振沖法加固大型儲罐軟土地基的工程實踐

左亞銳

誠通企業管理（北京）有限公司（外包至中國石油工程建設有限公司），北京 101399

阿爾及利亞某煉油廠位于該國SKIKDA工業區內，整個廠區坐落在地中海南岸的一盆地內，廠區內的儲罐群由16座儲罐組成，其中最大的儲罐罐容為36 600 m3，罐體采用鋼制焊接浮頂的結構形式，罐直徑52 m，罐高21.40 m，采用鋼筋混凝土環墻基礎。根據工藝要求，儲罐底面高出地面1 m。儲罐底面荷載為225 kN/m2，由于天然地基的承載力只有130 kN/m2，因此，需要對地基進行處理。

該建設場地的地基土屬于第四系濱海相沉積與沖洪積的軟弱黏性土及粉細砂、含淤泥質黏土等，基巖埋深大于48 m。在勘探深度范圍內，自上而下地層分為7層：①肥沃黏土：呈軟塑～可塑狀態，屬高壓縮性土，平均厚度2.63 m；②中粗砂：級配不良，分選較差，飽和，松散～稍密狀態，中等～嚴重液化，平均層厚3.40 m，該層夾有黏粒含量較高的飽和粉砂，且為2層；③肥沃黏土：可塑～硬塑狀態，中高壓縮性土，平均厚度5.75 m；④肥沃黏土：由上而下呈軟塑～可塑狀態，部分呈流塑狀態，高壓塑性土，欠固結，有機質含量較高，平均厚度21 m，該層含有5層粉細砂夾層；⑤肥沃黏土：呈可塑～硬塑狀態，屬中壓縮性土，該層中部一般夾有1～2層粉細砂透鏡體，平均厚度41.59 m，該層大部分未揭穿；⑥黏土質圓礫：巖性不均勻，含大量的礫石及砂粒、鐵錳結核等，磨圓中等，呈渾圓狀，粒徑2～50 mm，層狀分布，呈飽和、中密狀態，該層大部分未揭穿或未揭露，在已揭穿的鉆孔中，厚度平均1.47 m，該層主要分布在第⑦層基巖風化帶頂部，為沖洪積成因，礫石的成分為下伏母巖的風化產物；⑦基巖：強度高，壓縮性極低，并且樁不進入該層。

1 地基處理方案的選擇

選擇在軟土地基上進行大型儲罐建造，產生較大沉降和不均勻沉降的情況時有發生，甚至地基有可能發生局部破壞和整體滑動，導致儲罐無法使用。因此大型儲罐對罐基礎的變形限值進行了嚴格的規定（見表1）[1-2]，而地基應能夠滿足罐基礎變形限值的要求。

表1 儲罐基礎變形限值

根據地質和土的物理力學性質及原位測試的成果，儲罐主要持力層為①～④層，其中除第②層為可液化的飽和砂層外，①、③、④層均為軟弱的肥沃黏土，具有含水量高、天然強度低、超過液限、壓縮性高、抗剪強度低、承載力差等特性，儲罐的承載力和沉降要求均無法滿足。

在如此軟弱的地基上建造大型儲罐，在該國還是首次。阿爾及利亞國家實驗室提出了采用樁基和換填堆載預壓的地基處理方式。由于軟弱土層厚度大，樁基施工難度大，造價高；堆載預壓[3]雖然是處理軟土地基的一種有效方式，但由于完成固結和沉降的時間長，工期難以保證。根據儲罐的要求、土質分析以及以往工程實踐，經過方案論證和比選，提出了采用振沖碎石樁輔以充水預壓的方式對儲罐地基進行綜合處理。

本工程采用的振沖碎石樁能夠達到的效果和作用如下：一是減少沉降量，通過碎石樁的置換原理形成復合地基，大幅度提高地基的承載力和地基的整體性；二是消除液化，通過振密原理消除第②層可液化的砂層；三是提高地基土強度，在儲罐充水預壓試驗過程中，利用碎石樁作為地基的豎向排水通道，將飽和軟黏土空隙中的水擠壓排出，使地基在上部荷載的逐漸作用下，慢慢發生固結變形，最終提高地基土的強度，以滿足設計要求。

