夏景和

(中国石化集团洛阳石化工程公司，河南洛阳 471003)

0 引言

在工程设计中，当天然地基不能满足建(构)筑对地基的要求时，就需要进行地基处理，形成人工地基，以保证建(构)筑的安全和正常使用。随着科学技术的进步，建筑施工技术的不断提高，地基处理的方法也越来越多，如桩基、复合地基等各种形式，但相对于某个具体工程，究竟采用哪种处理方法更经济，施工更方便，更环保、更安全可靠，就需要结构工程师根据当地的地质条件、自然条件、施工力量、工程工期等多方面因素综合分析，统筹考虑，以最大限度地做到地基处理方案的先进、经济、合理。

1 工程地质条件

拟建场位于西安市郊，在原有厂区旧装置之内。根据生产需要，原油罐区共建有3万m3外浮顶罐8座，及与此配套的管架、泵房等附属设施。

根据业主提供的《岩土工程勘察报告》，罐区所在场地地势平坦，地貌单元属于渭河南岸Ⅰ级阶地，地质剖面显示大体上共有6个土层，从上到下分别为：

①素填土，局部为表土，杂填土，以粘性土为主，黄褐色，硬塑，含植物根、砖瓦碎片、炭屑，成分杂乱，结构松散。该层不宜作地基持力层;

②黄土状土，以粉质粘土为主，黄褐色～灰黄色，硬塑～可塑，夹粉砂薄层，地基承载力特性值为120 kPa，压缩模量为8.0 MPa;

③细中砂层，以中砂为主，夹粉细砂和粉质粘土透镜体或薄层，级配均匀，含少量粘性土，稍湿，松散，地基承载力特征值100 kPa，压缩模量为5.0 MPa;

④中粗砂，以中砂为主，夹粗砂、细砂透镜体或薄层，含少量粘性土，稍湿，稍密，地基承载力特征值 250 kPa，压缩模量13.0 MPa;

⑤中粗砂，以中砂为主，混粗砂，含少量粘性土，稍湿，中密，地基承载力特征值300 kPa，压缩模量30.0 MPa;

⑥砾粗砂(未穿透)，地基承载力特征值350 kPa，压缩模量35.0 MPa。

本场地土不液化，不具湿陷性，也无其他不良地质现象。

2 原油罐区地基处理方案比较

原油罐单罐计算容积31 560 m3(常温常压)，罐体直径46 m，罐体高19 m，充水时最大重：G=309 500 kN，生产时最大重：G= 297 200 kN。仅按上部垂直荷载估算(不计基础填土)，就需要地基承载力特征值至少200 kN/m2以上，才能满足地基基础强度及变形的要求。

根据地质勘察报告的描述，该罐区地基土为软弱土层，工程性质差，除表层耕土层不能用作持力层外，②，③层土的承载力均低于油罐需要的地基承载力，压缩模量低，沉降量大，而且部分钻孔中发现有1.0 m～2.500 m的淤泥质粘土。从以上地质报告分析，必须对地基土进行加固处理，才能保证油罐的安全使用。

2.1 钻孔灌注桩方案

桩径600 mm(以下均按一个油罐计算)，以第⑤层土为桩尖持力层(进入该土层1 m)，单个油罐按垂直力估算所需桩数，按3 d间隔布桩大约需352根。连同钢筋混凝土桩承台共计需要投资约192万元。

优点：受力明确，沉降小，质量有保证，稳妥，施工方便。缺点：投资巨大。

2.2 灰土垫层方案

以④层土为持力层，其上土层全部挖除，用3∶7灰土置换，要求压实系数不小于0.93，地基承载力特征值可达到220 kPa，满足油罐承载力要求。第④层土顶标高大部分约在376.0 m，需换土H=6.2 m(其中有填土层3.82 m)，换土体积为12 000 m3，估算投资需要48万元。

