渦壓擠擴法處理儲罐地基*

渦壓擠擴法處理儲罐地基*

李春寶1 陳海陽1王傳波2

1中國石油大學（華東）2青島昊河水泥制品有限責任公司

渦壓擠擴機理是利用鋼套管在旋轉的過程中使渦壓腔內的流態混凝土獲得動能和靜壓能(其中靜壓能占主導)，獲得靜壓能的流態混凝土經過渦壓腔口被渦壓葉片擠壓到套管外的周圍土體中，使流態混凝土在深度土層位置向水平方向擠擴。通過分析渦壓葉片、流態混凝土以及周圍土體的受力關系，得出混凝土介質向土體質中擠入的力學條件。綜合分析表明，采用渦壓擠擴法處理儲罐地基在理論上是可行的，在消耗低成本的前提下可大幅提高地基承載力。

渦壓擠擴機理；儲罐地基；混凝土；工藝

在軟土地基上建造大型儲罐，地基處理是關系到儲罐工程成敗的一項關鍵技術問題，它直接影響儲罐的安全和正常使用[1-2]。儲罐地基處理方法主要有換土處理、密實處理、排水處理、膠結處理及土加筋處理等方案[3]。但是每種方案都存在各種弊端阻礙其廣泛推廣。因此，提出且驗證了“渦壓擠擴機理”，并將“渦壓擠擴機理”應用于儲罐地基處理。設計了帶有渦壓葉片的鋼套管，可在非開挖地面原土的情況下沿水平方向將流態混凝土渦壓擠擴到需要加固的土層中，在該土層附近區域形成增強體，提高該土層在水平方向和豎直方向抗剪強度，降低土體的壓縮性，改善砂土的動力特性。該方法適用性強，處理深度大，簡單易行，可保證質量，且造價低廉。

1 渦壓擠擴機理的提出與驗證

渦壓擠擴機理是利用鋼套管在旋轉的過程中使渦壓腔內的流態混凝土獲得動能和靜壓能（其中靜壓能占主導），獲得靜壓能的流態混凝土經過渦壓腔口被渦壓葉片擠壓到套管外的周圍土體中，使流態混凝土在深度土層位置向水平方向擠擴。

（1）試驗驗證。此機理已在中國石油大學（華東）巖土工程實驗室內得到驗證。運用渦壓擠擴機理進行地基處理的過程中，石子被擠入到周圍土體中形成擴徑體，能夠有效地擠密樁周土體；水泥漿被擠擴帶入到周圍土體中與其凝結固化，起到了膠結土體的作用。樁體、擴徑體和周圍的膠結土體形成的共同體使得地基土在水平方向和豎直方向的整體強度得到了大幅度提高。

（2）理論驗證。為了能夠實現渦壓擠擴混凝土到周圍土體中，還需要分析渦壓葉片、流態混凝土以及周圍土體的受力關系。建立了三者的力學模型，計算混凝土介質（以粗骨料為主）向土體介質中擠入的力學條件。取A點為研究對象，進行力學分析。瞬時運動時，渦壓葉片與周圍土體的運動可視為平行運動的關系，將渦壓葉片等效為剛體（無變形），剛體與可壓縮土體保持平行運動狀態，將粗骨料（石子）理想化為剛性圓球。計算渦壓葉片剛體在力的作用下，粗骨料與可壓縮土體的相對運動關系，即粗骨料向可壓縮土體內的擠入路徑和擠入條件。等效剛體與剛性圓球之間的摩擦系數為μ1，法向力為N1，摩擦力為f1；可壓縮土體與剛性圓球之間的摩擦系數為μ2，法向力為N2，摩擦力為f2。推導可知：當θ，μ1，μ2的關系滿足時，粗骨料（石子）即可擠入到渦壓腔外的土體中去。

2 使用設備

渦壓擠擴法處理儲罐地基使用的施工設備主要由擠擴設備和樁架兩部分組成，擠擴設備包括渦壓鋼套管、渦壓腔、預制混凝土引導頭，樁架由錘擊裝置、旋扭裝置、車體、立柱和斜撐等組成。

