振冲碎石桩与充水预压联合处理地震区深厚软土地基
严 聪1，张 红2，周旭荣3
(1. 长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙，410076；
2. 中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京，100085；
3. 中国石油工程建设(集团)公司，北京，100011)
摘 要：
摘 要：采用振冲碎石桩与充水预压法对SKIKADA炼油厂场地进行联合地基处理。在分析场区工程地质条件的基础上，选用振冲碎石桩与充水预压联合地基处理方案，并对施工方案进行设计；经过现场振冲碎石桩试桩试验，进一步优化振冲碎石桩的桩长和桩位分布；在充水预压施工过程中，实时进行土体位移和孔隙水压力的动态监测，严格执行信息化施工。结果表明，处理后，复合地基承载力达260 kPa，灌体运营期间沉降量为270 mm，振冲碎石桩与充水预压联合法能够有效、经济地处理地震区深厚软土地基。
关键词：
中图分类号：TU472.3 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)03-0822-06
Deep & thick soft ground treatment by vibrofluctuation crushed stone piling & preloading in seismic region
YAN Cong1, ZHANG Hong2, ZHOU Xu-rong3
(1. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology,
Changsha 410076, China;
2. China Petroleum Engineering Co. Ltd, Beijing Company, Beijing 100085, China;
3. China Petroleum Engineering & Construction (Group) Corporation, Beijing 100011, China)
Abstract: Vibrofluctuation crushed stone (VCS) piles combined with preloading was chosen to treat the SKIKADA refinery sub-grade. Based on the engineering geological conditions in site, the preliminary designs of VCS Pile and preloading were done respectively. The length and layout of VCS piles was optimized by the VCS pile test in site. In the meantime, the dynamic monitoring of soil displacement and pore water pressure was carried out timely, and the loading was controlled strictly on information during preloading. The results show that the composite sub-grade bearing capacity reaches 260 kPa and the total settlement during operation in the future will be 270 mm after preloading treatment, and that the deep and thick soft strata in seismic region can be improved effectively and economically by the VCS piles combined with preloading.
Key words: vibrofluctuation crushed stone piles; preloading; soft strata; sand liquefaction
振冲碎石桩在复合地基[1]中应用十分广泛，它是利用一个产生水平向振动的管状设备在高压水流下边振边冲，在软弱地基上成孔，再在孔内分批填入碎石等坚硬材料制成一根根桩体，桩体和原来的地基构成复合地基。复合地基与原地基相比，承载力提高，地基的沉降量减小，并且这种粗大的桩体具有排水和置换功能，能有效地消散地震等震动引起的超静孔隙水压力，有效地减少砂土地基的液化现象[2-3]。
国内外许多学者对碎石桩复合地基的设计、检测、施工以及承载性状进行了研究，为振冲碎石桩的推广应用提供了理论依据和技术支持[4-8]。张晓光等[9]对振冲碎石桩法在不同土质地基中的加固机理进行了研究，并以实际工程为依托，对应用振冲碎石桩法处理高液限软黏土地基的施工、加固效果检测等进行了讨论；黄宝龙等[10]对可液化砂土运用振冲碎石桩处理后的抗液化性和提高承载力的效果进行了现场载荷试验，试验结果表明，振冲碎石桩处理砂土液化效果较好，可满足工程要求；徐青松等[11]对振冲碎石桩技术在含有粉质黏土和淤泥质黏土地基中的应用进行了研究。为了使饱和软弱土中孔隙水加速排出，土体体积减小，发生固结变形(沉降)，在许多大型油罐软土地基处理中，根据水的密度比油的密度大的原理，采用充水预压法来增加饱和软弱土的上部荷载，加快土层中超孔隙水压力的消散，促使有效应力逐步提高，地基土强度逐步增大[11-12]。在此，本文作者通过对阿尔及利亚SKIKADA炼油厂大型储罐软基进行振冲碎石桩与充水预压联合加固处理的现场试验，优化初始设计方案，并对施工过程进行监控，采用重型动力触探、标准贯入试验和静载载荷试验等手段进行检测，探讨振冲碎石桩与充水预压联合处理加固软土地基的效果，以便为类似的工程设计提供借鉴和参考。
