郭 东, 郭 明

(1 中国建筑西北设计研究院有限公司，西安 710018；2 长庆工程设计有限公司，西安 710018)

0 引言

为响应逐步建立和完善国家石油战略储备体系,越来越多石油储备库得到建设,10万方及以上大型钢储罐是其中重要的组成部分。我国西北地区是石油的重要产地及储运地,近年来随着储备库的规划及实施,已经建成或正在建设一批大型石油钢储罐,其地基土层湿陷性黄土分布广、厚度大、含水率低是场地主要特征[1],且天然地基承载力一般不能满足大型储罐对地基承载力的要求。消除湿陷性、提高地基承载力、减小不均匀沉降是大型储罐地基及基础设计需要解决的主要问题[2],同时合理选择地基处理形式对节约投资、保护环境具有重要意义。基于上述问题,本文结合实际工程,介绍了湿陷性黄土场地上大型储罐基础设计方法。

1 工程概况

工程位于陕西省西北部,属于大型原油储备库,2010年工程建成,对于提高我国陆上石油战略储备具有重要意义,项目建设整体效果图见图1。

图1 项目建设整体效果图

工程主要分为站场生活区及储罐区,储罐区包含新建6具10万方大型原油储罐,储罐采用浮顶钢油罐,直径80.0m,罐壁高21.8m,罐内最高液位高20.2m,物料重度8.5 kN/m3,罐壁重9 389 kN(包括保温层),罐自重198 000kN, 充水预压重1 030 000kN。场地基本地震动峰值加速度值为0.05g,对应地震烈度为6度,场地类别为Ⅱ类,地震动反应谱特征周期为0.45s,基础抗震设防类别为乙类;抗震措施按7度考虑,地基基础设计等级为甲级。场地地基土层属于湿陷性黄土,按湿陷性场地上的建筑物划分属于甲类构筑物。

2 地质条件

场地地貌单元属于山前冲洪积平原,地形起伏稍大、地势开阔,场地分布地层主要为三大层:黄土状土、马兰黄土和离石黄土,地层纵向和横向分布较为均匀,场地土层分布见表1。

表1 场地土层分布

场地为山地区域,地下水埋藏较深,地基基础设计不考虑地下水的影响。1#罐所在区域局部土层湿陷性等级为Ⅱ级自重湿陷,其他区域土层湿陷性等级为Ⅰ级非自重,湿陷性土层深度范围为5.5～14.5m;其他罐场地土层湿陷性等级均为Ⅰ级非自重,湿陷性土层深度范围为2.5～15.5m。

限于篇幅,表2仅列出1#罐部分探点湿陷性土层特性。此外,1#、3#罐局部场地位于填方区,最大填方深度1#罐约为6.0m,3#罐约为2.0m。6#罐场地位于挖方区,最大挖方深度约为5.0m。在5#罐区东南角形成小型黄土坑穴。

表2 1#罐场地湿陷性土层参数

3 基础设计

罐体直径大、高度高,罐体荷载在罐四周底部分布较为集中,受地基土层的均匀性影响较为敏感,采用钢筋混凝土环墙式基础,使储罐在充水预压过程中均匀沉降,同时储罐罐壁的安全及可靠性得到保障[3]。另外,在环墙内采用中心坡向四周的分层压实垫层,使罐体底部沉降满足要求,保证罐体底部安全。基础部分断面见图2,其中β为罐壁伸入环墙顶面宽度系数,一般可取0.4～0.6;γL为罐内使用阶段储存介质的重度,kN/m3;hL为环墙顶面至罐内最高储液面高度,m;βγLhL为罐内储存介质通过罐体传至环墙基础的压力,kPa;gk为罐壁传给环墙的线荷载标准值,kN/m;γC为环墙的重度,kN/m3;γm为环墙内各层的平均重度,kN/m3;h为环墙高度,m。

图2 储罐基础断面

3.1 基础截面确定

根据图2,为了使储罐环墙基础及环墙基础内垫层发生均匀沉降,则要求环墙基底压力与同标高环墙内土层压力相当,即:

(1)

由此可以得出环墙宽度b:

(2)

式(2)即为《石油化工钢储罐地基与基础设计规范》(SH/T 3068—2007)[4]中储罐环墙基础宽度计算公式。同时,为减小罐内储存介质通过罐体传至环墙基础的压力,基础顶部内侧采用切角构造做法。

按全部罐壁荷载直接传至环墙顶计算,gk为37.4 kN/m,β为0.5,γL为8.5 kN/m3,hL为20.2m,γC为25 kN/m3,γm为19 kN/m3;h为2.0m,计算得:

b取0.6m。作用于环墙基础的最大环向力主要来自罐内充水预压荷载及环墙内土体对环墙产生的侧压力。所以,环墙基础环向作用效应按式(3)确定。

Ft=(γQWγWhW+γQmγmh)KR

(3)

式中:Ft为环墙单位高环向力设计值,kN/m;γQW、γQm分别为水、环墙内各层自重分项系数,分别取1.1、1.0;γW、γm分别为水的重度、环墙内各层的平均重度,kN/m3,分别取9.8、19.0;hW为罐内最高储水面高度,m,为20.2m;K为环墙侧压力系数,按软土地区取0.50;R为环墙中心半径,m,为40.0m。

按式(3)计算得:

Ft=(1.1×9.8×20.2+1.0×19×2)×0.5×40=5115.12kN/m

3.2 基础配筋

按轴心受拉构件设计[5],储罐环墙基础纵向受力钢筋计算见式(4)。

(4)

式中:γo为重要性系数,取1.0;As为环墙单位高环向钢筋的截面面积,mm2;fy为钢筋的抗拉强度设计值,N/mm2。

储罐环墙基础竖向配筋按受弯构件最小配筋率0.215%确定。钢筋采用HRB400,fy为360N/mm2,100mm高度范围内基础受力钢筋计算得:

图3 环墙基础配筋示意

3.3 地基处理方案

针对湿陷性黄土地区,地基处理方法有多种[6],如:强夯法、垫层法、桩基、挤密法以及预浸水法等[7]。考虑罐区周围存在已建站场,强夯震动剧烈,噪音大;另外,场地存在较厚湿陷性土层,不适宜强夯处理。预应力混凝土管桩,对桩间土挤密效果不理想,要达到挤密土消除湿陷性,则桩数较多,造价较高,不能充分发挥该桩本身高强度的特点,所以不适宜采用此方法[8]。由于湿陷土层较厚,按《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)[9]要求,甲类建(构)筑物地基土应全部消除湿陷性,采用垫层法,垫层厚度太大,土方量大,工程投资高,所以垫层法不适合本工程。采用预浸水法处理地基时[10],要求浸水坑边缘至邻近建筑物的距离不宜小于50m。由于罐区附近存在已建建筑物,所以此法不适用于本工程地基处理。

经过综合对比,本工程地基处理利用原场地地基土承载力,采用复合地基处理方法[11]。在进行复合地基方案确定时,针对各储罐基础分别对三种方案进行比选。方案一:孔内深层强夯桩(DDC桩)+灰土石垫层;方案二:挤土夯扩混凝土大头桩+灰土石垫层;方案三:沉管成孔素混凝土灌注桩(CFG桩)+灰土石垫层。三种方案均按经验值公式确定复合地基承载力。桩间距按照《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2002)[12](简称地基规范)提供公式进行计算。

1#罐处于填方区,相对于场地地坪最大填方深度约为6.0m。考虑到如果先填方后打桩的施工作业方法,桩长较长,很难满足施工工艺的要求。所以,采用先打桩后填方的施工作业方法。由于①土层部分表层为耕土,厚度较薄,在进行桩施工时,先挖除该土层至②土层,然后打桩,打桩完成后采用灰土垫层填至灰土石垫层底标高,桩长穿透地基土湿陷性土层,桩的最小长度约为13.0m。根据地基规范,按照垫层法核算地基承载力,PZ+PCZ≤fh,即垫层底面处的附加应力PZ与垫层底面处土的自重应力PCZ不应大于垫层下土的承载力fh。经过核算,①、②土层均不能完全满足作为持力层时承载力的要求,经修正后③土层承载力满足设计要求。所以,选择③土层作为地基持力层。挖除①土层打桩至③土层时,桩的最小长度约为11.0m。由此确定1#罐桩的长度为13.0m。1#储罐地基处理示意图见图4。

