強夯法在順北五號聯地基加固中的應用及效果評價

湯晟 孫永堯 艾生軍

1中國石油化工股份有限公司西北油田分公司

2中國石油集團渤海鉆探井下作業分公司

順北五號聯合站位于新疆阿克蘇地區沙雅縣境內，占地18.5×104m2，場地屬波狀沙丘地貌，原始地形起伏較大，地表砂嚴重，屬風沙積地，地基土顆粒細、孔隙比大、高壓縮、未完成自身固結、物理力學參數相差大且埋深不均，不經過處理難以滿足站場大型原油儲罐、消防水罐、大型工藝設備基礎等建筑承載力和變形要求。沙漠地區地基處理常用方法有換填法[1]、平板振搗壓實法[2]、強夯法等。依據本地區工程地質條件，經過方案比選，最終選擇強夯法對五號聯合站地基進行加固處理。

強夯法[3]是可有效加大松軟地基承載力的技術，該方法也被叫做動力固結法，通常是用起吊設備吊起重10～40 t的巨型夯錘，使其在10～40 m高度垂直土地基做自由落體運動，從而產生強大的振動和沖擊力來對土層進行夯實作業，夯擊錘在夯坑周圍產生的應力將土地基變得更加緊實，以此加固土地基。

1 工程概況

順北五號聯合站地基處理工程主要包括原油儲存單元（20 000 m3油罐3 座、5 000 m3應急油罐1 座）、消防單元（5 000 m3消防水罐2座、700 m3消防水罐1座、500 m3玻璃鋼水罐2座）、輕烴液化氣裝車單元、水處理單元、放空火炬單元等，強夯面積共計約5.6×104m2。場區設計標高為970.3 m，由于場地起伏較大，按照設計標高平整后存在挖方和填方區，填方區域填土厚度達到0.0～4.5 m，且一層粉砂層比較松散，水平分布不均勻，物理力學性質差，不宜做持力層使用，強夯前需換填戈壁土。

2 工程地質條件

根據勘察報告，在勘探深度范圍內，場地地層主要由第四系風積（Q4eol）、沖積（Q4al）的粉砂和細砂組成。地層自上而下可分為四大層，且4類巖土層場地均有分布。第1 層粉砂（Q4eol）：黃灰色，松散，干燥～稍濕狀，主要礦物成分為石英、云母、長石，層底埋深1.3～3.4 m，層厚1.3～3.4 m，層底標高 966.72～968.79 m。第 2 層細砂（Q4eol）：黃灰色，稍密，稍濕，主要礦物成分為石英、云母、長石，層底埋深2.4～2.7 m，層厚0.6～1.2 m，層底標高967.36～967.70 m。第3 層細砂（Q4eol）：黃灰色，中密，濕，主要礦物成分為石英、云母、長石，層底埋深3.4～5.4 m，層厚1.5～3.0 m，層底標高964.70～966.69 m。第4 層細砂（Q4al）：黃灰色，密實，濕，主要礦物成分為石英、云母、長石，該層未揭穿，最大揭露厚度為11.3 m，層頂標高964.70～966.69 m。各層巖土參數見表1。

表1 地基巖土工程參數Tab.1 Geotechnical parameters of foundation

由于粉砂層結構松散，水平分布不均，地基承載力（50 kPa）和變形模量（8 MPa）均遠低于工程設計要求，不宜做持力層使用，因此強夯處理前需對地基進行預處理，地基預處理方式見表2（強夯前地基預處理）。

表2 強夯施工參數Tab.2 Constuction parameters of dynamic compaction

3 地基處理

3.1 地基處理要求

依據CECS279：2010《強夯地基處理技術規程》及工程建設要求，強夯處理的范圍應大于建筑物基礎范圍，每邊超出基礎外緣的寬度宜為基底下設計處理深度的1/2～2/3，且不應小于3 m。強夯地基處理的參數要求見表3。

表3 強夯地基處理參數要求Tab.3 Parameter requirements of dynamic compaction foundation treatment

