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复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综合技术研究 摘要 本文在介绍了石油石化行业大型储罐基础型式和地基变形的基础上，对黄河 三角洲地区以振动挤密碎石桩、c f g 桩、塑料排水板和充水预压综合构成的复杂 软弱地基处理方法，从加固机理、受力特性、承载力和沉降计算、充水预压设计 等方面进行了理论上的深入研究并通过室内试验和静力触探、动力触探、静载 荷试验等多种手段检验地基处理效果，最后通过实例介绍了大型储罐的组合型复 合地基处理施工和监测，得到了以下结论： l 、该综合地基处理方法设计有理论基础，经实践检验效果可靠，可有效的提 高地基强度和稳定性，减少沉降和不均匀沉降，对黄河三角洲地区复杂软弱地基 条件下大型储罐建设有指导意义。 2 、振动挤密碎石桩在组合型复合地基中主要作用是对土体进行挤密，消除地 震液化或降低液化，增加排水性能，加速土体固结，改善土的压缩性和抗剪强度。 挤密程度与土类和土的状态有关。 3 、c f g 桩作为一种刚性桩，在组合型复合地基中利用其单桩承载力较高、 荷载传递深的特点，大大减少了地基沉降和不均匀沉降，节省充水预压时间。 4 、塑料排水板是加速土体固结的有效手段，同时还有加筋抗滑作用。 5 、充水预压是提高复合地基承载力的重要手段，它可以提前使罐基发生沉降， 减少使用期间的变形，充水预压荷载要经过计算确定。 6 、施工监测表明对大型油罐来说基底反力分布是不均匀的，不宜采用平均基 底压力进行环基设计。土层的渗透性能对孔隙水压力的增长与消散有显著影响。 孔隙水压力在水平方向和深度分稚上分布具有很强的规律性，罐中心部位的孔隙 水压力大于罐周，土层上部小而下部大。 7 、组合型复合地基的设计承载力不必达到上部荷载要求的承载力，应考虑充 水预压后土体的强度增长，以降低置换率和和减少工程造价。 关键词：大型储罐，地基处理，软弱地基碎石桩，c f 6 桩，充水预压，监测 r e s e a r c ho n i n t e g r a t e dg r o u n di m p r o v e m e n tt e c h n i q u e f o r l a r g es t o r a g et a n k u n d e r c o m p l i c a t e d s o f tf o u n d a t i o n a b s t r a c t o nt h eb a s i so fi n t r o d u c t i o nt ol a r g es o r a g et a n kf o u n d a t i o nt y p ea n dg r o u n d d e f o r m a t i o nf o rp e t r oc h e m i c a le n t e r p r i s e ，t h ea r t i c l em a k e s d e e pt h e o r e t i cr e s e a r c ho f e n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ，p r o p e r t yo f f o r c e ，b e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n f o rt h e c o m p l i c a t e d s o f tf o u n d a t i o ni m p r o v e m e n tm e t h o dw h i c hi sc o m b i n e dw i t h v i b r a t i o nc r u s h e dg r a v e l ，c e m e n t f l y a s hg r a v e l ，p l a s t i cd r a i n a g e s h e e ta n df u l lo f w a t e r - p r e p r e s s a n di n s p e c tt h ei m p r o v e m e n te f f e c tb ym u l t i w a ys u c ha si n d o o r st e s t ， c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ( c p t ) ，d y n a m i cp e n e t r a t i o nt e s t ( d p d ，p l a t el o a dt e s t i nt h ee n d a ne x a m p l ei sg i v e nt oe x p o u n dt h ec o n s t r u c t i o n ，m o n i t o r i n go fl a r g es t o r a g et a n k f o l l o w i n g a r ec o n c l u s i o n s ： 1 t h ei n t e g r a t e dg r o u n di m p r o v e m e n tm e t h o dh a sa c a d e m i cb a s i s ，a n dt h ee f f e c t i sr e l i a b l et h r o u g hp r a c t i c e ，i tc a l l e f f e c t i v e l yi m p r o v et h e f o u n d a t i o ni n t e n s i t ya n d s t a b i l i t y , a n da l s or e d u c es e t t l e m e n ta n d u n e v e ns e t t l e m e n t 。