复合载体夯扩桩在大型油罐基础工程中的应用

1 工程概况

    某公司在辽宁省兴建3个10000ｍ³大型储油罐。罐体直径28m，罐高17.8m，为圆柱形拱顶钢结构，自重180t，在满负荷工作状态下总重10320t。上部结构设计要求地基承载力标准值大于230KPa。油罐基础采用450mm厚钢筋砼环墙，总高1.5m，地面以上1.0m，承台厚700mm。按《石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范》要求10000ｍ³钢质储油罐的任意直径方向允许沉降差不大于0.010Ｄ(Ｄ是油罐直径),环墙相邻点沉降差不大于2.5‰,沉降稳定后油罐底板反拱坡度不小于8‰。

    根据勘察报告提供的地质资料见表1所示。

表1　场地土层物理力学性质指标

    地下水埋深＞9.0m，地下水主要受农田灌溉和大气降水的影响，经水质分析，地下水对钢筋混凝土无腐蚀性。

    从表1可以看出油罐基础以下的粉质粘土、中细砂的地基承载力均不能满足上部结构设计要求地基承载力，因此需要进行加固处理，以满足对地基承载力和变形的要求。根据当地情况、技术标准、经济造价、工期和施工可行性等几个方面因素进行综合方案对比分析,本工程最后采用复合载体夯扩桩复合地基。

2 单桩承载力的确定

    2.1 参数确定

    根据结构设计条件及工程地质剖面，桩端位于③粉质粘土层，持力层为④中细砂层，f_ak=160kPa。桩底扩大头进入第④层≥500。桩的入土深度约5.0m，计算深度D=5.0+1.2=6.2m，桩径400mm，桩身砼C30，主筋6φ12，箍筋φ6@300。复合载体夯扩桩详图见图1。

    2.2　单桩竖向承载力特征值估算

    根据《复合载体夯扩桩设计规程》JGJ/T135-2001，由公式4.2.2：

    桩周摩擦阻力不计，则∶

    式中：，

    被加固土层为③粉质粘土层，由其液性指标查表4.2.2，取三击贯入度20cm，并根据当地实际经验取。

    则：

    桩身强度：

    取，确定桩数时取。

    2.3　布桩及确定桩的数量

    根据工艺专业提供的油罐在满负荷工作状态下总重103200kN。承台、环墙自重和承台上土总重标准值。桩顶总荷载标准值为131073kN。依据前面确定的单桩承载力特征值1020 kN。所以每个油罐的桩数为根。根据《复合载体夯扩桩设计规程》（JGJ/T135-2001）的3.0.3条，桩的中心距要求桩间距不宜小于1.6～2.0m,所以本工程取桩间距为2.2～2.5m。实际每个油罐布桩131根，油罐桩位布置图见图2。

    2.4　等代实体深基础承载力验算

    根据《复合载体夯扩桩设计规程》（JGJ/T135-2001）的4.2.3条，对于多于9根的单独基础和满堂布置，应进行等待实体深基础承载力的验算。根据公式4.2.3-1，4.2.3-2计算如下：

    p—持力层顶面附加压力；

    F—桩顶竖向荷载标准值，F＝103200kN；

    G—承台、环墙自重和承台上土总重标准值G＝27873kＮ；

    —承台底处桩的外缘起算基础的长度(m)，；

    —承台底处桩的外缘起算基础的宽度(m)，；

    —等效计算距离，取0.6m；

    —桩侧第i层土的侧阻力特征值，取其为25kPa；

    ；

    —复合载体顶面以上至承台底范围内土的加权平均重度，取。

    复合载体持力层承载力特征值的确定：

    f_ak：地基承载力特征值f_ak＝160kPa；

    和均取；

    b：等待实体宽度，b=18.4m≥6m，取b=6m；

    d：基础等待实体深度，d=6.2m；

     ：相应于宽度和埋深的承载力修正系数，中细砂层；,，故

    ，

     满足要求。

3 单桩竖向静载荷试验

    《复合载体夯扩桩设计规程》（JGJ/T135-2001）规定采用现场静载试验确定单桩竖向极限承载力标准值时，在同一条件下的试桩数量不宜少于总桩数的1%,且不应少于3根。本工程总桩数393根，所以选取4根桩进行静载荷试验。单桩竖向静载荷试验根据国家规范要求进行。

