淤泥固化法地基處理在大型設(shè)備吊裝工程中的安全性探究

楊志強(qiáng)

中石化重型起重運(yùn)輸工程有限責(zé)任公司 北京 100029

大件設(shè)備吊裝工程中地基處理的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)工程的安全性，若處理不當(dāng)，往往會發(fā)生工程事故，而且事后補(bǔ)救比較困難。因此，對地基處理的方案設(shè)計(jì)、處理方法、工藝流程必須實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和驗(yàn)收制度，以確保工程質(zhì)量。目前大件設(shè)備吊裝工程的地基處理主要依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，但吊裝工程中的地基處理有其自身的特點(diǎn)。

(1) 服務(wù)性：場地處理為吊裝服務(wù)，以滿足吊裝需要為目的；

(2) 唯一性：吊裝站位場地的唯一；

(3) 沉降敏感性：不均勻沉降危害巨大而敏感，可能會造成吊車傾覆，而均布沉降不敏感；

(4) 安全至上性：地基處理工作的共性；

(5) 理論不成熟性：缺少規(guī)范性參考資料和理論與試驗(yàn)研究；

(6) 多樣性：吊裝機(jī)械、吊裝工藝、吊物和地基等多種多樣；

(7) 相對費(fèi)用高：地基處理成本較大，尤其是在海灘淤泥質(zhì)區(qū)域；

(8) 處理深度較淺：一般深度在3m 以下；

(9) 一次性：吊裝完成后即不再使用，使用頻率低，時(shí)間短。

結(jié)合以上特點(diǎn)，對創(chuàng)新性利用淤泥固化法處理吊裝站位的地基，通過有限元建模方法對鎮(zhèn)海煉化項(xiàng)目吊裝站位地基進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，分析吊裝站位以下及周圍區(qū)域的地基受力情況，用于地基處理方案設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，確保吊裝工程安全。

鎮(zhèn)海煉化項(xiàng)目POX 裝置4000t 履帶吊車吊裝變換器吸收塔所站位原場地為池塘、泥漿區(qū)、蘆葦區(qū)及高填土區(qū)，現(xiàn)已進(jìn)行場地整平，并經(jīng)過真空覆水聯(lián)合預(yù)壓處理。目前場區(qū)交通便利，地形較為平坦開闊，地貌類型屬于濱海淤積平原。具體地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 場地地質(zhì)相關(guān)參數(shù)

1 吊裝工藝

變換器吸收塔裸重890t，預(yù)計(jì)附塔管線和勞動保護(hù)的重量為300t，吊裝重量為1190t。采用單主機(jī)抬吊遞送法的吊裝工藝進(jìn)行吊裝，主起重機(jī)為XGC88000 型4000t級履帶式起重機(jī)，溜尾起重機(jī)為徐工QUY650 型650t 級履帶式起重機(jī)。

2 主起重機(jī)吊裝站位處理承載力計(jì)算

XGC88000 型4000t 級履帶式起重機(jī)吊裝變換氣吸收塔時(shí)，在吊車單側(cè)履帶下鋪設(shè)雙層路基箱。下層：單側(cè)16 塊路基箱，規(guī)格為7×2.5m，10.8t/ 塊；上層：單側(cè)7 塊路基箱，規(guī)格為8×2.8m，14.5t/ 塊。

其中吊車自重（含548.6t 路基箱）為4374.6t，設(shè)備自重為1432t，累計(jì)重量為5806.6 t；接地面積為560 m2，安全系數(shù)取1.2，則對地壓力為12.4427t/ m2。

承載力系數(shù)根據(jù)《工程地質(zhì)手冊第五版》表4- 5- 2 值得出。

根據(jù)土的極限承載力公式（《工程地質(zhì)手冊第五版》式4- 5- 6），吊裝時(shí)傳遞到墊層下底面的壓力為墊層底面處附加壓力（PZ）與基礎(chǔ)地面土自重壓力（Pcz）之和，計(jì)算式見式（1）和式（2）。承載力系數(shù)根據(jù)《工程地質(zhì)手冊第五版》表4- 5- 2 值得出。

式中

，

b——基礎(chǔ)底面寬度，14m；

ι——基礎(chǔ)底面長度，20m；

pk——基礎(chǔ)底附加壓力，124.4271kPa；

pc——基礎(chǔ)底面處土的自重，0kPa；

z——墊層深度，2.5m；φ 為墊層擴(kuò)散角，30°；

γ——基礎(chǔ)底面以下土的重度，18kN/ m3。

極限承載力（pu）的計(jì)算見式（3）。

式中：ck——基底下一倍寬度深度范圍內(nèi)土的黏聚力，13.7kPa；

Nc——承載力系數(shù)，8.665；

γ0——基礎(chǔ)地面以上土的重度，18kN/ m3；

d——墊層深度，2.5m；

Nd——承載力系數(shù)，2.638；

Nb——承載力系數(shù)，1.374。

根據(jù)以上計(jì)算可知：

故采用淤泥固化技術(shù)進(jìn)行地基加固處理，當(dāng)處理深度為2.5m 時(shí)，滿足4000t 吊車作業(yè)要求。

3 處理流程

本次施工基本方式為異位固化分層回填壓實(shí)，具體流程如圖1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

4 ABAQUS 建模

本校核中采用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行數(shù)值建模分析，模型尺寸如表2 所示，模型裝配圖如圖2 所示。