1 工程概况
1.1 工程简介
阿尔及利亚SKIKADA炼油厂预计年炼凝析油500万t，并可生产石脑油370~400万t，航空煤油45~ 68万t，丁烷11万t，轻柴油和重柴油32~85万t。工程场区占地面积约为4 600 m2，该场区原为水洼地，基岩深度大于45 m，地下0~4 m为高液限软肥黏土，地下4~8 m砂层有中等~严重液化趋势，地下13~40 m为厚层软肥黏土。对深厚软土和可液化土地基处理难度非常大。
为满足各罐基承载力要求，综合考虑建设质量、工期和造价等条件，选择振冲碎石桩与充水预压联合处理方法加固深厚软土地基，共设计振冲碎石桩21 000根，桩长为10~25 m，桩径为1 m。
1.2 工程地质与水文地质条件
场区地形较平坦，地基处理前场区平均标高为6.82 m(地中海平均海拔高程)，在0~50.00 m勘探深度范围内，罐区地层分布见表1。
表1 场区地层分布表
Table 1 Strata in site
各层土间歇存在高压缩性的肥黏土及中压缩的粉砂、粉细砂，故可以预见后期固结沉降将主要由第①，②-1，③，④和④-1层等土质引起，特别是第③和④层土较厚，是沉降主要发生层。场区稳定地下水位为0.20~1.70 m，位于Ⅱa(相当于8度)地震区，建筑场地类别为S4，第②层和②-1层对1A类建筑物可产生中等~严重液化，地下水和土对混凝土无腐蚀。
2 地基处理方案设计
以该工程石脑油浮顶罐区304-TK-002罐为例进行研究。304-TK-002罐是容积为36 600 m3浮顶罐，内径为52 m，高度为21.4 m。根据场区工程地质条件，场区油罐地基采用振冲碎石桩与充水预压联合治理。通过碎石桩复合地基改善地层土质条件[10-14]；在油罐投产前采用充水预压加固，使沉降在短期内完成或大部分完成[14]。
2.1 软土地基加固目标
地基加固后预期达到的具体目标为：使复合地基承载力不小于225 kPa；消除第②层砂土液化；控制罐在运行期间罐体沉降量不超过300 mm。
2.2 振冲碎石桩施工参数设计
地基设计包括桩基设计和充水预压设计。
桩基设计如下。
a. 加固范围：油罐基础采用圆形，外围布置3排桩，以挡住油灌下沉时向外挤出的土体。
b. 桩位布置和间距：桩位采用等边三角形布置，桩中心间距根据上部荷载、地基土抗剪强度确定。荷载大，地基土强度低，间距应小，当软土较厚桩体打不到相对硬层时，间距应更小。一般间距为1.5~ 2.5 m。本工程取桩距sa为1.75 m。
c. 桩长：初步设计时，根据软土地区油罐中心沉降多、边缘沉降少的特点，在中心区域布置长度为 23 m碎石桩217根，在边缘区域布置长度为15 m碎石桩972根。
施工前，对304-TK-002罐试桩桩间土进行静力触探试验(CPT)，试验结果见图1。从图1可以看出，振冲碎石桩对浅部土层的加固效果较好，尤其是第②层地基改善明显，而对7.5m以下地层锥尖阻力提高的作用非常小。为满足设计要求，根据试验结果对振冲碎石桩进行设计优化：在该罐中心部分布碎石桩217根，桩长为15 m；在边缘区域布桩972根，桩长为8 m；用PRELOADING TEST SOFT软件进行充水预压期间环墙沉降计算，将环墙基础预抬高0.59 m。
d. 桩径：桩的直径与土类及其强度、桩材粒径、振冲器类型、施工质量关系密切，一般桩径d为0.8~ 1.2 m。本工程取桩径为1.00 m。
e. 桩体材料：桩体材料采用碎石，粒径为20~50 mm，最大粒径不大于80 mm，含泥量小于10%；桩体材料的内摩擦角φp为38?。
由表1可知，桩间土承载力标准值fs,k =120 kPa。据试桩承载力测试，单桩承载力标准值fp,k =450 kPa。
根据上述参数，可得出：
de=1.05×sa =1.05×1.75 m=1.837 5 m；
m=d2/de2=0.326 5；
fsp,k=mfp,k+(1-m)fs,k=227.745 kPa＞225.000 kPa。
其中：de为等效直径；m为置换率；fsp和k为复合地基承载力特征值；sa为桩中心距；d为桩径；fsp,k为符合地基承载力特征值。
1—处理前；2—处理后
图1 试桩地基处理前、后静力触探曲线对比
Fig.1 CPT comparison of trial pile before and after sub-grade treatment
2.3 充水预压施工参数设计
304-TK-002罐荷载与时间的关系如图2所示，监测项及其位置分布如图3所示。图3中，环墙基础外实心小圆点为罐周围地表土位移监测点，环墙基础内空心小圆点为罐基础锥面变形监测点，罐中心和边缘的叉表示孔隙水压力监测点，罐外实心小方框为罐地基深层土竖向位移监测点，罐边小三角形为基础侧向土压力监测点。
图2 304-TK-002罐荷载与时间的关系
Fig.2 Relationship between preloading load and time for tank 304-TK-002
图3 304-TK-002罐充水预压监测点
Fig.3 Monitoring points around tank 304-TK-002 preloading
2.4 排水系统设计