3.2 地基試夯

根據勘察報告提供的土質地層構成情況以及上部結構對地基加固的處理要求，同時參考相關規范，選用夯擊能為1 000～3 000 kN·m 的中小夯擊能強夯設備進行施工，并在大面積正式施工前對具有代表性的場地進行試夯。

為使試夯工藝參數具有針對性，同時能夠便于大面積正式強夯施工管理，結合建設用地地表起伏、結構豎向設計標高要求以及不同區域夯后地基力學性能參數要求，經過對自然地面所測標高網格統計分析[4]，將強夯區域分為3 大處理類型，即Ⅰ類區域（3×20 000 m3凈化油罐、1×5 000 m3事故油罐、2×5 000 m3消防水罐）、Ⅱ類區域（輔助單元、消防單元、污水處理單元等區域）、Ⅲ類區域（油罐區（不含罐基礎）、防火堤、圍墻等），并在每類區域選取一個試夯區。

試夯區1（30 m×30 m）位于消防水罐區，試夯區2（30 m×30 m）位于消防泵房區，試夯區3 位于防火堤區。試夯區1及2主夯點距為6 m，主夯排距為6 m，插夯點距及排距均為3 m，夯點之間為等邊三角形布置，試夯區3采用滿夯。選用直徑為2.52 m、質量為10 t 的夯錘，并記錄各區夯點每次夯擊后的夯沉量。

3 000 kN·m 強夯設備的施工情況：主夯點通常在8擊左右即可達到停錘標準，部分夯點夯擊至10 擊或12 擊；插夯點一般在10 擊左右達停錘標準，少數夯點夯擊至12擊。2 000 kN·m能級強夯設備的施工情況：主夯點通常在10 擊左右即可達到停錘標準，部分夯點夯擊至12 擊；插夯點一般在9 擊左右達到停錘標準，少數夯點夯擊至11～12擊。1 000 kN·m 強夯設備的施工情況：絕大部分夯點在3擊左右即達到停錘標準，少數夯點夯擊數達4擊。試夯完成后，在試夯區選取試驗點開展平板載荷試驗及動力觸探試驗，試夯效果檢測顯示試夯區地基強度均滿足地基處理強度要求。

3.3 強夯施工參數

根據試夯效果、強夯施工規范及地基處理要求，為確保地基加固深度，Ⅰ類及Ⅱ類區域夯擊數均設置為12擊，并選用1 000 kN·m能級設備滿夯兩遍。Ⅲ類區域夯擊數設置為4擊，用1 000 kN·m能級強夯設備滿夯兩遍。不同區域強夯能級、夯擊數、夯擊間距、夯擊遍數、夯點布置等詳細工藝參數設置見表2。兩遍夯擊間隔時間設定為1周。

以原油罐區為例，主夯點、插夯點、滿夯以及檢測試驗點平面布置如圖1所示。其中20 000 m3凈化油罐基礎直徑為52.0 m（油罐直徑為38.0 m），5 000 m3事故油罐基礎直徑為38.0 m（油罐直徑為23.8 m）。原油罐區共設置主夯點292 個，插夯點228 個，夯點間距為3.0 m，滿夯每點4 擊，搭接1/ 4d（d為夯錘直徑），平板靜載試驗點21 個，動力觸探試驗點29個。

4 地基處理效果檢測分析

依據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》、CECS279：2010《強夯地基處理技術規程》以及相關設計文件，結合工程特點和當地實際條件，強夯加固處理后的地基檢測包括淺層平板荷載試驗和重型動力觸探試驗兩項內容。在本工程建筑用地地基上共設置189 個動力觸探試驗點和114 個平板荷載試驗點。其中原油罐區設置29 個動力觸探試驗點及21個平板荷載試驗點。

4.1 淺層平板載荷試驗

以20 000 m3原油A罐區地基處理為例，設置了ZH01～ZH05共5個載荷試驗點，試驗點位置分布見圖1。試驗承壓板面積為2.0 m2，最大加載量為設計承載力特征值的2 倍，分8 級進行加載，每級加載45 kPa，每級歷時2 h，沉降穩定后，記錄本級位移及累計位移。

