CFG桩复合地基在石油化工工程中的应用.doc

CFG桩复合地基在石油化工工程中的应用 摘要：CFG桩复合地基是高粘结强度桩复合地基的代表。随着石油化工装置的大型化，设备尺寸及设备荷载加大，大多数石化项目都建设于地基条件较差的地区，尤其是一些大型塔器、钢储罐、卧式容器等设备基础，不但要求较高的地基承载力，而且严格控制基础沉降量、环向及径向沉降差，CFG桩复合地基以其承载力高变形小的特有优势和相对低廉的工程造价在石油化工工程中得到了越来越广泛的应用。本文将结合鄂尔多斯国泰化工有限公司40万吨/年煤制甲醇项目中钢储罐的地基与基础设计来介绍CFG桩复合地基在石油化工工程地基处理中的设计、施工、竣工验收、结果检测的过程。关键词：CFG桩；复合地基；设计；施工；结果检测引言CFG桩(C指Cement，F指Fly-ash，G指Gravel)即水泥粉煤灰碎石桩，一般由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，桩、桩间土和褥垫层一起构成复合地基。由于利用工业废料(粉煤灰代替部分水泥)，大大降低了工程造价，又增加了桩身后期强度。通过柔性褥垫层的设置，保证了桩、土共同承担荷载，使CFG桩复合地基得到均匀沉降和较高的承载力。CFG桩复合地基加固地基主要有三种作用：桩体作用、挤密作用和褥垫层作用。当基础承受竖向荷载作用时，桩与桩间土都要发生沉降变形，由于桩的模量大于桩间土的模量，桩比土的变形小，则会产生荷载逐渐向桩顶集中现象。基础下设置了褥垫层，可以将上部基础传来的基底压力(或水平力)通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩间土，使二者共同受力。同时，土由于桩的挤密作用提高了承载力，而桩由于其周围土的侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。CFG桩复合地基既适用于条形基础、独立基础，也适用于筏板基础和箱型基础；就土性而言，适用于处理粘性土、粉土、砂土、和正常固结的素填土等地基，对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。CFG桩复合地基的工程应用1 工程概述鄂尔多斯国泰化工有限公司40万吨/年煤制甲醇项目位于鄂尔多斯市杭锦能源化工基地内中间地带，总占地面积约60公顷，包括生产装置、辅助设施、公用工程和服务设施等。其中辅助设施之甲醇成品罐区钢储罐基础采用CFG桩进行地基处理。1.1 地质情况： 0A层，素填土：黄褐色，以细砂为主，结构松散稍密，平均层厚0.583.45m。 1A层，细砂：黄褐色，干稍湿，松散，本层土具湿陷性，层厚1.003.60m，fak=80kPa，Es=6.0MPa。1B层，粉土：黄褐色褐色，稍湿，稍密中密，本层具湿陷性，平均层厚1.62m，fak=115kPa，Es=4.3MPa。1C层，细砂：黄褐色，局部为粉砂，稍湿，中密，局部密实，层厚1.003.20m， fak=150kPa，Es=8.8MPa。2A层，粘土：黄褐褐黄色，夹有粉土、粉砂，干强度中高，韧性中高，可硬塑，单层薄，不超过1.0m，fak=160kPa，Es=6.4MPa。2B层，细砂：黄褐色，局部夹粉土、粉质粘土及中粗砂薄层，稍湿湿，密实，局部中密，层厚3.58.2m，fak=200kPa，Es=11.7MPa。3层，细砂：黄褐色，混少量中粗砂、砾石，夹有较多粉土、粉质粘土及中粗砂薄层，稍湿湿，密实，层厚9.70m22.50m，fak=320kPa，Es=15.0MPa。场地所处地区为季节性冻土区，标准冻结深度为1.40m；场地内无液化土层，设计时可不考虑地基土地震液化的影响。场地特殊性岩土为湿陷性土，其中1A层细砂、1B层粉土、1C层细砂具湿陷性，场地总体上为非自重湿陷性场地，地基湿陷等级级。静止地下水位埋深46.0051.00m，水位变化幅度小，设计和施工时可不考虑地下水影响。1.2 地基处理方案对比由于钢储罐荷载较重，基础为环墙式基础，自重大。