根据场区水文地质情况，在施工过程中主要考虑排除雨水、地下水和预压过程中消散的孔隙水。因此，在整个施工区域内要采取适当的排水系统。
a. 地下排水。利用场区碎石桩体、桩顶0.3 m碎石垫层，第②-1，④-1和④-2砂层作为排水通道。
b. 地表排水。利用桩顶连通的碎石垫层作为地表排水通道。
3 施工方法及监测
3.1 施工方法
振冲碎石桩施工采用直径为0.75 m的75 kW振冲器，密实电流为90 A，留振时间为8~15 s，成孔水压为0.5~0.6 MPa。
在充水预压过程中，动态控制加荷速度，使环墙垂直沉降速率为15~20 mm/d，环墙水平沉降速率不超过5 mm/d，实测孔隙水压力增量与加荷增量之比不超过0.6。
3.2 孔隙水压力监测分析
用现场实测孔隙水压力控制地基稳定。在油罐充水加荷期间，利用B(B=Δu/Δp，Δu为实测孔隙水压力增量，Δp为加荷增量)控制地基稳定指标来控制油罐充水加荷速率。若B超过了控制值，则认为该测点已进入塑性变形阶段。当这样的测点发展成为一定范围的塑性区时，地基才会产生破坏。孔隙水压力是比较均匀的，最大孔隙水压力发生在罐中心部位下淤泥质肥黏土中，当充水结束时，孔隙水压力为93 kPa，相当于充水荷载的42.3%。这说明地基是稳定的。
3.3 罐周表层及罐下深层土体位移监测分析
罐周表层土的水平位移用全站仪测量，罐周表层土的垂直位移用高精度水准仪测量，罐下深层土体位移通过深层沉降计监测每隔2.0 m埋设的沉降环的沉降量测得，在直径为110 m的孔内每隔2.0 m放1个磁性环，沉降环用于测量土体沉降量。通过声音传出电信号，这些测点的水平布置见图3。从该罐罐下深层土体位移监测统计数据(见表2)可以看出：在充水预压荷载为155.5 kPa以前(第1时间段)，罐下第①层肥黏土沉降起主导作用，占第1时间段总沉降量的63%；当荷载大于155.5 kPa至最大荷载225 kPa(第2时间段)，第④层土上部(15~25 m)沉降起主导作用，占第2时间段新增沉降量的71%；在达最大荷载225 kPa后的恒压期中，第④层土上部沉降仍起主导作用，环墙沉降速率越来越小，直至1.9 mm/d。当大罐放水至罐内水位高度16.5 m时，环墙不再下沉。
在充水预压过程中，严格控制加荷速率，罐外地表隆起很少，罐周地表水平位移速度不超过5 mm/d。这说明观测到的沉降大多是土层固结所致，地基是稳定的。
4 复合地基检测
4.1 静力触探试验结果分析
地基处理前、碎石桩处理和充水预压后，桩间土静力触探成果统计结果见表3。从表3可知：第②层砂土经碎石桩处理后力学性能大大增强，其他黏土层增强效果小；经充水预压处理后，黏性土层和砂土层力学性能均增强。
表2 放水前深层土垂直位移统计
Table 2 Vertical settlement statistics in strata before water discharging
表3 地基处理前、碎石桩处理后以及充水预压后桩间土静力触探试验成果对比
Table 3 Comparison among VCS piles with CPT before and after VCS treatment & preloading
4.2 静载试验结果分析
选择No.0601振冲碎石桩进行静载荷试验，结果见图4。根据荷载—沉降曲线即Q—s曲线可得到复合地基允许承载力为260 kPa，大于设计要求的225 kPa，达到了地基加固处理的目的。
图4 No.0601桩的复合地基载荷试验曲线
Fig.4 Q—s curve of composite sub-grade at No.0601
4.3 动力触探试验结果分析
动力触探抽检单桩，击数都较高，一般每0.1 m击9~30次(见表4)，超过规范所要求的7.5次，表明该罐碎石桩体密实，连续性好。同时，从现场发掘桩体上部的信息试验结果可见，碎石桩体质量良好。
表4 单桩动力触探试验统计表
Table 4 dynamic cone test for single VCS pile
4.4 地基处理效果评价
经振冲碎石桩与充水预压处理加固后，实测复合地基允许承载力为260 kPa，超过设计要求的225 kPa，达到设计要求；各点标准贯入锤击数平均为12~30次，超过规范所要求的7.5次，也达到设计要求；桩间土静力触探结果表明，土层的力学性能普遍提高。
充水预压后，地基固结度达到91%，罐在运行期间罐体沉降量为270 mm，地基承载力达到260 kPa，地基压缩层深度为36 m；罐基础沉降很均匀，边缘最终沉降0.62 m，与预抬高度0.59 m相近；罐底锥面最终坡度为1.03%，大于规范所要求的0.80%，达到设计要求。
5 结 论
a. 采用振冲碎石桩与充水预压联合处理地震区深厚软土地基的设计与施工参数选取合理。
b. 在储罐基础施工期间，要进行现场监控，进行信息化施工，便于及时发现异常情况，及时采取有力措施，确保工程安全投产。
c. 振冲碎石桩与充水预压联合处理地震区深厚软基，既能消除液化与绝大部分固结沉降,又能减少加固费用，是一种经济合理的油罐地基加固方法。
d. 充水预压后的碎石桩复合地基的承载能力达260 kPa，沉降量为270 mm，均满足对大型油罐的要求。
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收稿日期：2009-01-18；修回日期：2009-03-25
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40802064)
通信作者：严 聪(1969-)，女，湖南宁乡人，讲师，从事岩土工程的教学与科研工作；电话：13873130509；E-mail: ycong0790@sina.com