出em e t h o dh a si n s t r u c t i o n a l s i g n i f i c a n c ef o el a r g et a n kc o n s t r u c t i o ni ny e l l o wr i v e r d e l t a 2 t h em a i nf u n c t i o no fv i b r a t i o nc r u s h e dg r a v e li st o s q u e e z es o i l e l i m i n a t e e a r t h q u a k el i q u i da n dd e b a s el i q u i dg r a d e ，i ta l s oe i l l l a n c et h ep r o p e r t yo f s o i ld r a i n a g e ， s p r e a dc o n s o l i d a t i o n ，i m p m v ec o m p r e s s i b i l i t ya n ds h e a rs t r e n g h t h ee x t e n tr e s t sw i t h t h es o i lt y p e 3 a sak i n do fr i g i dp i l e ，c f gh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh j i 曲e rp i l ec a p a c i t y , d e e p e r l o a d t r a n s f e r ， i tc a n g r e a t l y f e 出k e s e t t l e m e n t ， s a v et i m ef o rf u l lo f w a t e r - p r e p r e s s 4 p l a s t i cd r a i n a g es h e e ti sa ne f f e c t i v em t 蛐l a o dt os p r e a ds o i lc o n s o l i d a t i o n ，i ta l s o c a l la n t i s l i d e 5 f u l lo fw a t e r - p r e p r e s si sa ni m p o r t a n tm e t h o dt oi n c r e a s et h e c a p a c i t yo f c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，i tc a na l s om a k et a n kf o u n d a t i o ns e t t l ei na d v a n c e ，r e d u c et h e d e f o r m a t i o ni nu s e t h ep r e p r e s sl o a ds h o u l db ed e t e r m i n e d b y c a l c u l a t i o n 6 c o n s t r c t i o nm o n i t o r i n gs h o w st h a ts o i lp r e s s u r ei sn o te v e nf o r l a r g et a n k ，s oi t i sn o tr e c o m m e n d e dt od e s i g nb y a v e r a g e s o i lp r e s s u r e t h e p e r m e a b i l i t y h a s s i g n i f i c a n t e f f e c to nt h ea s c e n da n df a l lo f p o r ew a t e rp r e s s u r e ，t h ed i s t r i b u t i o nh a sg r e a tr u l i n gi n h o r i z o n t a la n dv e r t i c a ls p a c e ，t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ei nc e n t e ro ft a n ki sh i g h e rt h a n t h a ti nt a n ke d g e ，a n du p p e rs o i lp r e s s u r ei sh i g h e rt h a nt h a ti nl o w e rs