2 振沖碎石樁加固地基的原理

為了能夠減少儲罐沉降和不均勻沉降，有效消除在地震作用下的砂土液化，在軟弱的地基中選擇打入一定數量的碎石樁，通過碎石樁對原地基土的置換，促使碎石樁和樁間土發生變化形成復合地基，大幅度提高地基整體的承載力，這是振沖碎石樁加固地基的根本原理。

碎石樁主要是加固飽和軟黏土，起到土質置換作用。由于碎石樁的樁體強度遠大于周圍土質，地基中的應力會根據材料變形模量重新分配，碎石樁承擔了大部分載荷，利用碎石樁的樁體強度有效地解決了復合地基的承載力問題，同時碎石樁的樁間土具有約束效應，也會間接提高碎石樁的強度。另外，在碎石樁施工過程中，水平方向的振動會使樁體對地基土產生一定的擠壓密實作用，使樁間土強度提高，根據大量的工程試驗結果，處理后的地基承載力一般可達200～300 kPa[4]。對于碎石樁沒有穿透的較厚軟弱土，也會因為碎石樁的進入從而形成復合地基，起到地基整體的墊層作用。而對儲罐地基進行充水預壓，碎石樁還將承擔豎向排水作用，可加速土層固結，這樣儲罐所引起的沉降即可大大減少，從而使土層在使用荷載下的變形大為減少。

3 振沖碎石樁加固地基的設計

通過對原有地基的加固處理，使復合地基承載力特征值達到fspk≥225 kPa，沉降值和差異沉降值符合儲罐基礎變形限值，滿足儲罐對地基承載力以及對沉降和差異沉降的要求，這是本工程加固地基的主要目的。

新入職護理人員由于與臨床工作接觸時間較短，實踐操作能力不足較易出現護理工作失誤，帶來多方面不良影響，除外對護理理論知識的掌握不足也影響新入職護理人員的工作質量與效率[8-9]。當護士的護理質量不能滿足臨床治療需求與患者對護理工作的需求時，患者的疾病康復效果與對護理工作的滿意度均受到較差影響[10-11]。許多學者均對如何提升新入職護理人員護理質量進行探索，在王春艷等[12]的研究中提出，核心能力培養可有效優化ICU低年資護士的護理能力。與曾惠文等[13]觀點相似。本研究認識到項目管理式優化法的應用價值，并在此基礎上實施綜合病例下站點式護理技能教學實踐法，效果較好。

3.1 設計原則

根據浮頂儲罐的特性和儲罐所在場地的地質條件，地基加固處理面積要大于儲罐基礎面積，一般要擴大至儲罐基礎邊緣外2～4排樁，結合本工程36 600 m3浮頂油罐所在場地的位置條件，地基加固處理面積選擇擴大至儲罐基礎邊緣外3排樁。

布樁形式采用等邊三角形布置，樁徑1000mm，根據變形控制的要求以及排水固結的需要，確定樁端進入第④層肥沃黏土，由于罐中心區域沉降量相對外圍區域大，罐中心區域的樁長為23 m，外圍區域樁長為18 m。

3.2 樁距的確定

面積置換率不但決定復合地基承載力的大小，而且是表示樁間距的一個指標。為使碎石樁的設計達到最優化，選擇恰當的值是設計關鍵。面積置換率m是樁的斷面面積與其影響面積之比，一般表示為：

式中：d為樁的直徑；de為樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，對于等邊三角形布樁，de=1.05 s，s為樁間距。

確定值一般根據規范[5]：

式中：Esp為復合土層壓縮模量；Es為樁間土壓縮模量；n為樁土應力比。

黏土的樁土應力比受樁體材料、地基土性、樁位布置、樁間距以及施工質量影響較大，其應力比n值不是一個常數，根據國內外工程實際的樁土應力比實測值，最大為6，最小為1.4，一般為2～5[3-6]。由于樁土應力比的變化范圍較大，而且在設計初期無法取得實測數據，因此根據經驗資料計算出來的數值差異較大。

為了確定值的合理性，根據單樁承載力特征值、處理后的樁間土承載力特征值、復合地基承載力特征值，計算得出值。以36 600 m3浮頂儲罐為例，根據規范[5]，復合地基承載力特征值計算用以下公式：

