前后分層標準貫入擊數對比

圖6　CFG樁施工前后地基承載力對比

圖7　CFG-2區標準貫入擊數確定地基承載力和壓縮模量

3.2.2 重型動力觸探試驗CFG樁施工前后典型重型動力觸探試驗曲線如圖8所示，同一試驗區內3個試驗孔CFG樁施工前后重型動力觸探擊數變化情況基本一致；3個試驗區的DT2孔不同土層動力觸探修正擊數如圖9所示。綜合比較9個試驗孔的重型動力觸探試驗結果可知，CFG樁施工前后的觸探擊數未明顯變化，部分深度范圍內甚至有降低的現象。

圖8　典型重力觸探試驗曲線

圖9　重型觸探擊數施工前后對比

基于上述測試結果可知，CFG樁施工前后的標準貫入和重型動力觸探擊數未明顯變化，壓縮模量和地基承載力亦未明顯提高，部分深度范圍內甚至有降低的現象，CFG樁施工對于樁間土并沒有明顯擠密作用，因此無法消除場地上部粉細砂土的液化勢；結合現場施工情況，在重型動力觸探試驗過程中，砂層會隨振動而密實，發生所謂“抱桿效應”，導致測試結果比實際值偏高，基于實測過程，粉細砂地層不宜采用重型動力觸探試驗作為主要檢測手段。

3.3 CFG樁復合地基承載力

3.3.1 單樁靜載荷試驗CFG樁施工結束28 d后，在每個試驗區均進行了3個點單樁靜載荷試驗，各測點單樁靜載荷試驗曲線如圖10所示，從圖中可看出，荷載-沉降曲線存在明顯的陡降段。3個試驗區不同測點單樁靜載荷試驗結果列于表1中，由表1可知，CFG樁單樁極限承載力達到1 600kN以上，單樁承載力特征值可超800kN，3個試驗區單樁承載力特征值的統計值分別為980、900、840kN。

圖10　單樁靜載荷試驗曲線

3.3.2 復合地基靜載荷試驗CFG樁施工結束28 d后，在每個試驗區均進行了3個點復合地基靜載荷試驗。各測點復合地基靜載荷試驗曲線如圖11所示，與單樁靜載荷試驗曲線類似，荷載-沉降曲線存在明顯的陡降段。3個試驗區復合地基靜載荷試驗結果列于表2中，由表2可知，CFG樁復合地基法加固后可以明顯提高場地的地基承載力，極限承載力可達到600kPa以上，地基承載力特征值均超過300kPa，3個試驗區復合地基承載力特征值的統計值分別為350、365、330kN。

表1　單樁靜載荷試驗結果

Note:①Pile number；②Pile length；③Maximum test load；④Ultimate value；⑤Characloristic value；⑥Load；⑦Settlement

表2　復合地基靜載荷試驗結果

Note:①Pile number；②Pile length；③Maximum test load；④Ultimate value；⑤Characloristic value；⑥Load；⑦Settlement

3.3.3 復合地基承載力實測與理論值對比《建筑地基處理技術規范》規定，復合地基承載力特征值應采用復合地基載荷試驗確定，CFG樁復合地基承載力特征值估算的理論計算值和實測值對比情況見表3，其中樁間土承載力折減系數取0.75。

圖11　復合地基靜載荷試驗曲線

CFG樁試驗區復合地基載荷試驗是嚴格按照規范和設計要求進行的，鋪設200mm厚碎石褥墊層，并經過壓實處理；樁間土在場地整平、施工過程中，經設備行走碾壓和振密褥墊層綜合作用后，處理后的淺層樁間土的承載力明顯提高。結合工程經驗，處理后的淺層樁間土的地基承載力特征值取200kPa，復合地基承載力特征值的實測值相當于理論估算值1.31～1.35倍。

4樁長范圍內軟土夾層的影響

4.1 基于現場試驗的軟土夾層影響分析

結合3個試驗區地層分布(見圖1)，試驗1區的軟土夾層存在于10～12m、14.5～22.5m深度范圍內，試驗2、3區的軟土夾層區域則為18 ～21.5m，軟土夾層均分布在沿樁長10m以下深度范圍內。基于現場試驗結果和理論估算情況，本工程地質條件下軟土夾層未對CFG樁施工未產生明顯不利影響，亦未影響到單樁、復合地基承載力。因此，場地內砂土層中有無軟土夾層，均可采用CFG樁復合地基進行加固處理，且樁端進入持力層足夠深度，樁身10m以下深度范圍內存在的軟土夾層不會明顯影響CFG樁及復合地基承載力。

表3　CFG樁復合地基承載力特征值的理論值和實測值對比

Note：①Test area；②Cushion；③Pile length；④Replacement ration；⑤Suggestue charactristic value of bearing capacity after treatment soil amony piles；⑥Teated characteristic value of bearing capacity of poile；⑦Estimated value；⑧Measured value；⑨Characteristic value of dearing capacity of composite formlation

4.2 基于有限差分數值模擬的驗證分析

4.2.1模型的建立和巖土參數的選取利用Flac3D軟件建立樁、土、基礎及墊層作用的三維有限差分的數值模型，對豎向荷載作用下CFG復合地基位移響應和樁-土應力變化進行分析。在建立有限差分模型是對土體、樁體、基礎及墊層均采用三維8節點6面體單元，同時，在樁體與樁間土、樁體與墊層之間均設置了接觸單元。樁體采用彈性材料模擬，土體和墊層以Mohr-Coulomb本構關系模擬。