优点：投资少，沉降在施工质量好的前提下能保证。

缺点：由于换土厚度达6 m，施工受人为因素影响较大，质量不好控制;而且如遇雨季则施工困难，工期长;从结构稳妥性上考虑，不如桩基可靠。

2.3 强夯方案

强夯法处理地基是在极短的时间内，对地基土施加一个巨大的冲击能，使土体发生一系列的物理变化，使得其承载能力提高，压缩性降低，达到加固地基的作用。它具有施工简便，节省材料等优点，从20世纪70年代起，就在我国得到广泛的推广和应用。

整个罐区采用3 000 kN·m能级强夯，单个油罐强夯面积为2 050 m2，按当地2001年合同价，3 000 kN·m能级约140元/m2计，需要投资29万元。

优点：投资少，沉降小，施工简便。

缺点：强夯完成后，滞留时间长，不能马上施工基础，而且强夯后挖除的土层，由于土层坚硬，不能做回填土使用，会额外增加费用。另外如遇雨季，场地泥泞，大型机械难以进场，施工困难。工程总承包项目部，根据整个工程的工期统筹考虑，不赞成该方案。

2.4 CFG桩方案

CFG桩是英文Cement Fly-ash Grave的缩写，意为水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的可变强度桩。通过调整水泥掺量及配比，其强度等级在C5～C25之间变化，是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型。CFG桩和桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同工作，适用于西安地区该装置的地质条件。

根据该厂以往工程的相近单体CFG桩复合地基检测结果，当面积置换率为0.087 8时，复合地基承载力特征值为250 kPa，可满足油罐强度及沉降的要求。按φ400桩，桩距4d=1.6 m布桩，桩数543根，不做护桩(布桩图省略)。

桩长：从砂垫层300厚下面起算，到⑤层土中粗砂，再下去1 m，长L=11 m左右。

V=0.785×0.42×11×543=750 m3，按西安地区当时价格600元/m3～650元/m3(包括碎石垫层)，需要投资49万元。

优点：施工方便，工期短，沉降小。

缺点：投资较大。

2.5 振冲碎石桩方案

振冲碎石桩是利用一个产生水平振动和施加垂直力的管状设备，在软土地基中成孔，再向孔内分批填入碎石填料，同时将振动设备沉至填料中进行振实，在地基中形成密实的桩体。碎石桩在软土地基中起到置换、排水、加筋和垫层的作用，该桩体和原来的地基构成复合地基，从而减少地基的变形，提高土体抗剪强度，增强地基稳定性。碎石桩处理软土地基具有施工工艺简单、成桩速度快、既不用钢材，也不用水泥、工程造价低廉等优点，对于提高地基承载力，增强地基稳定，减少基础沉降和不均匀沉降，有着重要作用。

碎石桩在西安地区，特别是石化厂内已经应用多年，甲方有这方面的施工经验，而且经实践检验，已有很多经碎石桩处理复合地基的成功案例。但在大型油罐方面，以往大都是钢筋混凝土灌注桩或CFG桩复合地基，还没有用碎石桩复合地基的尝试。

2.5.1 复合地基承载力计算

设计荷载：充水时最大重G=309 500 kN，填土荷载：H=2.7 m。

q=309 500×1.1/π×23×23+2.7×19=256 kPa，取q= 260 kPa。即以承载力布桩时，复合地基的承载力特征值应大于260 kPa。

设计振冲桩参数如下：振冲桩桩径：1 100;桩长：平均桩长为6.5 m;桩距：S=2.3 m，正三角形布置;面积置换率：m=0.207。

复合地基的承载力特征值，可用《建筑地基处理技术规范》中式(6.2.8-1)来计算：

其中，fspk为复合地基的承载力特征值，按充水工况考虑，不小于260 kPa;fpk为桩体单位截面积承载力特征值，取700 kPa;fsk为桩间土承载力特征值，考虑到③层土细中砂的可加密性，桩间土承载力特征值取170 kPa;振冲法处理后复合地基承载力特征值fspk可达280 kPa，满足设计要求。