通過計算得出，36 600 m3浮頂儲罐對地基承載力的要求為fspk≥225 kPa，因此fspk≥225 kPa即為復合地基承載力的特征值；根據綜合單樁極限承載力法和類似工程實例，fpk值取450 kPa；選擇地基處理前的天然地基承載力特征值進行替代，fsk值取130 kPa。由式（3） 計算得出：m=0.297；由式（1） 計算得出：de=1 835 mm；根據式de=1.05 s計算得：s=1 748 mm，取s=1 750 mm。儲罐基礎平面布置見圖1。

圖1 儲罐基礎平面布置

3.3 變形計算

根據國家GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》的有關規定，對復合地基的變形進行計算得出，對于處理前的地基沉降量，罐中心為-2.626 m，罐邊緣為-1.375 m；對于加固處理后的復合地基最終沉降量，罐中心為-1.015 m，罐邊緣為-0.614 m；對于充水預壓期間完成的沉降量，罐中心為-0.717 m，罐邊緣為-0.367 m；對于充水預壓后的剩余沉降量，罐中心為-0.298 m，罐邊緣為-0.247 m（小于0.30 m）；錐面變形為0.998。變形計算結果滿足儲罐運行要求。

4 施工工藝

振沖碎石樁加固地基的工藝首先是使用振沖器水沖成孔，待造孔至設計深度時進入清孔階段，反復提升下放，使之達到預定的直徑和清理掉孔中泥漿的目的。清孔后，將一定級配的碎石填入孔內，再用振沖器振密碎石，反復填料、振密直至形成碎石樁。見圖2。

圖2 振沖碎石樁施工工藝示意

結合本工程的實際情況，采用了75 kW的振沖器，密實電流為90 A，留振時間為10～20 s。碎石料采用40～70 mm和25～40 mm兩種粒徑的碎石，填料充盈系數為1.2～1.4。施工順序由罐中心向罐邊緣施工，并采用跳打的方式，防止鄰樁的擾動。36 600 m3浮頂儲罐共成樁1 189根，其中中心區域217根，樁長23 m，外圍區域972根，樁長18 m。

在樁施工完成之后，儲罐基礎施工之前，應將松散的樁頭清理干凈，并進行機械碾壓，隨后鋪厚度為400 mm的碎石墊層，其壓實系數≥0.95。

5 試驗與效果評價

試驗區域：儲罐周邊的試樁區。試驗時間：成樁3周之后。試驗對象：選取5個具有代表性的樁位。試驗方法：按照JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》附錄A規定[5]進行單樁復合地基載荷試驗，采用直徑1.85 m的壓板，荷載按照設計荷載的2倍加載。試驗結果見表2。從表中試驗結果可知，復合地基承載力特征值和變形模量均符合設計要求。

表2 單樁復合地基載荷試驗結果

成樁40 d后采用靜力觸探對加固后的樁間土進行了檢測，在有代表性的位置選取4個點測試，對這些試驗數據進行了分層數理統計，測試結果及與加固前的靜力觸探資料對比見表3。

表3 地基土處理前后靜力觸探試驗成果對比

振沖碎石樁的地基處理施工方法雖然會對黏性土擾動較大，且恢復較慢等，但從上述比較結果可知：以黏性土為主的①、③、④層樁間土，在靜力觸探檢測時，樁間土的強度將會進一步恢復提高；而對于以砂土為主的②層樁間土，取得的效果非常顯著，經過振沖碎石樁對砂土的振密，消除了砂土液化，提高了地基土強度。

儲罐主體建成后，利用儲罐的充水試驗進行了預壓，預壓完成后，實測罐周的最終沉降量為-0.63 m，剩余沉降量小于0.30 m，充水61 d后的固結度超過80%。

6 結束語

振沖碎石樁加固大型儲罐地基處理的工程實踐，證明了該方法應用于軟土地質條件是可行的，能夠有效地提高地基土承載力，減少沉降和不均勻沉降，而且消除了地震時砂土的液化，加固效果顯著，可以滿足設計要求。該方法具有施工簡便、設備機具投入少、施工進度快、工程造價低、成樁質量便于控制等優點，推廣應用前景良好。由于振沖法的設計目前還處在半理論半經驗狀態，從本工程實踐總結出的碎石樁與充水預壓綜合處理大型儲罐軟土地基的經驗，可供類似地質條件下的工程借鑒。