图4 1#储罐地基处理示意

方案一选用DDC桩成孔直径400mm,桩径500mm,桩间距1.3m,桩数4801根,桩身为挤密2∶8灰土。根据地基规范及《孔内深层强夯法技术规程》(CECS 197∶2006)[13],处理后复合地基承载力特征值估算值为543.61kPa。方案二挤土夯扩混凝土大头桩成孔直径400mm,扩大头径700mm,桩间距1.5m,桩数3 570根,桩身为C20混凝土。根据地基规范估算,单桩承载力1205.76kN,复合地基承载力684.61kPa。方案三采用400mm直径的CFG桩,桩间距1.3m,桩数4 801根,桩身为C20混凝土。根据地基规范估算单桩承载力为810.12kN,复合地基承载力为501.72kPa。

2#、4#、5#罐灰土石垫层层底标高处于挖方区,且均处于②土层。所以直接在灰土石垫层下打桩。同1#罐,应消除地基土的全部湿陷量,所以保证桩长穿透地基土湿陷性土层,从灰土石垫层底标高开始算起,穿透湿陷性土层(14.5m),桩的最小长度约为11.5m。经过核算,①、②土层均不能完全满足作为持力层时承载力的要求,经修正后③土层承载力满足设计要求。所以,选择③土层作为地基持力层。从灰土石垫层底算起,打桩至③土层时,桩的最小长度约为13.5m。由此确定2#、4#、5#桩的长度为13.5m。地基处理同1#罐。

6#罐场地处于挖方区。罐底灰土石垫层底位于②土层,直接在灰土石垫层下打桩,从灰土石垫层底标高开始算起,穿透湿陷性土层(14.0m),桩最小长度约为7.5m。经过核算,②土层不能完全满足作为持力层时承载力的要求,经修正后③土层承载力满足设计要求。所以,选择③土层作为地基持力层。从灰土石垫层底算起,打桩至③土层时,桩的最小长度约为8.5m。由此确定6#桩的长度为8.5m。

3.4 地基处理方案比选

对地基处理方案一、二、三进行参数和经济性分析,见表3、4。方案一、二、三的优缺点对比见表5。

表3 地基处理方案参数分析

表4 地基处理方案经济性分析/(万元/具)

表5 地基处理方案优缺点对比

综上所述,地基处理采用方案一:孔内深层强夯桩(DDC桩)+灰土石垫层。地基处理四分之一部分DDC桩平面布置见图5。

图5 DDC桩平面布置示意

DDC桩体采用2∶8灰土,处理后要求桩体平均压实系数不小于0.97,桩间土平均挤密系数不小于0.93,且施工前对场地地基土层进行增湿。

3.5 地基土层增湿

场地地基土层以粉土为主,含水率的高低对基桩成孔及桩间土压实系数影响较大,间接影响消除土层湿陷性的效果[14]。根据工程经验[15],当含水率小于10%时,土体为较干性土层,土体可塑性差,干强度低,施工成桩时成孔困难,沉管不易拔出,甚至出现沉管被拔断的现象,且根据试桩结果桩间土平均挤密系数较难达到0.93的要求[16];含水率过高时,沉管后塌孔较为严重,且注水增湿成本较大。

因此,本工程在进行地基处理前,对场地土层进行增湿作业,使土层达到最优含水率。增湿方案采用400mm直径沉管成增湿孔,孔位于DDC三桩中心位置,孔底深为DDC桩以上2.0m,孔内分层填中粗砂至孔口以下0.5m并注水,使水均匀渗入周围土层。注水量按试验确定的最优含水量计算控制,土层含水率基本控制在12%～15%。注水完成后注水孔上部采用2∶8灰土分层回填并夯实,土层增湿平面示意见图6。