結合第2節的現場試驗數據，選取CFG樁復合地基的有限差分模型如下：基礎直徑和厚度分別為48m、0.4m，墊層厚度0.2m，CFG樁直徑600mm，樁長24m，樁間距按照3種情況設定(4、5、6d，其中d為樁徑)；設置長108m、寬20m、深50m的計算模型。模型根據對稱性取1/2分析，底部邊界全部固定，側面邊界加法向固定約束。模型采用的各材料參數見表4，模型及網格劃分如圖9所示。

圖12　CFG復合地基三維計算模型

材料①密度②/kg/m3變形模量③/MPa泊松比④黏聚力⑤/kPa內摩擦角⑥/(°)0～18m土soil1900150.303018～30m土soil1900200.303330～50m土soil20001000.3035褥墊層⑦1900400.3040軟土夾層⑧190050.351020加固土體⑨1900300.25038CFG220012×1030.2//基礎⑩250020×1030.25//

Note：①Materials；②Density；③Modulus of deformation；④Poissons ration；⑤Cohesion；⑥Friction angle；⑦Cushion；⑧Soft soil interlager；⑨Reinfoeled soil；⑩Foundation

4.2.2計算結果分析考慮6m深度以下存在一定厚度的軟土夾層，設定其厚度分別為3、6、9、12m(CFG樁穿過軟弱夾層并樁端在工程特性相對較好的持力層，樁間距5d)，基于上述4種情形的計算結果，分析軟土夾層對基礎沉降及樁、土受力特性的影響(見圖13、14)。

圖13　不同軟土夾層厚度下基礎沉降和樁-土應力比

圖14　不同軟土夾層厚度下單樁樁頂軸力

軟土夾層的存在對基礎沉降和差異沉降影響：軟土夾層厚度在4m范圍內(即軟土夾層埋深為6～10m)增大，基礎沉降和差異沉降有一定程度的增加，但變化幅度有限；當軟土夾層厚度超過4m(即軟土夾層埋深10m以上)，基礎沉降和差異沉降變化很小。

對比現場試驗結果可知：本工程地質條件下，當6～10m深度范圍內存在淤泥質軟土夾層，基礎沉降、樁-土應力比及總樁-土荷載比受到一定影響，軟土夾層埋深10m以上，軟土夾層對CFG復合樁基的影響基本可忽略。

5結論與建議

本文通過開展CFG復合地基的現場試驗和三維有限差分模擬，初步結論與建議如下：

(1)現場靜載荷試驗結果驗證了CFG樁復合地基明顯提高場地的地基承載力并減小基礎沉降。

(2)CFG樁施工對于樁間土的擠密加固效應有限，無法消除淺層砂土的液化勢，當淺層砂土存在明顯的液化可能性時，需首先采用強夯等方法消除其液化趨勢。

(3)本工程地質條件下，樁長范圍內的軟土夾層對CFG樁施工及樁身質量未產生不利影響，場地內砂土層中有無軟土夾層均可采用CFG樁復合地基進行加固。現場試驗和數值模擬結果均揭示，依托工程條件下，樁端進入持力層足夠深度，樁身10m以下深度范圍內存在的軟土夾層不會明顯影響到復合地基承載特性。

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責任編輯徐環

In-situ Test and Simulation of CFG-pile Composite Foundation in a Large Petrochemical Project

MA Yong-Feng1, ZHOU Ding-Heng2, ZHANG Zhi-Hao1, CAO Li-Qiao3

(1. China Petroleum East China Design Institute, Qingdao 266071,China; 2. Technical University of Munich, Munich 81245, Germany; 3. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract:CFG piles have been widely used in foundation treatment of civil engineering. Currently, foundation treatment of large-scale refinery is very complex. In view of this condition, standard penetration test and heavy dynamic penetration test were carried before and after CFG pile construction. And static load test of single pile and composition foundation after CFG pile construction were also finished. Based on results of standard penetration test and heavy dynamic penetration test, the compacting effect on soil caused by CFG piles was analyzed in detail. The bearing capacity of composite foundation was evaluated by static load test of single pile and composition foundation. The monitoring and theory value of CFG pile composite foundation bearing capacity were also compared. Except that, 3D finite difference equation model of CFG pile composite foundation was built. Effect on CFG pile composite foundation caused by different thickness of soft soil interlayer 6m under pile-tip was analyzed in detail. Thus, results of in-situ test were further validated by numerical results. Some conclusions have been drawn. The standard penetration test and heavy dynamic penetration test show that the compaction effect on soil among piles is not apparent. And the bearing capacity of composite foundation has reached the standards. Except that, results of in-situ test and numerical simulation show that the bearing characteristics will not significantly be affected when soft soil interlayer exists below 10m depth along the piles.

Key words:petrochemical project; CFG pile; composite foundation; in-situ test; finite difference method

中圖法分類號：TU43

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)01-086-07

作者簡介：馬永峰(1981- )，男，碩士，工程師，主要從事巖土工程勘察與設計工作。E-mail：yongfeng314@126.com

收稿日期：2014-10-20；

修訂日期：2014-11-19

*基金項目：中國石油工程建設公司科學研究與技術開發項目(CPECC2011KJ22)資助

DIO:10.16441/j.cnki.hdxb.20140343

引用格式：馬永峰， 周丁恒， 張志豪， 等. 大型石化CFG樁復合地基現場試驗與數值模擬[J].中國海洋大學學報(自然科學版)， 2016，46(1)： 86-92.

MA Yong-Feng, ZHOU Ding-Heng, ZHANG Zhi-Hao, et al. In-situ test and simulation of CFG-pile composite foundation in a large petrochemical project[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(1)： 86-92.

Supported by Scientific Research and Technology Development Project of China Petroleum Engineering Construction Company(CPECC2011KJ22)