o i l 7 i ti sn o tn e c e s s a r yt or e a c ht h e c a p a c i t yv a l u e d e m a n d e d b yd e s i g nu n i t s t r e n g t h i n c r e a s es h o u l db ec o n s i d e r e da f t e rf i n i s h i n gf u l lo f w a t e r - p r e p r e s sp r o c e s ss oa st o r e d u c er a t i oo f r e p l a c e m e n ta n dp r o j e c tc o s t s k e yw o r d s ：l a r g es t o r a g e t a n k g r o u n di m p r o v e m e n t s o f t g r o u n d v i b r a t i o nc r u s h e d g r a v e l c e m e n t f l y a s hg r a v e l f u l lo f w a t e r - p r e p r e s s m o n i t o r i n g 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处翌 云台技术研究 0 前言 所谓大型储罐，一般是指直径大于6 0 m 、容手在5 1 0 4 m 3 以上的大型油罐等 液体罐，此类储罐多分布于石油行业的联合站、蜃、刍库和石化行业的炼厂等区域。 近4 0 年来，国际石油石化行业储罐建设迅速向大量化发展。1 9 6 2 年美国首先建成 1 0 1 0 4 m 3 大型浮顶油罐：1 9 6 7 年委内瑞拉建成l j 、：1 0 4 m 3 浮顶油罐；1 9 7 1 年日本 建成1 6 x 1 0 4 m 3 浮顶油罐；沙特阿拉伯建成2 0 1 0 二b r 、髯顶油罐。从理论上讲，储罐 容积越大，单位容积的钢材耗用指标越低，建罐景费越省，同时罐区总占地面积 也越小。 我国于8 0 年代中期，从日本引进第一台1 0 ：c ) 4 m 3 浮顶油罐，至今已建成3 0 多台1 0 1 0 4 m 3 浮顶油罐。随着我国石油、石化仁生豹快速发展和应对国际市场原 油价格波动、提高能源储备的战略要求，近年来最虱对大型储油罐的建设需求日 益追切，油罐的建设规模越来越大，油罐最大容移三三经达至r j t 1 5 x 1 0 4 m 3 ，罐直径 也增加到了l o o m 。 储罐作为一种特殊构筑物，罐底由钢板组成蓬底面积大，具有较大的柔性， 要求地基提供与罐底应力相适应的反力，因此地差要有足够的强度。由于罐基 底面积大，在柔性地基土上，罐中心沉降大于罐幕边缘，罐底中心与边缘沉降差 必须控制在罐底结构变形的允许范围内，以防造置兰蠹构破坏。虽然油罐可承受比 较大的沉降量，地基土大的沉降可预先通过提高茎础解决，但油罐建成投入使用 后，不能有过大的沉降，以防与管路系统联结产兰j 虱难。 储罐的直径越大，受附加应力影响的土层深芝越大，势必造成罐基础的沉降 较大，相应的罐底板不均匀变形也大，当底板产兰破大非均匀变形后，易引起局 部底板空鼓，从而产生过大应力，而且由于使用司充卸油的影响，产生循环应 力，易使底板焊缝产生疲劳破坏，轻者缩短储罐童爱用寿命，重者造成储罐底板 破裂事故，因此储罐地基处理应重点考虑地基自毫量耄力、变形和不均匀变形，一 般地基未经处理不能直接作为罐基础持力层。 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综合技术研究 软弱地基一般是指承载力特征值小于或等于8 0k p a 的地基，胜利油田地处黄 河三角洲的中心地带，黄河流经本地区时间短，仅1 5 0 年左右，该地区地基土为 新近堆积的欠固结土，含水量高，压缩性大，抗剪强度低，渗透性差，承载力一 般在6 0 9 0 k p a 之间，加之暗浜、暗塘发育，淤泥质土分布普遍，夹层簿层间或 分布，地震作用下饱和粉土和砂土有液化现象，层厚标高差别较大，为典型的复 杂软弱地基不能直接作为罐基础持力层，需要进行地基处理，因此有必要开展 在复杂软弱地基条件下对大型储罐的地基处理技术进行研究。 目前国内的大型储罐地基处理技术方面，已经编制了石油化工钢储罐地基 处理技术规范( s w 3 0 8 3 一1 9 9 7 ) 等行业标准。其地基处理方法多集中在碎石桩 ( 振动挤密法、振冲法) 、水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) 、排水固结法、充水预压 法、强夯法、深层搅拌法等，实际中应用的往往是其中某一种或二种方法，缺少 各种方法的综合应用，往往造成储罐施工周期长、不均匀沉降大、造价高。 针对胜利油田所在黄河三角洲地区新近堆积土的特点，本文对复杂软弱地基 条件下的大型储罐地基综合处理技术进行了深入研究，提出了塑料排水板+ 振动 挤密碎石桩+ 水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) + 充水预压的地基综合处理方案，对 加固机理和室内外试验进行了深入探讨，同时介绍了地基施工及储罐充水监测， 以期为今后油田复杂软弱地基条件下大型储罐建设提供理论和实践上的支持。 