表2 ABAQUS 模型數(shù)據(jù) m

圖2 模型裝配圖

4.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類型：C3D8R 八節(jié)點(diǎn)四面體單元。對淤泥圓孔周圍切分細(xì)化為輻射型網(wǎng)格連續(xù)性過渡。詳見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分

4.2 材料屬性

基于摩爾- 庫倫彈塑性原理得到材料屬性，具體見表3。

表3 材料屬性

4.3 約束方式

根據(jù)實(shí)際工況，僅對數(shù)值模型淤泥底部約束Y 軸 向（豎直方向）位移。

4.4 接觸方式

根據(jù)實(shí)際工況，數(shù)值模型中加入接觸分析更能確保數(shù)值仿真模擬結(jié)果的真實(shí)性。吊車履帶與路基箱、上層路基箱與下層路基箱、路基箱與固化層、固化層與淤泥層各層接觸面之間設(shè)置摩擦接觸,其中鋼- 鋼、鋼- 固化土、固化土- 淤泥和鋼- 淤泥的摩擦系數(shù)分別為0.12、0.30、0.50 和0.31。

4.5 結(jié)果分析

固化層應(yīng)力、位移分析結(jié)果如圖4—圖10 所示。

圖4 整體應(yīng)力云圖

圖5 整體應(yīng)力云圖切面

圖6 固化層中軸線應(yīng)力曲線圖

圖7 固化層應(yīng)力云圖

圖8 整體位移云圖

圖9 固化層位移云圖

圖10 固化層中軸線沉降曲線圖

固化層下方淤泥應(yīng)力分布情況見圖11—圖14。

圖11 淤泥層位移云圖橫向切面

圖12 淤泥層位移云圖縱向切面

圖13 淤泥層應(yīng)力云圖橫向切面

圖14 淤泥層應(yīng)力云圖縱向切面

在吊裝站位下方埋地管道的受壓應(yīng)力云圖詳見圖15—圖18。可見，Q235 屈服強(qiáng)度為235MPa，最大應(yīng)力為85.74MPa，不會對地管造成破壞。

圖15 應(yīng)力云圖

圖16 應(yīng)力曲線圖X 截面

圖17 應(yīng)力曲線圖Y 截面

圖18 地管應(yīng)力曲線

埋地管道位移沉降云圖詳見圖19 和圖20。可見，地管最大位移為0.03m，在可許范圍內(nèi)，且位于地管中部附近。因此，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性可靠。

圖20 地管位移曲線圖

由以上計(jì)算結(jié)果得到，經(jīng)過淤泥固化后處理的地基在按照實(shí)際吊裝工程中的受力加載后，固化層最大應(yīng)力為188kPa，小于固化層承載極限（400kPa），由受力云圖可直觀看到最大應(yīng)力發(fā)生在履帶正下方附近；淤泥層最大應(yīng)力為63.7kPa，小于淤泥層的承載力（205kPa），且最大應(yīng)力發(fā)生在履帶正下方附近，擴(kuò)散角大于45°，淤泥層應(yīng)力以大于45°的角度往兩側(cè)擴(kuò)散變小。埋地管道最大應(yīng)力為85.74MPa，小于管道許用強(qiáng)度 (235MPa），因此不會造成管道破壞，不需要對管道進(jìn)行額外保護(hù)措施，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。整個(gè)地層總體沉降量為7.7cm，滿足沉降要求。可見，地基處理滿足吊裝變換器吸收塔要求。

4.6 應(yīng)用實(shí)例

在鎮(zhèn)海煉化吊裝項(xiàng)目實(shí)施中，淤泥固化法在吊裝工程地基處理中得到了驗(yàn)證。在吊裝前期，吊車站位區(qū)域固化土層層換填壓實(shí)（每0.5m 壓實(shí)一次），圈圍保養(yǎng)14d，使水與固化劑充分反應(yīng)結(jié)合從而提高了承載力。最終，4000t 履帶吊車平穩(wěn)順利地吊裝變換器吸收塔。同時(shí)，通過提前埋入的土壓力盒子、靜力水準(zhǔn)儀測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果基本吻合。

另外，在連云港衛(wèi)星石化項(xiàng)目中，在相似地質(zhì)條件下，淤泥固化法在吊裝工程地基處理中也得到了驗(yàn)證和應(yīng)用。1600t 履帶吊車平穩(wěn)順利吊裝690t EO 反應(yīng)器，過程中沉降量符合要求。

5 結(jié)論

由以上計(jì)算分析和實(shí)際吊裝實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比可以看出，用固化法處理淤泥地質(zhì)作為吊裝場地，強(qiáng)度、沉降量等方面均完全滿足安全性要求。同時(shí)，根據(jù)土層的應(yīng)力擴(kuò)散分布情況分析，在固化層處理的厚度上還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

在當(dāng)下倡導(dǎo)環(huán)境保護(hù)，毛石價(jià)格上漲而且限制開采的情況下，固化法處理地基更具經(jīng)濟(jì)性和可靠性。固化法處理地基只是在原土層加入固化劑攪拌除水凝固，對周邊環(huán)境無污染，更加環(huán)保；而且相對于打樁等方法更加方便。因此，作為安全又經(jīng)濟(jì)環(huán)保的新工藝，固化法處理地基值得在吊裝行業(yè)推廣。