经计算后，所需地基承载力为223kpa，考虑到天然地基持力层承载力偏低，所建场地上部1A、1B、1C层具湿陷性且储罐基础对沉降变形非常敏感，因此需进行地基处理。将几种当地常用的地基处理方案进行对比如下： 表1 地基处理方案对比地基处理方法应用于本工程中的优缺点换填垫层法1A、1B、1C层土具湿陷性且层厚较厚，换填厚度大于3m，故本工程不适宜强夯法可以消除土的冻涨性、砂性土、粉土的湿陷性。但对于地基承载力的提高效果不显著预压法存在粘土层，根据以往经验，预计需六个月时间方可满足地基承载力及稳定性要求碎石桩能提高地基的承载力，但提高幅度较小；可减少地基变形，但减少的幅度较小，总的变形量可能较大CFG桩能有效提高地基的承载力及减少地基变形，造价较低，采用长螺旋钻孔、管内泵送混合料灌注成桩可保证对桩间土产生较少的影响钢筋砼预制桩可满足承载力及地基变形要求，施工简便，但造价较高最终，经过方案评审后决定采用CFG桩对地基进行处理。2 CFG桩的设计以钢储罐T-4401B为例，简述CFG桩的设计：2.1 设备平面布置 图1 成品罐区设备平面布置图2.2 储罐基本参数储罐：T-4401B 公称容积：20000m3， 直径：42m， 罐身高：17.5m， 设计液位高：15.75m， 介质密度：7.92KN/M3， 设备净金属质量：5100KN， 梯子、平台质量：55KN， 充水后静质量：225100KN2.3 CFG桩设计参数桩径d：宜取350mm600mm，本工程中取桩径d=450mm。桩长L：CFG桩应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层，本工程中将3层土作为桩端持力层，桩长进入第3层2.32m，桩的有效平均长度13.5m。褥垫层：材料采用级配良好的碎石土，厚度为300mm，压实系数不小于0.96。布桩：等边三角形布置，桩距1800mm，桩数595根。 图2 CFG桩平面布置图2.4 承载力验算基础底面平均压力值： 复合地基承载力特征值，按建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)中公式9.2.5计算：式中： ， 以罐区189号钻孔得到的地质土层分布为例（图3），按建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)中公式5.3.5进行计算得到单桩竖向承载力极限值。 图3 189号孔地质土层分布 单桩承载力特征值： 将该值代入公式9.2.5中，得到满足承载力要求。2.5 沉降验算地基处理后的变形计算按建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)有关规定执行。地基最终沉降量： CFG桩穿越了1A层3层土，复合土层的分层与天然地基相同。以罐T4401-B为例选择3点进行地基沉降计算，计算深度取13.5m。表2 点1沉降量计算表土层01.181.180.495120.5843.0803.510.51A1.402.580.490270.6816.0803.521.01B1.604.180.483910.7584.01153.514.01C2.006.180.475800.9188.51603.529.82B5.0011.180.456752.16618.02503.563.032.3213.50.447500.93535.03503.5122.5，查JGJ79-2002表9.2.8得，沉降量 注：1、值通过查规范SH/T 3068-2007中表A.1得到。 2、基底平均附加应力。 3、填土层压缩模量及其承载力特征值均无试验数据，故假设，进行计算。根据规范SH/T3068-2007中表3规定，储罐底圈内直径在3060m范围内取验算地基变形计算深度。 因此取13.5m的计算深度是可行的。由于勘探点布置稀疏，故以206号钻孔得到的地质土层分布（图4）来计算点2及点3的地基沉降。相关参数见下表。