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综合技术研究 1 储罐地基处理概述 1 1 储罐地基处理的目的和意义 我国地域辽阔，从沿海到内地，由山区到平原，分布着多种多样的地基土， 其抗剪强度、压缩性以及透水性等因土的种类不同而可能有很大差别。各种地基 土中，不少为软弱士和不良土，主要包括：软粘土、杂填土、冲填土、饱和粉细 砂( 包括部分液化粉土) 、湿陷性黄土、泥炭土、膨胀土、多年冻土、岩溶土洞、 盐渍土等。山区的土在某种条件下也可能是不良土，而我国新建储罐工程越来越 多地遇到不良地基因此地基处理的要求也越来越广泛和迫切。 地基处理的目的是采用适当的措旌以改善地基土的强度、压缩性、透水性、 动力特性、湿陷性和胀缩性等。各种类型储罐对地基的要求是不同的，各地区天 然地层的情况差别很大，即使在同一地区，地质情况也可能有很大差别，这就决 定了地基处理问题的复杂性。是采用天然地基，还是采用人工地基? 采用人工地 基时用什么地基处理方案? 这是建造储罐时首先需要解决的问题，处理是否恰当， 不仅影响储罐的安全使用，而且对建设速度、工程造价有一定影响，甚至成为储 罐建设的关键。 储罐作为一种特殊构筑物，对不均匀沉降非常敏感，要求地基压缩性致， 层次、厚度变化不大，使用后变形要均匀，当天然地基不能满足稳定性、变形和 承载力要求时，就要进行地基处理。 1 2 储罐地基处理方法的选用原则 地基处理方法很多，各种处理方法都有它的适用范围、局限性和优缺点，没 有一种方法是万能的。具体工程很复杂，工程地质条件千变万化，各个工程的地 基差别很大，具体工程对地基的要求也不同，而且机具、材料等条件也会因工作 部门不同、地区不同而有较大的差别。因此，对每一具体工程都要进行具体细致 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综合技术研究 分析，应从地基条件、处理要求( 包括经处理后地基应达到的各项指标、处理的 范围、工程进度等) 、工程费用以及材料、机具来源等各方面进行综合考虑，以确 定合适的地基处理方法。在确定地基处理方法时，可根据工程的具体情况对几种 地基处理方法进行技术、经济以及施工进度等方面的比较。通过分析比较可以采 用一种地基处理方法，也可以由两种或两种以上的地基处理方法组成综合处理方 案。 1 3 储罐地基处理方法分类 当软弱地基不能满足沉降或稳定的要求，采用桩基等深基础在技术经济上不 可取时，对地基进行加固是有效的措施。储罐地基处理方法，可以从地基处理原 理、地基处理目的、处理地基的性质、地基处理的时效、动机等不同角度进行分 类，其中最本质的是根据地基处理原理进行分类，大体上可分成两类。第一类方 法的原理是减少或减小土体中的i l 隙，使土颗粒尽量靠拢，从而减少压缩性，提 高强度，例如强夯法、充水预压法、排水固结法、振冲法等。由于粘性土的渗透 系数较小，饱和粘性土中孔隙水的排走、孔隙的缩小和土粒的靠拢需要较多的时 间，因此，除强夯外，加固期较长。第二类方法的原理是用各种胶结剂把土颗粒 胶结起来，例如旋喷法、电硅化法、深层搅拌法等。 储罐地基的各种处理方法详见图1 1 。 复杂软弱地基条件下人型站罐地基处理综台技术研究 储罐地基处理分类 天然地基 地基处 广钢筋混凝士预制桩 桩基础一i - 钢筋混凝土灌注桩 l 钢筋混凝土夯扩桩 图1 - 1 储罐地基处理分类 各种地基处理方法的适用范围和评价见表1 - 1 叫。 夯实法 压实法 法 法r 一挤密砂桩法 法+ 灰土挤密桩法 l 石灰桩法 表1 1储罐地基处理方法适用范围和评价 地基处理 适用范围评价 方法 充水预压软粘土、粉土、有机质沉积 有成熟理论，简易可行，效果显著。所需时间长， 但对软粘土采取竖向排水措施( 如袋装砂井、塑料 法物、杂填土。 排水扳) 可大大缩短时间。 软粘上、有机质土、杂填土简易可靠，垫层本身强度和压缩性较原来为好，但 垫层法 等软弱地基。置换的土层深度不可能很大。 排水闻结粘土层，不适用有机质高的有成熟的设计和旌工经验以及计算理论，常与加载 法土层。预压相结合，施工与设计都需要数月。 多类软粘土要求不排水抗效果显著，尚经济。但不能用于强度过低的软粘上， 振冲法 剪强度不小于2 0 k r a 。因碎石桩成败取决于周围土的约柬力。振冲时会冒 复杂软弱地基条件下人型储罐地基处理综合技术研究 出大量泥浆，应考虑其泥浆的排放。 亚粘性土、杂填土、非饱有 需要一套强夯设备。操作尚简便，大面积处理，较 强夯法 粘性土、湿陷性黄土。 为经济，对于适宜土类。处理效果显著。 灰土 地下水位以上的湿陷性黄 土、杂填土、素填土等地 效果显著，尚经济。处理深度有限，处理地基承载 挤密桩法力可达1 0 0 k p a 左右。 下水位以下则用水泥土桩。 砂性土、杂填土、非饱和粘属于简易处理，效果显著，经济。不适宣于饱和软 砂桩法 土粘土，因为此类土不能挤密。 适用于桩尖持力层特别深安全、可靠、沉降量小、造价高、打桩速度快。灌 桩基 的地区。注桩不需要预制场地，但要解决排泥问题。 1 4 储罐地基处理进展和发展趋势 当前，在我国的工程实践中，在各类地基处理技术之间，不同的施工工艺正 在互相嫁接、移植，互相交叉渗透烈而又形成了许多新技术、新工艺，产生了更 好的技术效果、经济效益和社会效益，这是我国地基处技术发展的一个十分可喜 的新动向。 