圖1 原油罐區夯點及試驗點布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of tamping points and test points arramgement in crude oil tank area

根據試驗載荷(p)和該級累計位移(s)作出ZH01～ZH05 試驗點載荷試驗p-s曲線（圖2）。由圖3可知，當施加載荷達到360 kPa時，5個試驗點載荷曲線均未出現明顯拐點，因此夯后地基的極限承載力＞360 kPa。根據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》，取最大加載量的一半180 kPa和s/b=0.01（b為承壓板直徑，s=15.9 mm）所對應的荷載兩者之間的較小值作為該地基的承載力特征值[5-6]。由圖2 可知，強夯后的地基承載力特征值fak≥180 kPa，滿足設計要求。

圖2 平板荷載試驗p-s 曲線Fig.2 p-s curves of plate load test

根據載荷試驗p-s曲線，不同載荷(p)下地基沉降量(s) 與變形模量(E0)的對應關系為

式中：E0為變形模量，MPa；I0為剛性承壓板形狀系數，圓形承壓板0.785，方形板取0.886；μ為地基土的泊松比，碎石土0.27、粉土0.35、粉質粘土0.38、砂土0.30、黏土0.42、灰土0.38、圓礫0.30；p為p-s曲線線形段的壓力，kPa；d為承壓板直徑或邊長，m；s為與p對應的沉降，mm。

計算出ZH01～ZH05 試驗點地基變形模量均滿足E0≥15 MPa設計要求[7]。

表4 為ZH01～ZH05 試驗點夯前、夯后地基承載力對比。由表4可知，經過強夯處理后地基承載力至少提升12%～25%，說明強夯處理使得換填戈壁土后的地基承載力明顯加強，夯實效果顯著。

表4 地基加固前后承載力對比Tab.4 Comparison of bearing capacity before and after foundation reinforcement

4.2 動力觸探試驗

在滿夯試驗一周后進行了動力觸探試驗。由于夯后地基土密度很大，故采用重型圓錐進行動力觸探(N63.5)試驗，動探孔深度為6.0 m。以20 000 m3原油A罐區地基處理為例，設置了DT01～DT08共8個動力觸探試驗點（圖1）。其中試驗點DT01（基礎周圍）、DT06（夯間）、DT07（夯點）、DT08（夯點）夯后、夯前動力觸探N63.5修整后錘擊數曲線如圖3所示。

圖3 動力觸探曲線Fig.3 Dynamic penetration curves

由圖3 可知，在0～6 m 深度范圍內，4 個典型試驗點錘擊數為7～26擊之間，地基土密度為稍密～中密。強夯后，在0～1 m 范圍內動探擊數變化不大，約為1～3 擊，這是因為強夯使得表層土地松動，夯實效果減弱。在1～4 m范圍內，錘擊數明顯增加，約為4～6 擊，土體的密實度得到很大提高。在4～6 m 范圍內，錘擊數增加較少，約為2～3 擊，這是因為該層土體密實度較高，且強夯能量隨土層深度增加而逐漸減弱，夯實效果不明顯[8]。總體而言，夯后地基動探擊數提升約4 擊/10 cm，表明通過“換填戈壁土＋強夯”處理后，地基土密實度得到極大提升，強夯效果明顯。

5 結束語

強夯法作為一種經濟高效、節能環保的地基處理方法，適用于沙漠土的地基處理，加固效果良好。原油罐區基礎經過換填戈壁土，第一、二遍3 000 kN·m 點夯，第三、四遍1 000 kN·m 滿夯后，其有效加固深度約為6.0 m，地基土密度由松散增加到稍密～中等密度狀態，地基承載力大大提高，穩定性明顯增強，壓縮性明顯降低，達到了地基處理目的。本工程的成功實施可為沙漠地區油氣集輸地面工程建設提供有益的參考。