水泥粉噴樁復(fù)合地基在罐基礎(chǔ)中的應(yīng)用

鄭洪忠

（中國石化集團洛陽石油化工工程公司，河南 洛陽 471003）

1 概述

水泥土深層攪拌樁簡稱深層攪拌樁，是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機械在地基深處將天然土和水泥強制拌合，利用其所產(chǎn)生的一系列物理—化學反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的水泥土樁。

2 工程概況

某廠在海邊建造10 000 m3（罐徑26 m）六臺儲油罐。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，該場地土質(zhì)較差，上部土層的承載力僅為70～130 kPa，顯然，天然地基無法滿足罐基礎(chǔ)對場地土承載力的要求，故需進行地基處理。由于擬建場地的地層分布較均勻，差異沉降小，易滿足鋼儲油罐對差異沉降的控制條件，經(jīng)比較，最終采用水泥土深層攪拌樁的加固方案。該場地典型的地質(zhì)剖面見圖1，各土層的物理力學指標見表1。基礎(chǔ)高出地面0.9 m，基礎(chǔ)埋深1.0 m；作用在基礎(chǔ)頂上的附加應(yīng)力為147 kPa，作用在基礎(chǔ)底面的附加應(yīng)力為185 kPa。

圖1 3－3地質(zhì)剖面圖

圖2 固結(jié)試驗分層e～P曲線

表1 罐區(qū)場地土層分布及其主要物理力學性指標

3 單樁豎向承載力標準值

深層攪拌樁單樁豎向承載力標準值按下列二式計算，取其中較小值[1]；本設(shè)計的樁樁徑600 mm，間距1 000 mm。

η：強度折減系數(shù)，規(guī)范規(guī)定可取（0.25～0.33），本設(shè)計根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗取0.3；

fcu.k：與粉噴樁樁身加固土配比相同的室內(nèi)加固土試塊（邊長為70.7 mm的立方體）90天齡期的無側(cè)限抗壓強度平均值；

Ap：樁的截面積；

qs：樁周土的平均摩擦力，對淤泥可取 5～8 kPa，對淤泥質(zhì)土可取8～12 kPa，對黏性土可取12～15 kPa；

qp：樁端天然地基土的承載力標準值；

Up：樁周長；

L：樁長；

α：樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，規(guī)范規(guī)定可取0.4～0.6。

盡管上述計算公式較為簡單、明了，然而在具體應(yīng)用時，還涉及到諸多亟待確定的技術(shù)參數(shù)問題，例如：水泥等級和水泥摻入量、樁的長度、折減系數(shù)α的取值。顯然，某一技術(shù)參數(shù)的更改會導(dǎo)致其他結(jié)果的變化。所以，正確理解和把握公式中技術(shù)參數(shù)的選定，以便制定出一個合理設(shè)計方案，無疑是十分重要的。

在本工程中，由于軟土層很厚，為減少沉降量，所需樁較長；土對樁的支承力遠大于樁身材料強度所確定的承載力，因此先確定樁身材料強度所確定的承載力。

3.1 樁身材料強度所確定的承載力

水泥摻入量決定了水泥土抗壓強度fcu.k；水泥摻入的數(shù)量，應(yīng)視單樁容許承載力的大小而異；一般情況，樁愈長，樁測土的摩阻力對值的貢獻也就愈大，因此水泥摻入量就應(yīng)取的高些。

水泥土的抗壓強度fcu.90天是把現(xiàn)場采集到的土樣，在室內(nèi)與摻入不同數(shù)量的水泥混合制成水泥土試塊，并經(jīng)歷90天的齡期試壓測得；然而，在實踐中由于工期的限制，fcu.90天這項指標的試驗工作往往無法實施，需用較短齡期試塊代替；試驗結(jié)果表明：fcu.k值隨養(yǎng)護的齡期（t）而增長，強度與齡期之間的關(guān)系式為：

根據(jù)7天的水泥土試塊強度值fcu.7天值，可導(dǎo)出90天的水泥土試塊強度值fcu.90天值。若水泥土強度值在90天齡期后依然有所增長，便可將其作為一種結(jié)構(gòu)安全儲備。

根據(jù)試驗，本工程的水泥摻入量在樁的上部5 m復(fù)攪區(qū)域內(nèi)為 15.0%，其他部位采用 12.0%。根據(jù)這樣的水泥用量，復(fù)攪區(qū)域內(nèi)水泥土抗壓強度fcu.90天為1.65 MPa。