例如，碎石桩原是一种散体材料桩，经过 j n a 适量的水泥或粉煤灰等粘结材 料后，它就发展成为柔性的c f g 桩。用这种c f g 桩，获得了承载力更高的复合地 基。当粘结材料达到一定的配合比时，c f g 桩的刚度还可进一步提高，因而可用 来支承高、重建( 构) 筑物。 中国建筑科学研究院地基所在2 q 世纪8 0 年代末期研究开发的水泥粉煤灰碎 石桩( 简称c f g 桩) ，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘 结强度桩，它和双灰低强度混凝土桩复合地基及水泥碎石桩复合地基都是国内外 新开发的地基处理技术，主要用于加固粉质粘土、非饱和粘土、饱和软粘土及淤 泥质土。这些新型复合地基的出现，促进了储罐地基处理方法的多元化，同时粉 煤灰等工业废料也得到了综合利用，有效降低了地基处理的费用，近年来在越来 越多的工程重得到了应用。 值得注意的是，近年来复合地基中不同桩型联合使用越来越受到重视，即组 合型复合地基的出现。对于松散填土可利用碎石桩等振动挤密效应初步加固桩间 土，再利用高粘结强度桩联合形成复合地基；对于可液亿地基利甩振冲或干振挤 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综台技术研究 密碎石桩消除地基土的液化，再利用c f g 桩复合地基等获耿更高的承载力；对基 底下存在局部软土进行补强时，尽管用c f g 桩或其他桩型能够获得满足设计要求 的承载力，但局部软土可能导致建筑物不均匀变形，此时利用诸如水泥土桩、石 狄桩等在局部软弱区补强，可使整个建筑物的沉降变形均匀。具有较好的经济效 益和社会效益，对于这种组合型复合地基应该加强设计计算理论的研究。 按沉降控制设计的桩基础，由于桩间距比般常规设计的桩基础桩间距大得 多，所以称之为疏桩桩基。复合桩基是以桩土荷载分担比来划分基础类型的，而 按沉降控制设计的桩基是从基础变形角度来划分基础类型的，与其相比复合地基 一般沉降较大。若不能合理地控制沉降量，工后沉降过大很容易造成上部结构产 生裂缝或产生倾斜。因此在复合地基设计中采用按沉降控制设计理论特别重要。 疏桩或沉降控制桩基理论属于变形控制设计理论范畴，反映了桩土共同作用的最 新研究成果，充分发挥了桩与桩间土的承载力j 。 多年来，复合地基的应用实践总是走在理论研究的前面，应该加强复合地基 设计计算理论的研究。如各类复合地基荷载传递机理：荷载作用下应力场和位移 场的分布特性；各类复合地基承载力、沉降计算方法及计算参数的确定；复合地 基的优化设计理论：动力荷载作用下复合地基的性状分析等。 2 储罐基础型式与地基变形 2 1钢储罐的基础型式嘲 国内钢储罐的基础型式通常有以下三种：护坡式基础、外环墙式基础、环墙 式基础。各种基础的构造见下图。 7 墨墨鉴塑些苎墨壁! 查型堡些些苎丝型堡垒垫查塑壅 图2 - 1 护坡式罐基础型式 ，t 、r 7 ，一一体 ， t1 两青砂电层 砂蛰屡i 曩土鸯宴i - i 邀l恻口 ：1 妄= ：、 龋豳趁高辱墨翻醴并翟酲鳖曰叠皇矗q 鲤基篮码疑鹫圆 图2 - 2 外环墙式罐基础型式 图2 - 3 环墙式罐基础型式 8 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综合技术研究 罐基础的选型，应根据储罐的型式、容积、地质条件、材料供应情况、业主 要求及施工条件、地基处理方法和经济合理性等条件综合考虑。罐基础按现场地 质条件的选型，宜符合下列要求： ( 1 ) 当地基土能满足承载力设计值和沉降差的要求及建罐场地不受限时，宜 采用护坡式罐基础的选型。 ( 2 ) 当地基土不能满足承载力设计值要求时，但沉降差不超过现行国家行标 规定允许值时，可采用环墙式、外环墙式( 钢筋混凝土) 、护坡式罐基础。 ( 3 ) 当地基土为软土，地基土不能满足承载力设计值要求，且计算沉降差不 能满足现行国家行标规定允许值或地震作用地基土有液化时，宜采用环墙式( 钢 筋混凝土) 罐基础。 ( 4 ) 当建罐场地受限制时，宜采用环墙式( 钢筋混凝土) 罐基础。 ( 5 ) 当罐基础建在山区时，应根据具体情况采用不同方案处理，基础垫层可 采用当地的粘性土，但必须做好截水与排水措施。 ( 6 ) 对建在沿海大风地区的罐基础，应沿罐底周边设置锚固螺栓。 在石油化工企业钢储罐地基与基础设计技术规范( s h 3 0 6 8 9 5 ) 首先推荐 采用的是护坡式或外环墙式基础，其次才是环墙式基础。护坡式基础底面积比较 大，附加应力扩散得快，在软土地基上的稳定性好，投资小，用料少。罐底板所 接触的基础是比较均匀的材料，与罐的计直假定比较吻合，适用于较好的地基和 处理过的地基。环墙式基础剐性较好，具有调整由于地基而引起的不均匀沉降的 作用，环墙为混凝土，其内为砂层，两者刚性差异大，与罐计算模式相差较大。 油罐采用环墙基础，其主要目的是调整地基引起的不均匀沉降。但是当油罐大型 化之后，直径扩大到6 0m 、8 0m 甚至1 0 0m 时，环墙调整不均匀沉降作用已微 乎其微。在充水期间，环墙对调整不均匀沉降有一定的作用，在充水结束之后， 直径方向最大沉降差随着平均沉降的发展而按一定比例增加，环墙不再起调整沉 降差的作用，而且环墙直径加大，环墙变长，其温度应力和混凝土的干缩不容忽 视，因此环墙必须是一个整体，才能承受环拉力，这给设计、施工带来许多困难。 