图4 罐区勘探点平面布置图表3 点2沉降量计算表土层00.220.220.499190.1103.0803.510.51A2.002.220.491070.9806.0803.521.01C3.205.420.479041.5068.51603.529.82B4.109.520.463431.81518.02503.56333.9813.500.447421.62835.03503.5122.5，查JGJ79-2002表9.2.8得，沉降量注：1、值通过查规范SH/T 3068-2007中表A.1得到。 2、基底平均附加应力。 3、填土层压缩模量及其承载力特征值均无试验数据，故假设，进行计算。根据规范SH/T3068-2007中表3，取验算地基变形计算深度。因此取13.5m的计算深度是可行的。故点1与点2、点3的沉降差 (1)、平面倾斜（径向） (2)、非平面倾斜（环向） 即地基径向及环向沉降差均满足规范石油化工钢储罐地基与基础设计规范（SH/T3068-2007）中表4对沉降控制的要求。 2.6 桩体混凝土抗压强度确定故CFG桩桩身混凝土采用C15混凝土。3 桩的施工施工工艺：成孔应按设计要求、成孔设备、现场土质和周围环境等情况。本工程选用长螺旋钻孔、管内泵送混合料灌注成桩。该工艺具有低噪音、无泥浆污染、无振动的优点。工艺流程如下：桩位放线长螺旋钻机就位下钻成孔压灌CFG混合料提钻成桩至设计标高制桩完成。CFG桩施工技术要点：1. 施工垂直度偏差不应大于1%，本工程中，桩位偏差不应大于0.4倍桩径。2. 施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验，施工时按照配合比配置混合料。混合料配比碎石最大粒径不宜大于25mm，粉煤灰选用级细灰，每立方米混合料参量7090kg为宜；严格控制水灰比不超过0.45，混合料坍落度宜为180220mm。3. 混合料泵入孔底后方可提钻，防止孔底沉渣，严禁先提钻后灌料。4. 在基坑开挖时，应保留0.5m厚的土层作为保护土层，施工桩顶标高宜高出设计桩顶标高不小于0.5m作为保护桩长。5. 采用长螺旋钻孔成桩时，施工中存在钻孔弃土。对弃土和预留保护土层可采用人工清除或机械人工联合清除方案。当采用机械人工联合清除方案时，应避免机械设备超挖，并应预留至少500mm用人工清除，不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土。6. 为避免桩间土承载力下降，褥垫层铺设宜采用静力压实法；当基础底面桩间土含水量较小时，也可采用动力夯实法，夯填度不得大于0.9。对于较干的砂石材料，虚铺后可适当洒水进行碾压或夯实4 结果检测施工结束后，28天后做桩、土以及复合地基检测。施工质量检验主要应检查施工记录、混合料坍落度、桩数、桩位偏差、褥垫层厚度、夯填度和桩体试块抗压强度等。中科院武汉岩土力学研究所岩土工程检测中心于2009年10月至11月对罐T4401-B进行了60根低应变检测试验。根据所测波形特性，结合桩的混凝土强度等级要求，桩身完成性划分为四类：一类为桩身完整、基本完整；二类为桩身存在轻微缺陷；三类为桩身存在明显缺陷；四类为桩身存在严重缺陷或断桩。本工程检测按总桩数的10%进行抽检，共检测了80根桩，检测结果反映除有个别桩桩头破损外，其余被检测桩桩身基本完整，未发现三、四类桩，符合设计要求。同时对罐区进行了8个单桩复合地基检测。试验采用承压板规格为直径1.9m的原板，分8级等量加载，最大试验加载值为1700kN/600kPa。根据建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)附录A中的规定，按相对变形s/b=0.01来确定复合地基承载力特征值，试验结果表明：本工程复合地基承载力特征值大于300kPa，符合设计要求。结语CFG桩复合地基应用范围广，多用于高层建筑、构筑物及工业建筑地基。随着越来越广泛的应用，说明采用CFG桩进行地基处理是切实可行的，处理效果也经实践证明是显著的，尤其是经济效益明显，节约了投资。CFG桩施工技术具有可靠性，承载力提高幅度大，沉降量小，施工速度快、方便，且造价相对较低等特点，使得CFG桩复合地基已经成为石油