3.2 樁的最小長度

樁的最小長度是指土對樁的支承力等于樁身材料強度所確定的承載力時所需要的樁長。要確定樁的最小長度，先必需確定折減系數(shù)α的取值。

系數(shù)α為樁端處地基土承載力的折減系數(shù)，規(guī)范給出α＝0.4～0.6取值范圍。從目前粉噴樁施工機械可見，噴灰口設(shè)計在鉆桿底部（攪拌葉片）以上25 cm左右，因此，樁尖處的地基土因葉片攪拌而處于松動狀態(tài)；同時，噴灰口設(shè)計在側(cè)面上，它以水平向的噴射形式向外噴散水泥粉，因此存在于鉆桿底部松散狀態(tài)的土與水泥發(fā)生固化的可能性不大。筆者認為，在目前粉噴樁施工具體條件下，α應(yīng)取低值，本工程取0.0，則：

4 深層攪拌樁復(fù)合地基承載力標準值

粉噴樁復(fù)合地基承載力標準值應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗確定，按下式計算[1]：

式中：fspk：復(fù)合地基的承載力標準值；

m：面積置換率，本工程為0.28；

β：樁間土承載力折減系數(shù)，本工程取0.7；

fs.k：樁間天然地基土承載力標準值，本工程為80 kPa。

則：fspk＝180 kN

經(jīng)深層攪拌樁處理后的地基，地基承載力一般不作修正寬度，深度修正系數(shù)取1.0。經(jīng)深度修正后復(fù)合地基承載力特征值fa為：

式中：γm：基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度，本設(shè)計為18 kN/m3；

d：基礎(chǔ)埋置深度，m，本設(shè)計為1.0 m。

則：fa＝189 kPa≥185 kPa，滿足要求。

5 樁長的確定

對于承受豎向荷載的深層攪拌樁，除滿足承載力要求外，還應(yīng)滿足沉降要求。

從地層分布可見，地表下24 m厚范圍內(nèi)的土層乃是軟土層，如果粉噴樁樁尖穿過軟土持力于暗綠色粉質(zhì)黏土層（土層6～1），可消除（或減小）軟土所引起的變形量；但是由于目前施工機械條件所限，無法制作工程需要的長樁。另外，油罐基礎(chǔ)對平均沉降量要求較寬，滿足管線安裝的要求即可；本設(shè)計罐中心的樁長15.0 m樁。由于在同等條件下，油罐基礎(chǔ)中間的沉降量大于基礎(chǔ)周邊的沉降量，應(yīng)調(diào)整周邊的樁長，減少兩者的沉降差。

5.1 油罐基礎(chǔ)中心的沉降量

深層攪拌樁復(fù)合地基在豎向荷載作用下的沉降由3部分組成：①復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮量 s1：含樁身壓縮量及樁相對于土的貫入量；②加固區(qū)下臥層土層的壓縮量 s2；③復(fù)合地基墊層的壓縮量。

復(fù)合地基墊層壓縮量一般較小，且多發(fā)生在施工期，故一般可不予考慮。深層攪拌樁復(fù)合地基沉降s可用下式表示：

（1）加固區(qū)的變形量s1，復(fù)合土層的壓縮變形值可根據(jù)上部荷載、樁長、樁身強度等按經(jīng)驗取10～30 mm，本工程基礎(chǔ)中心處取30 mm。

（2）下臥層土層的壓縮量s2，下臥層土層的壓縮量s2的計算通常采用分層總和法，即：

式中：s2：下臥層土層的壓縮量，m；

n1：加固區(qū)范圍內(nèi)土層分層數(shù)；

n2：沉降計算深度范圍內(nèi)土層總的分層數(shù)；

e1i：根據(jù)第 i層土自重應(yīng)力平均值從土的壓縮曲線上得到的孔隙比；見土的壓縮曲線圖2；

e2i：根據(jù)第 i層土自重應(yīng)力平均值與附加應(yīng)力平均值之和從土的壓縮曲線上得到的孔隙比；

Hi：第i層圖的厚度，m。

（3）復(fù)合地基下臥層土層頂面上的附加應(yīng)力：在計算復(fù)合地基下臥層土層的壓縮量時，作用在下臥層頂面上的附加應(yīng)力是較難精確計算的。目前，在工程應(yīng)用上，常采用壓力擴散法、等效實體法和改進的Geddes法等方法計算，在直徑較大的罐基礎(chǔ)中，由于復(fù)合地基厚度有限，可忽略應(yīng)力擴散的影響，取下臥層頂面上的附加應(yīng)力等于基礎(chǔ)底面上的附加應(yīng)力，即S0＝147 kPa。