如果油罐基础采用护坡式，护坡式基础里面垫的碎石，也可以起到调整地基不均 匀沉降的作用。褥垫的作用在于合理地调整地基的压缩性，调整岩土交界部位地 9 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综合技术研究 基的相对变形。护坡式基础的碎石垫层，即是褥垫，所以说也能起到与环墙相同 的作用。英国、美国和日本推荐采用的储罐基础型式见图2 - 4 图2 - 6 。 i i 曩 图2 - 4 英国罐基础推荐型式 小9 1 , 1 蕾 压奎碎石 小犀7 6 一 毒 图2 - 5 美国a p i 推荐罐基础型式 0 4 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综合技术研究 2 2 钢储罐的地基变形 碎石 图2 - 6 日本罐基础型式 储罐基础设计应满足稳定和变形要求：即在使用过程中不被压坏，总沉降量 不超过允许值，不均匀沉降也不超过允许值。 建造完毕的基础锥面坡度，对一般地基约为1 5 1 0 ，对软弱地基一般不应 大于3 5 x1 0 一，在基础沉降基本稳定后，其锥面坡度不应小于8 1 0 一。 地基基础沉降基本稳定后，罐底边缘高出周围地坪3 0 0 m m 。支承罐壁的基础 部分应具有保持其水平度的承载力，且应避兔与附近基础部分发生沉降突变。 储罐任意直径方向l 的沉降差和沿罐壁圆周方向任意l o r e 周长内的沉降差均 应符合国家现行行标规定值。 在软弱地基土上建造储罐，突出的问题是地基的不均匀沉降和储罐倾斜，它 会影响正常使用，甚至出现罐体破裂造成大事故。例如日本水岛油罐跑油大事故 和埃克森石油公司所属的三个欧洲大油罐事故等都说明基础倾斜和底板变形过 大，会造成底板焊缝破裂泄漏，或造成浮顶卡住不能上下浮升等事故。对于储罐 允许倾斜控制值，到目前还没有一个统一标准。另外储罐的结构形式不同，允许 倾斜值也不同。国内和欧美日等国的油罐允许倾斜值列于表2 1 和表2 2 。 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综合技术研究 储罐地基变形特征储罐型式 储罐底圈内宜径 沉降差允许值 d 2 2 00 0 7 d ， 2 2 d ，3 0 0 ，0 0 6 d 浮项罐与内浮顶罐 2 2 d 3 00 0 0 5d t 平面倾斜( 任意直 2 2 d 3 0 0 0 0 4 d 径方向)d ，2 2 0 ，0 l5 d ， 2 2 d 3 0 0 0 1 0 d 。 固定顶罐 2 2 d 3 000 0 9 d 2 2 d 3 0 0 0 0 8 d ， 非平面倾斜( 罐周浮顶罐与内浮顶罐s l 0 0 0 2 5 曲不均匀沉酪)固定顶罐s ，l 0 0 0 2 5 罐基础锥面坡度0 0 0 8 注：d 。为罐底圈内直径( m ) s 为罐周边相邻测点的沉降差( r n m ) l 为罐周边相邻测点的间距( m m ) 国外浮顶油罐允许倾斜值表2 - 2 地基允许变形标准r 浮顶油罐1 标准、规范、建议各注 平面倾斜任意直径方向沉降差允许值 日本工程标准( j i s b8 5 0 1 ) 0 ，0 0 5 n日本 英国工程标准( b s2 6 5 4 )0 0 0 4 d 英国 美国石油学会( a p i6 5 0 ) d 3 6 0美国 日本土质工程学会 0 0 0 2 d ，日本 日本甲阳实施标准0 0 0 3 3 3d o 0 0 5d ， 日本 日本消防厅规定试水00 0 2 d 且3 0 c m ，储油0 0 0 5 d ，日本 从表2 1 可知：对于1 0 1 5 1 0 4 m 3 大型浮顶油罐( 直径1 0 0 m ，高2 2 m ) 已经超 出了规范s h 3 0 6 8 - - 9 5 ( 直径三6 0 m ) 的适用范围，原则上只能参照使用。从几个国外 的标准来看，日本消防厅规定最严格，试水时罐基础沉降差允许值s o 0 0 2d 。且 8 0 k p a 的地基处理中。为了充分发挥各自优点，出现了一种新型的复合 地基，即组合型复合地基。 所谓组合型复合地基，就是把两种或两种以上的桩进行合理组合而形成的一 种特殊的复合地基，这两种桩类型可以相同，也可以不同，它们的地位一般的以 一种为主承担荷载。有时也可平分秋色( 多数为同类桩型的) 。这两类桩大多数由 刚性桩+ 刚性桩( 或柔性桩) 组成，也有由半刚性桩和柔性桩或两种不同刚度的 同类桩组成的。组合型复合地基可分两类，一类是一种桩不承担或承担较少荷载、 而以另一种桩和土为主承担荷载，另一类是两种桩和土共同承担荷载。例如，我 们只利用柔性桩处理砂土液化，加快固结，沉降快的特点；刚性桩只在局部较大 荷载处使用，或只利用它减少沉降的功能，且数量很少，此时可把它们的承载力 当作潜在承载力而不予考虑，这时这类组合型复合地基和普通的复合地基设计、 检测一样。 复杂软弱地桀条件下大型储罐地基处理综合技术研究 3 2 大型储罐组合型复合地基特点分析 3 2 1 振动挤密碎石桩加固地基机理 对大型储罐来说，单一的某一种或二种处理方法不能满足地基稳定性、承载 力和变形要求。在黄河三角洲地区振动挤密碎石桩+ 水泥粉煤灰碎石桩( c f g ) + 塑料排水板+ 充水预压四种方法组成的综合处理技术，为复杂软弱地基条件下 较理想的罐基加固方法，已在该地区多座大型油罐中得到了应用。 振动挤密碎石桩加固地基原理：一是填入石料时对桩周围土的侧向挤密及置 换增加了桩周围土的密度；二是使桩间土排水固结。