鋼套管底部設置為開口，頂部設置與旋扭設備匹配的齒輪；靠近鋼套管底部設有渦壓腔，渦壓腔由渦壓葉片和渦壓葉片上下兩端之間的鋼套管所圍成的空間組成；在渦壓葉片處開設兩個對稱的渦壓腔口，作為混凝土向外水平擠壓的出口，渦壓腔口的寬度為鋼套管1/4周長，開口高度與渦壓葉片的高度相同；渦壓葉片由兩個完全相同的半圓環鋼板反對稱焊接而成，呈S形，S形渦壓葉片兩頂點之間的直線距離與鋼套管的直徑相同；S形渦壓葉片的兩頂點分別與渦壓腔出口的豎向側邊焊接固定，將焊縫打磨光滑，渦壓葉片所采用的鋼材型號、鋼板厚度與鋼套管的鋼材型號、鋼板厚度相同，使得渦壓葉片與鋼套管之間連接形成順滑曲面，有利于流態混凝土沿水平方向向外擠壓。為了使混凝土引導頭恰好能嵌入鋼套管底部，將鋼套管底部的內外徑尺寸設計為與預制混凝土引導頭相匹配形狀尺寸，并留有一定空隙以保證套管拔出時能夠順利與預制混凝土引導脫離；旋轉齒輪作為錘擊套管和旋扭套管的傳力裝置，其內側為光圓柱面，外側設有嚙合齒，旋轉齒輪的內徑與鋼套管的外徑相同，旋轉齒輪的頂面與鋼套管的頂面齊平，旋轉齒輪箍焊在鋼套管的頂部外側。

3 工藝流程

（1）鋼套管就位，將預制混凝土引導頭對準要錘管入土的部位，將鋼套管座落于引導頭上。

（2）錘管入土，利用夯錘將鋼套管連同引導頭一同打入土層至預定標高。

（3）灌注流態混凝土，將地基處理所用的流態混凝土從鋼套管頂部灌注到鋼套管內。

（4）旋扭套管，將旋扭動力設備連接到鋼套管頂部的旋轉齒輪上，通過轉動旋轉齒輪帶動鋼套管一同旋轉。在渦壓葉片的擠壓驅動作用下，套管內流態混凝土經過渦壓腔口被沿水平方向渦壓擠擴到周圍土體中，起到擠密、填充、膠結土體的作用，達到地基處理的目的；旋扭至該土層加固處理需要的強度之后，結束旋扭。

（5）提升套管，完成當前土層的加固處理之后，提升鋼套管至上一層需要加固的土層。

（6）實施上一土層地基處理，重復第3步～第4步，完成上一層土層的加固處理。

（7）根據工程需要加固土層的數量，重復實施第3步～第5步。

（8）拔出鋼套管，將所有需要加固的地基土層處理完畢后，將流態混凝土灌注到鋼套管內部至地面位置，緩慢拔出鋼套管，完成該點的地基處理工作。

4 結論

通過分析渦壓葉片、流態混凝土以及周圍土體的受力關系，得出混凝土介質向土體質中擠入的力學條件。渦壓擠擴法處理儲罐地基的施工工藝簡單，設備易加工制作，與現行的儲罐地基處理設備兼容性好，略加改造即可用于本方案。綜合分析表明，采用渦壓擠擴法處理儲罐地基在理論上是可行的，在消耗低成本的前提下可大幅提高地基承載力。隨著對其更深入的研究，亦可將其應用到油氣田地面工程中的井架錨樁、固井及泥漿護壁等方面。

[1]李玲，王衛，井少華，等．大型儲罐底板施工變形控制[J]．油氣田地面工程，2013，32（8)）：6-97.

[2]袁中立，閆倫江．LNG低溫儲罐的設計及建造技術[J]．石油工程建設，2007，33（5）：19-22.

[3]徐至均．大型儲罐基礎地基處理與工程實例[M]．北京：中國標準出版社，2009.

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.063

基金論文：2013年國家自然科學基金項目（51208510）；2014年中國石油大學(華東)研究生自主創新基金項目（14CX06067A）。