    试验测得单桩竖向极限承载力标准值为2400KN，最终沉降量＜23mm，均满足设计要求。Q-S曲线呈缓坡型，无明显拐点，这说明三根桩还处于弹性工作状态。卸载后，回弹率在30～40%左右（约8mm），试验结果比较理想。静载荷试验的Q-S曲线如图3所示。可见最终确定单桩承载力特征值为1020kN是恰当的。

4 施工工艺及注意事项

    复合载体夯扩桩是恰当地利用了土的可压缩性和约束机理，在大能量的冲击力作用下，不断对原有土体进行填料夯击。该部分土体被挤密后，形成一直径达2～3m，高度达3～4m的扩大头。随着能量不断的累积，原有土体的被挤密，从而土体承载能力得到大幅提高。

    复合载体夯扩桩的施工工艺流程为：提升细长锤夯击成孔 → 护筒下沉到设计标高 → 锤击出护筒底→ 向孔内投料 → 夯击块状建筑垃圾 → 夯击干硬性混凝土 → 反复夯实挤密 → 实测最终三击贯入度 → 桩端载体形成 → 放置钢筋笼 → 灌注混凝土 → 成桩。

    复合载体夯扩桩的质量控制，施工很关键。下面是施工过程中应注意的几个问题。

    4.1 合理安排成桩顺序

    结合油罐地基的变形特点（自圆心沿径向逐渐减少的渐变沉降），成桩顺序应自圆心沿径向、逐圈、对称。这样可以均匀地向四周挤土。

    4.2 填料量及三击贯入度双控

    本工程桩端位于层粉质粘土中，依据室内土工试验测得的各土层常规物理力学性能指标，计算出每根复合载体夯扩桩填料量约为0.44m³。施工后，对总桩数的平均填料量核算为0.49m³。施工过程中，根据填料量及三击贯入度控制，桩长控制在2.5～3.1m之间，以适应持力层的变化。

    4.3 桩端质量控制

    桩身与扩大头连接处容易发生缩颈、离析等现象，上部荷载传递效果递减。施工时，桩端先灌注1米左右砼，拨管0.5m，再用振动棒振实，能够基本上消除上述质量隐患。

5 沉降观测

    油罐罐体安装完毕后，采用连续加水，达到设计液面后以稳压的方式试水，每个油罐环墙布置了12个沉降观测点，试水期间进行了观测。地基沉降均匀，最大沉降只有32mm，平均沉降量21mm，相邻观测点沉降差只有7.0mm，均满足规范要求。

6 结论

    1．复合载体夯扩桩具有的主要优势：单桩承载能力大幅提高；基础沉降小；质量易控制；施工工期缩短、环保；节省投资。

    2．夯扩桩对作为桩端持力层土质的密实度、液限指标等有较严格要求，因而岩土工程勘察资料应详细、准确，勘探点的间距应适当减小。详细提供持力层的埋深及各土层物理性质指标，以便确定桩长和施工参数。

    3．复合载体夯扩桩填料量是决定承载力及施工质量的关键。在施工过程中，应通过标贯、静力触探等原位测试手段，对各种地层的填料总量进行效果检验、积累数据，以总结土层压缩性指标与填料量之间的关系。

    4．从本工程油罐地基基础处理的工程实例可以看出，复合载体夯扩桩是一种适用范围较广的地基处理措施。其有效地提高了地基承载力，减小了油罐基础的沉降量，达到了预期效果。

参考文献

    1.复合载体夯扩桩设计规程（JGJ/T135-2001）

    2.建筑桩基技术规范（JGJ　94-94）.

    3．建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）.

    4.混凝土结构设计规范（GB50010-2002）.