國外某大型原油儲罐地基處理方案比選設計

趙洪輝 蘭 斐

青島中油巖土工程有限公司 山東 青島 266000

隨著社會經濟技術的快速發展，大型儲罐在石油、化工及油氣田等領域得到廣泛應用，這類儲罐具有直徑大、荷載重等特點[1]。大型儲罐建設過程中，其基礎面積較大，經常會遇到軟弱、不均勻等不良土層作儲罐的地基，因此必須選取合適的方式對儲罐地基進行處理。

對一個大型儲罐基礎工程，地基處理方式的合理與否關系到整個工程項目的質量、進度和成本。當今儲罐地基處理日益得到人們重視，本文的研究分析為后續相關大型儲罐地基處理方式的選擇提供了寶貴經驗[2-4]。

1 工程概況

項目位于非洲貝寧南部海邊，地貌類型為濱海沉積地貌，場地平坦，局部為草地，部分為低矮的灌木叢。

勘察期間，正值雨季。在勘察深度范圍內的地下水主要為第四系孔隙潛水，勘察場地內地下水受到雨季降雨的影響，水位埋深較淺，平均水位1.8m。補給來源主要為諾奎湖及其泄洪通道及大氣降水，以蒸發和地下徑流方式排泄。根據勘察資料，場地內存在多個軟弱層（⑤粉質黏土、⑨- 1 泥炭質土、12 含砂粉質黏土、13 - 3 泥炭質土），為確保軟弱下臥層承載力滿足設計要求，需分析確定合理地基處理方案，現場各地層力學參數見表1。

表1 場地地層條件

本工程設計儲罐直徑為80m，儲罐高度為22m，設計使用年限為50a；建筑結構的安全等級為二級；儲罐地基基礎設計等級為乙級。

2 天然狀態地基承載力驗算

2.1 罐底地基承載力要求

十萬立鋼制儲罐地基基礎設計計算相關參數如下：儲罐直徑D=80m，儲罐高度22m，儲罐最大充水重量1.15×106kN。計算得儲罐地基最大充水受壓（P 最大）計算式見式（1）。因此，要求罐底地基承載力不小于230kPa，且軟弱下臥層滿足承載力要求。

2.2 儲罐地基承載力驗算

2.2.1 罐底承載力驗算

罐底地基土按②中砂層（fak=190kPa）考慮，經深度修正后（埋深2m）承載力（fa）的計算式見式（2）。fa=322kPa＞230kPa，即天然基底承載力滿足設計承載力計算要求。

2.2.2 軟弱下臥層承載力驗算

對于⑤粉質黏土，根據《鋼制儲罐地基基礎設計規范》(GB50473- 2008) 附錄A，計算得下臥層頂面處附加應力約為188kPa，層頂標高取16.5m。

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007- 2011）5.2.7 條規定[式（3）]：

其中：

可見，不滿足pz+pcz＜faz 要求，即天然狀態下⑤層軟弱下臥層不滿足設計承載力計算要求。

同理對⑨- 1 泥炭質土層（層頂標高取39.5m）進行軟弱下臥層承載力驗算，滿足設計要求。

根據上述計算結果，本儲罐施工項目必須進行地基加固處理，以滿足軟弱下臥層承載力計算要求。由軟弱下臥層埋深，可判斷地基處理深度至少達到30m。

3 地基處理方案初選

結合本項目施工特點、地層條件及上述承載力分析結果，本項目需采取措施對軟弱下臥層進行處理，避免地基不均勻沉降變形。處理方式主要包括樁基礎（灌注樁、鋼管樁）、復合地基（CFG 樁、高壓旋噴樁、攪拌樁）。

3.1 灌注樁

目前較為常見的灌注樁施工工藝主要包括：泥漿護壁鉆孔灌注樁、長螺旋鉆孔壓灌樁后插鋼筋籠、沖孔灌注樁、干作業鉆/ 挖孔灌注樁及沉管灌注樁?，F場地層以砂土（中密為主）、黏土為主，地下水位- 2m 左右，樁長至少30m。為此，可采用泥漿護壁鉆孔灌注樁施工工藝。

3.2 鋼管樁

鋼管樁是采用鋼管作為樁體，現場通過錘擊沉樁或靜壓沉樁，使樁端深入至持力土層就位，采用焊接接樁、分段送入的施工方式。該工法適用土層范圍較廣、樁體強度高、施工周期短、當地有類似工程案例、樁基質量相對有保障。為此，可采用鋼管樁施工工藝。