图6 场地土层增湿平面

3.6 罐体充水预压

储罐安装完毕后,进行罐内充水预压,其目的是检查焊接质量,同时也对地基进行预压,使主要沉降在充水预压过程中大部分完成,两者结合在一起进行。第一次以2m/d的进水速度向罐内充水到储罐高度的1/3进行沉降观测,当沉降速率不大于10mm/d时可继续充水,以后每次充水高度均为储罐高度的1/3,且进行沉降观测,每次充水后应至少保持48h进行观测,严格控制沉降速率小于10mm/d,如此渐进直至充水到最高液位,继续进行沉降观测,当沉降速率小于5mm/d时,认为充水预压达到稳定标准,随即放水卸荷。但放水时速度不应太快,放水速度以2m/d为宜,放一次水停24h,实测地基的回弹,重复上述工序,直到放水完成[17]。限于篇幅,仅列出2#罐周边两处及罐中心点的沉降观测结果,见图7。

图7 2#罐充水预压沉降

由图7可以看出,2#罐周边及中心点地基沉降随充水荷载的增大而增大,第15d充满水后地基沉降虽有增大趋势,但沉降趋于稳定,且罐中心点地基沉降始终大于周边点,中心点、周边点地基最大沉降分别为71、43mm,罐底锥面沉降差为28mm。第19d开始放水,随着储罐卸荷,地基沉降略有回弹,罐中心点及周边点地基回弹量分别为14、11mm。

3.7 地基沉降

(1)地基变形估算

本工程储罐地基变形主要由两部分组成,一部分为DDC桩复合地基压缩变形,另一部分为复合地基下卧层压缩变形,这两部分划分为两种土层,根据地基规范中的分层总和法估算地基变形量。

p0包括储罐充水自重、环墙内填料及环墙基础底部灰土石垫层自重,按式(5)计算:

(5)

式中Dt为环墙基础外边缘直径。

以2#罐中心及周边两点沉降计算为例,①～⑧土层压缩模量分别为19.20、26.10、28.39、18.81、20.51、20.93、31.67、30.25MPa,复合地基对应为②土层,其压缩模量按照地基规范进行计算,取值为78.3MPa,中心点、周边点1、2计算沉降分别为82.6、43.7、42.5mm。限于篇幅,其他各罐地基沉降估算结果见图8。

图8 沉降估算结果及实测值

由图8可以看出,各罐中心点沉降估算值在78～96mm之间,周边点沉降估算值在36～49mm之间,各罐实测中间点沉降及周边点平均沉降分别在66～73mm 及28～32mm之间,且中心点沉降均大于周边点,锥面沉降差最大为41mm,罐基础沉降及锥面沉降差均满足设计要求[19-20]。由此说明,地基处理实施效果良好。

(2)地基沉降观测

沉降观测包括罐基础完工后、储罐充水预压前、充水过程中、充满水稳压阶段、放水后等全过程的各个阶段。每个罐基础周边设置28个沉降观测点,沿圆周方向对称均匀设置,且在罐中心设置一个观测点。各罐地基沉降实测见图8。中心点与周边点竖向最大沉降差为53mm,周边相邻测点间最大沉降差为14mm,充水预压后锥面坡度均大于0.008。

图9为储罐主体完成时照片。储罐地基实测沉降均小于理论估算值,地基处理实施效果能够达到设计预期,且工程建成投产以来,运行安全、稳定。

图9 储罐主体完成时照片

4 结论

(1)本工程场地土层具有西北地区湿陷性黄土场地的通用特性,本文从提高土层承载力及均匀性,消除湿陷性角度出发,通过经济性和施工可行性论证,探索了一种具有良好经济效益、社会效益、环境效益的地基处理方法,采用分层总和法进行地基沉降估算,并和充水预压后的沉降观测结果对比,验证了地基处理方案的合理性,根据对比结果,各储罐复合地基沉降值均小于理论计算值。

(2)在施工过程中,通过对场地进行增湿作业,解决了施工时沉管不易、拔管困难、土层湿陷性不易消除等问题,保证了地基处理方案的顺利实施。这一方法可广泛应用于DDC桩土层含水率较低的粉土场地。