以油罐中心为圆心，渐变间距(从中心到外边逐渐变疏)，近似为正三角形布桩。由于碎石桩是非刚性桩，所以在外圈做2排保护桩，共计桩数S=486根，取490根。桩长从砂垫层300厚下面起算，到④层土粗中砂，平均桩长6.50 m。碎石桩用量：

碎石桩用量约为3 025 m3。按120元/m3计(包工报料)，需投资36.30万元/座。

优点：施工方便，投资省;缺点：沉降相对较大。

2.5.2 原油罐沉降计算

采用分层总和法，按SH/T 3068-95石油化工钢储罐地基与基础设计规范中7.2.3公式计算(过程从略)。

计算沉降值：中间处S=186 mm，边缘处S=88.2 mm，沉降差Δ=97.8 mm，平均S=137.1 mm。

按油罐直径φ=46 m，沉降差允许值［Δ］=0.004φ=0.004× 46 000=184 mm，现沉降差可以满足规范要求。

2.6 几种地基处理方案对比(仅对一个油罐)

地质处理方案对比见表1。

表1 方案对比一览表

通过表1可以看出，五种地基处理方案中，碎石桩方案施工方便，质量有保障，而且投资较省，其投资仅是灌注桩方案的19%，是CFG桩方案的73%。按整个原油罐区8个油罐计算，可节省总投资1 200万元。经与有关人员共同商定，最终采用碎石桩处理复合地基方案。振冲法施工速度快，质量容易控制，是一种有效、简便、经济的地基加固方法。

3 碎石桩复合地基的施工和质量检验

3.1 碎石桩复合地基的施工

碎石桩由北京某公司施工，采用ZCQ-30型振冲器，施工后桩顶铺设碎石垫层，厚度为30 cm。碎石材料采用未风化的干净砾石或轧制碎石而成，级配采用20 mm～40 mm自然级配，含泥量不大于5%。松装容重不小于1.5。具体施工参数由施工单位参照有关规范、规程确定。

3.2 碎石桩复合地基质量检验

振动碎石桩的检验与评价分为两个方面：

1)碎石桩的施工质量，如桩位偏差、桩径、桩体密实度等;

2)复合地基的功效，如承载力、沉降量等是否达到了设计要求。

一般常用单桩荷载实验和桩体动力触探试验，对功效的检验则有单桩复合地基荷载试验、多桩复合地基大型荷载试验、桩间土的荷载试验、标准贯入试验、静力触探等。

1)复合地基承载力标准值采用单桩复合地基载荷试验确定，试验按JGJ 79-91建筑地基处理技术规范附录一“复合地基载荷试验要点”进行。

2)埋设沉降观测点，振冲碎石桩施工完后进行观测。观测时间为一年，并根据观测资料的分析，预测后期沉降和最终沉降。

该罐区油罐基础经检测，处理后复合地基承载力均达到或超过了设计要求。基础施工完成投产后，经一年的沉降观测，沉降在施工完后的三个月后就已趋于稳定，总沉降量较小(平均为121 mm，小于设计计算量)，各观测点沉降较均匀。说明经振冲碎石桩处理后，沉降能很快完成，且无差异沉降。从桩体完成施工后(2002年11月)到现在，主体工程没有发现明显的不均匀沉降或倾斜迹象，装置运行平稳。实践证明，用碎石桩处理软土地基上建造大型油罐是成功的。

4 结语

在工程设计实践中，必须在保证结构安全可靠的前提下，根据当地地基土质的特点、施工工期、施工难易程度、经济指标等因素，进行多方面的分析对比，在多种可选择的地基处理方法中，筛选出质量有保证，工期最短，投资最省的基础设计方案。地基方案的合理确定和优化设计，是结构工程师的一项基本任务。

［1］ SH/T 3068-2007，石油化工钢储罐地基与基础设计规范［S］.

［2］ JGJ 79-91，建筑地基处理技术规范［S］.