3.3 CFG 樁

CFG 樁為水泥粉煤灰碎石樁，樁和樁間土通過褥墊層形成CFG 樁復合地基。CFG 樁在受力特性方面介于碎石樁和鋼筋混凝土樁之間，樁身具有一定剛度，樁體承載力取決于樁側摩阻力和樁端端承力之和或樁體材料強度。本工程為滿足軟弱下臥層承載力要求，同時考慮到樁端宜落在承載力較高土層，CFG 樁長需達到30m 及以上，地層多含中密及以上砂層，現有長螺旋工藝無法達到設計要求深度，故不適合采用。

3.4 高壓旋噴樁

旋噴樁是以高壓旋轉的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合形成的水泥加固體，由旋噴樁和原地基土組成共同承擔荷載的人工地基稱為旋噴樁復合地基。該工法適用于砂土、黏土地層，有效加固深度30m 以上，外購材料少、施工振動小、噪聲較低、成本低、周期短。為此，高壓旋噴樁工藝適用于本場地。

3.5 攪拌樁

水泥土攪拌樁適用于處理黏性土、砂土（松散、中密）等，不適用于密實的砂類土，以及地下水滲流影響成樁質量的土層。本工程現場地層含多層中密～密實砂土，且地下水具有一定的流動性，因此不適用。

4 地基處理方案技術/經濟比選

經初步選擇，該工程地基處理方案可在灌注樁、鋼管樁和高壓旋噴樁三種方案中進行選擇。

4.1 鋼筋混凝土灌注樁

設計儲罐采用鋼筋混凝土灌注樁基礎，以?層中粗砂為樁端持力層，設計有效樁長43m，樁端進入持力層≥1.2m，樁徑800mm，單個儲罐樁基礎數量為361 根，均勻對稱布置。樁身混凝土C40，樁身主筋規格均為12C16mm，樁頂下4m 范圍內螺旋箍筋為C8@100，其余段箍筋為C8@200，加強箍為C16@2000，加強箍與主筋焊接。項目總造價預估3900 萬美元，樁基施工總工期約5～6 個月。

本項目設計單樁承載力特征值為儲罐最大重量÷設計總樁數=1.15×106÷ 361=3185kN；根據地層參數及《建筑樁基技術規范》計算得該型樁單樁承載力特征值為3700kN＞3185kN，滿足承載力要求。

4.2 鋼管樁

設計儲罐采用Φ600×14 閉口型鋼管樁基礎，以⑧層粉質黏土為樁端持力層，設計有效樁長28m，樁端進入持力層≥1.0m，單個儲罐樁基礎數量為725 根，均勻對稱布置。鋼樁年腐蝕速率在水位波動區的最大值為0.3mm/ y，本設計鋼管樁腐蝕余量按2mm 考慮,基樁外表面刷2mm 厚雙組份環氧涂料，涂層黏結強度不小于11MPa。項目總造價預估4600 萬美元，樁基施工總工期約2～3 個月。本項目設計單樁承載力特征值為儲罐最大重量÷設計總樁數=1.15×106÷725=1586kN；根據地層參數及《建筑樁基技術規范》計算得該型樁單樁承載力特征值為1900kN＞1586kN，滿足承載力要求。

4.3 高壓旋噴樁

設計儲罐地基采用雙管高壓旋噴樁進行加固處理，處理深度30m，樁端落在⑧層粉質黏土上，樁端進入持力層≥1.0m，樁徑600mm，正方形布置，樁間距為1.3m，復合地基面積置換率為m≈16.7%。水泥材料采用P.O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，水灰比宜為0.8～1.0，注漿壓力≥25MPa，注漿量80～120L/ min，空氣壓力0.7MPa，提升速度10～20cm/ min，轉速8～16cm/ min。項目總造價預估2800 萬美元，樁基施工總工期約3～4 個月。

驗算得到，經高壓旋噴樁加固處理后，儲罐軟弱下臥層承載力滿足設計承載力要求。

通過對儲罐基礎三方案進行綜合比選，混凝土灌注樁方案施工周期長、當地石子材料來源不便，基礎造價較高；鋼管樁方案雖然原料供應方便、施工周期短，但其成本較高，對防腐質量要求較高；旋噴樁復合地基成本低、工期相對較短，原材料主要為水泥，受原材料制約少，故推薦選用高壓旋噴樁進行儲罐地基加固處理。

5 結語

本文基于某大型儲罐地基處理工程，提出了高壓旋噴樁復合地基加固技術方案，借助地質勘查數據，詳細計算了加固處理后復合地基的承載能力，確保設計方案滿足上部結構載荷要求。目前復合地基和柔性基礎技術已廣泛應用于大型儲罐地基處理領域，此類地基處理方案相對較經濟，已在大量工程中得到廣泛應用，并取得良好的工程效果。