桩间土因受挤压而产生的超 孔隙水压力使土中水经桩身排出，从而增加了桩周土的有效应力，使其进一步固 结；三是由于桩身强度高于桩间土，增大了桩土应力比，所以复合地基承载力值 有显著提高。对于不排水抗剪强度大于2 0 k p a 的饱和软粘土和松散稍密状态的 粉土、砂土，通过振动挤密作用，排出土中水，减少土的孔隙比，增加土的抗剪 强度。 桩身石料对桩周土体进行挤密，桩周土因挤密而强度增高，又抑制了碎石向 四周扩张，并使碎石自身挤密成桩，这种挤密关系是互相关联和制约的。由于碎 石桩是柔性桩，具有可压缩性，能很好地协调桩土应力差异，保证桩与土在上部 荷重的作用下同步沉降。 碎石桩法处理油罐地基的优越性有以下几个方面： ( 1 ) 提高地基强度。碎石桩法处理地基可使无凝聚性土，如砂类土、碎石土、 砂质粉土、粉煤灰等得到加密，提高地基土强度。碎石桩法处理牯性土地基主要 依靠强度高的碎石桩与周围土组成复合地基提高地基强度。 ( 2 ) 改善地基不均匀性：振动挤密时用电流控制地基的质量，当地基内土强 度低时，需要填入较多的石料；反之，填入较少石料。通过填入石料的多少可使 处理后的地基土减少不均匀性。 ( 3 ) 消除液化土层：碎石桩法将粉土、砂土加密具有的抗震防液化效果己为 工程界认同，并巳得到日本大地震的多次证实。如新泻发生7 ；6 级强烈地震时有2 6 复杂软弱地基条件下人型髓罐地基处理综合技术研究 个经过碎石桩法处理的2 1 0 4 m 3 的油罐地基，储油基本满罐，震后地基均匀沉降 2 - 3c m ，不影响继续使用。而附近未经处理的油罐则产生严重倾斜。 ( 4 ) 排水固结作用：大量工程实例证实，碎石桩法在软粘土中设置的碎石桩 有良好的排水效果。考虑井阻和涂抹作用后，碎石桩地基可按固结排水原理进行 沉降计算。 ( 5 ) 调整油罐中心和边缘沉降差：油罐以均布荷载作用于柔性地基，罐中心 沉降量大、边缘小。碎石桩法处理油罐地基可以在中心部位减少桩距或增加处理 深度，以减少油罐中心和边缘的沉降差。 经碎石桩处理的软土地基，通常都可成倍地提高地基的承载力。有的从6 0 7 0 k p a 提高到1 2 0 1 3 0 k p a ，通过预压可达到2 2 0 k p a ，甚至2 5 0 k p a ，但该种桩型 沉降量较大。 3 2 2c f g 桩加固地基机理 c f g 桩( c e m e n tf l y a s hg r a v e lp i l e ) 是水泥粉煤灰碎石桩的简称。c f g 桩复 合地基实际上是在碎石桩复合地基的基础上发展起来的一种地基加固方法，是较 纯粹的碎石桩复合地基更具有桩基础特性的一种地基加固技术。 随着碎石桩复合地基的施工机械和成桩工艺的日益成熟和完善，为增加桩自 身的刚度和使桩体承担更大的设计荷载，在原桩体材料的碎石中掺入适量的水泥， 便使桩身形成低标号砼：而为增加砼的和易性、提高砼的密实度和节约水泥，在 低标号砼中加入适量的粉煤灰，最终形成了现在的水泥粉煤灰碎石桩复合地基一 c f g 桩复合地基。 c f g 桩复合地基实际是在碎石( 卵石、砾石) 、石屑( 粗砂、中砂) 、粉煤灰 中，掺入适量的水泥和水，用各种成桩机具制成的具有可变粘结强度、可变桩径 的复合地基。通过调整水泥掺量和配比，可使桩体强度等级在c 5 c 2 0 之间变化。 桩体中的粗骨料为碎石，石屑等中等粒径骨料，粉煤灰是一种活性掺料，具有有 细骨料及节约水泥的作用。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合后形 成的高粘结强度桩。预制混凝土桩具有较高的承载能力，但造价较高；碎石桩的 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综合技术研究 造价较低，但却不能满足重荷载对地基承载力的要求；而c f g 桩则具备了上述两 类桩的优点，即造价低廉且承载力高。c f g 桩复合地基不但能提供较高的承载力， 而且还能消除或减少桩间土液化的可能性。 传统的桩基理论是由桩全部承担上部荷载，不考虑桩间土直接承担荷载的作 用。而c f g 桩作为一种刚性桩，与天然地基组成刚性桩复合地基，共同承担上部 荷载。c f g 桩是一种低强度混凝土桩，一般情况下，不仅可全长发挥桩的侧阻力， 当桩端落到较硬土层时，也可以很好地发挥端阻作用，较大幅度地提高地基承载 力。与钢筋混凝土灌注桩相比，c f g 桩的刚度和强度要小得多，这样有利于充分 发挥材料的潜力，降低地基处理费用。 水泥粉煤灰碎石桩( c f g ) 对松散砂土、粉土的加固机理： ( 1 ) 挤密效应：疏松的单粒结构。颗粒间孔隙较大，位置不稳定。在振冲荷 载作用下，可使其产生较大变形一挤密，单粒、松散结构则变成密实的稳定结构。 土体的干密度和摩擦角有所增大，土体物理力学性能得到改善，从而提高了地基 承载力。 ( 2 ) 排水效应：c f g 桩复合地基在成桩初期，因桩孔内和周边充填过滤性 较好的粗颗粒填料，在地基中就形成了渗透性能良好的人工竖向排水、减压的通 道，可以有效地消散和防止振冲产生的超孔隙水压力的增高，加速地基的排水和 固结。 ( 3 ) 预震效应：c f g 桩复合地基成桩过程中，振冲器以一定的振动频率或 冲击水平向加速激振土体，使填料和地基土在提高相对密实度的同时获得强烈的 预震。这种预震对砂土增强抗液化能力极为有利。 