（4）復(fù)合地基下臥層土層頂面上的自重應(yīng)力：

式中：Sp：復(fù)合地基下臥層土層頂面上的自重應(yīng)力，kPa；

y：復(fù)合地基加固區(qū)土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度，本設(shè)計為10 kN/m3；

h2：復(fù)合地基加固區(qū)土的厚度。

則：Sp＝150＋20＝170 kN/m3

罐基礎(chǔ)中心處的下臥層土層的壓縮量計算見表2、表3。

表2 罐基礎(chǔ)中心處的下臥層土層的應(yīng)力計算

表3 罐基礎(chǔ)中心處下臥層土層的壓縮量計算

變相計算范圍內(nèi)，壓縮模量的當量值為：

由GB50007－2002查得，ψs＝1.221。

則s2＝0.440 m。

罐基礎(chǔ)邊中心處土層總沉降量為：

5.2 罐基礎(chǔ)邊緣處的下臥層土層的壓縮量計算

為了減少與油罐基礎(chǔ)中間處的沉降差，周邊的樁長定為10 m。

（1）加固區(qū)的變形量s1，本工程罐基礎(chǔ)邊緣處的加固區(qū)變形量取20 mm。

（2）復(fù)合地基下臥層土層頂面上的附加應(yīng)力，基礎(chǔ)邊緣處的附加應(yīng)力同基礎(chǔ)的中心，即S0＝147 kPa。

（3）復(fù)合地基下臥層土層頂面上的自重應(yīng)力，復(fù)合地基下臥層土層頂面上的自重應(yīng)力：

罐基礎(chǔ)邊緣處的下臥層土層的壓縮量計算見表4、表5。

表4 罐基礎(chǔ)邊緣處的下臥層土層的應(yīng)力計算

表5 罐基礎(chǔ)邊緣處的下臥層土層的壓縮量計算

變相計算范圍內(nèi)，壓縮模量的當量值為：

由GB50007－2002查得，ψs＝1.328。

則s2＝336 mm。

罐基礎(chǔ)邊緣處的土層總沉降量為：

罐基礎(chǔ)環(huán)梁處的土層總沉降量比罐中心處的小，理論上應(yīng)進一步縮短環(huán)梁處的樁長或增加罐中心處的樁長；但是罐基礎(chǔ)環(huán)梁處的總沉降量已較大，不宜再縮短樁長，同時受施工設(shè)備的限制，增加罐中心處的樁長有難度。

6 罐地基的設(shè)計

深層攪拌樁是柔性樁，一般配環(huán)梁式柔性基礎(chǔ)。

6.1 樁長

本工程罐中心處樁長取15.0 m，環(huán)梁處樁長取10.0 m，其他處的樁從罐中心到罐基礎(chǔ)邊以此縮短。

6.2 基礎(chǔ)頂標高的確定

從上面計算可知，罐基礎(chǔ)邊緣處的土層總沉降量為 356 mm，為了使充水厚罐基礎(chǔ)頂面標高滿足要求，本工程罐基礎(chǔ)頂標高預(yù)抬高400 mm。

6.3 基礎(chǔ)頂標坡度的確定

從上面計算可知，罐基礎(chǔ)邊緣處與中心處的土層總沉降差為114 mm，與罐基礎(chǔ)半徑的比值為8.77×10－3；為滿足規(guī)范要求，本工程取基礎(chǔ)頂標坡度為25‰，確保正常運行時基礎(chǔ)頂標坡度大于15‰。

7 罐地基的檢測與沉降觀測

樁基施工完畢后，進行了復(fù)合地基靜載荷試驗，其結(jié)果表明，復(fù)合地基承載力實測值均大于200 kPa，滿足工程要求。

罐施工完畢后，進行了充水預(yù)壓；為了縮短充水預(yù)壓時間，預(yù)先在軟土中埋設(shè)了排水板；充水預(yù)壓結(jié)束后，環(huán)梁上觀察點的最小沉降量為220 mm，最大沉降量為270 mm，基礎(chǔ)頂標坡度為20‰，罐地基沉降均勻，滿足工程要求。

通過近1年的運行，各方面指標均達到設(shè)計要求，在安全運行中，取得了滿意的效果。

8 結(jié)束語

靜載荷試驗和罐內(nèi)充水試驗表明，無論是地基承載力還是罐體的沉降，深層攪拌樁復(fù)合地基均能滿足規(guī)范和使用要求，加固的效果明顯；由于它樁距不受限制，極大的增加了布樁的靈活性；可根據(jù)不同的工程需求達到不同的地基強度和沉降量；其施工簡單、進度快、省材料、無噪聲、無震動、環(huán)境污染小。本罐體地基處理的成功經(jīng)驗給建造類似的儲罐工程提供了有益的啟示。

1 龔曉南主編.地基處理手冊（第三版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008