水泥粉煤灰碎石桩( c f g ) 对粘性土的加固机理： ( 1 ) 桩体的置换作用：c f g 桩复合地基不同于碎石桩复合地基。它的桩体 是具有一定粘结强度的混合料的柱体。在荷载作用下桩体压缩性明显小于桩周土， 因此基础传至复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中在桩体上，出现应力集 中现象。c f g 桩在复合地基中起到桩体的作用。试验表明桩土应力比( 桩承受的 荷载与桩间土承受的荷载之比) 可在2 4 3 5 之间变化，桩承受的荷载通过桩周的 摩阻力传到更深层的地基土中。 复杂软弱地基条件下大型储罐地基处理综台技术研究 ( 2 ) 挤密作用：c f g 桩复合地基一般采用振动( 冲击) 沉管法施工。由于 振动或冲击的挤压作用使桩间土得到一定程度的挤密。加固后的地基土的含水量、 孔隙比、压缩系数均有所减少和降低，而土体的重度、压缩模量均有所增加。 ( 3 ) 时间效应：利用振动或冲击成桩法工艺施工将对桩间土产生扰动，特别 是对高灵敏度的土体，其结构强度将有一定程度的丧失，土体的强度降低。但在 施工结束后，随着恢复期的增长，结构强度也会逐渐恢复。 3 2 3 塑料排水板和充水预压加固地基机理 在碎石桩和c f g 桩组成的组合型复合地基中，塑料排水板主要起到将孔隙水 排出的作用，以进一步缩短排水路径、减少固结时间，同时还具有加筋抗滑作用。 塑料排水板很少单独使用，作为一种辅助方法，总是与其它方法结合使用。 经碎石桩桩和c f g 桩处理后的地基承载力一般并不达到设计要求，而是通过 充水预压来实现，有时承载力甚至提高一倍以上，也容易发现存在的问题，但进 度较慢。 3 2 4 c f g 桩复合地基的工程特性 c f g 桩复合地基的工程特性如下： ( 1 ) c f g 桩复合地基承载力提高较大，而且可调性强。c f g 桩长可以从几 米到2 0 多米，可全桩发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总荷载的百分比可在4 0 7 0 之间变化，使得复合地基承载力具有很大可调性。进行设计时，可通过 改变c f g 桩的桩长、桩距等来达到不同的复合地基承载力。 ( 2 ) 碎石桩复合地基，处理后承载力提高系数一般在1 2 1 6 之间，而在同 样的地质条件下，c f g 桩复合地基的承载力提高系数可以高达2 倍以上。特别是 天然地基承载力较低，而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一般难以满 足设计要求，c f g 桩复合地基则比较容易实现。 ( 3 ) c f g 桩复合地基具有刚柔相济的受力特征，对柔性桩，它们主要是通 过有限的桩长( 6 1 0 d ) 传递垂直荷载，当桩长大予某一数值后桩传递荷载的作 9 复杂软弱地基条件下大型髓罐血慕处理综合技术研究 用已显著减小。而c f g 桩则像刚性桩一样，可全桩长发挥侧阻，桩落在好的土层 上还具有明显的端承作用。这样就可以通过增加桩长或改变桩端持力层的方式， 使其进入较坚硬的土层来提高c f g 桩复合地基的承载力，以满足不同的设计要求。 ( 4 ) c f g 桩同其它刚性桩一样，具有桩体的刚度及变形模量远大于桩间土 的共同特点。通过何种构造措施来有效地、可靠地协调两者的变形，是确保c f g 桩土共同工作能否在荷载作用下形成复合地基的关键。因此通常情况下，在桩顶 和基底间设置褥垫层，有效地调节了桩与桩间土在荷载作用下的变形，而确保桩 与桩间土的共同工作。这充分显示出c f g 桩复合地基的柔性桩特征。c f g 桩复合 地基与天然地基的变形比随面积置换率m 的增大而减小，当m 1 0 时，影响渐趋平缓。 3 2 5 碎石桩和c f g 桩受力分析n 1 以碎石桩、c f g 桩和土构成的组合型复合地基。一般以c f g 桩为主承担荷载， 碎石桩仅承担- - d 部分荷载，一方面充分利用碎石桩有利于困结、沉降稳定快的 特点，另一方面，充分利用c f g 桩沿桩长传递荷载，高承载力、低沉降的优势， 而且由于c f g 桩的介入，增强了周围土对碎石桩的侧限约束，大大减小了碎石桩 的压胀变形，降低了它的膨胀破坏的可能。同时，由于c f g 桩、碎石桩对天然土 有挤密、加固的作用，使得地基的整体强度得到较大提高，桩土沉降差减小，其 变形倾向于整体下沉，使得加固区的沉降占总体沉降的比例大大降低，此时下卧 层的沉降占主导地位，这是它区别于一般复合地基的一大特点。 对于c f g 桩复合地基，群桩效应特别明显，桩端的应力集中相对很大，边桩 和角桩的应力要比内桩大很多，而且模量越大，桩内外侧应力差越大，甚至在外 侧出现了达上百千帕的拉应力。由于模量越大，邻桩的影响越大，而边桩和角桩 又不可避免地受到邻桩的影响，而使得桩身应力增大。这样，如果把边桩和角桩 布置为c f g 桩，而邻桩为碎石桩，则能大大降低群桩效应，降低桩体由于较大弯 矩引起的断桩的可能，而对于加固区外的土，c f g 桩也比碎石桩的影响小，地表 隆起很小。可见，组合型复合地基是可以达到设计思想的，符合受力枫理a 通常 2 0 墨堡竺望燮! 塑叁型些些垫茔竺些堡全垫查塑垄 c f g 桩复合地基是需要配置护桩的，而对于以c f g 桩为主要承载力的组合型复合 地基，一般不需要护桩。 3 3 碎石桩和c f g 桩组合型复合地基承载力计算嘲 通过以上对组合型复