强夯法在某大型油罐工程地基处理中的应用

王 争，易 勇

(中石化江汉油田勘察设计研究院，湖北 武汉 430070)

强夯法在某大型油罐工程地基处理中的应用

王 争，易 勇

(中石化江汉油田勘察设计研究院，湖北 武汉 430070)

为了解决强夯有效加固深度的计算结果与实际工程存在较大偏差的问题，结合工程实例，通过对工程的试夯和现场原位测试进行分析，得出以下结论：①基于梅纳德(Menard)理论计算的有效加固深度直接用于工程时存在较大偏差，需采用能级修正后才能与工程实际相符合；②不同的夯点布置方式对工程实际的影响不可忽略。

强夯法；地基处理；有效加固深度

强夯法是地基处理的主要方法之一，因其设备简单、施工方便等特点而得到广泛使用，其适用于处理碎石土、砂土、非饱和细粒土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。目前，研究者通过不同方法预测强夯有效加固深度的计算结果与实际工程存在较大偏差[1～4]。鉴于此，笔者结合某大型油罐工程地基处理实例，通过对不同强夯试夯区的研究，提出了梅纳德公式的简化计算方法和相关施工工艺，从而为利用强夯法进行地基加固提供参考。

1 工程概况

某大型油罐工程主要建立4个105m3原油储罐，储罐直径80m，高21.8m。抗震设防烈度为7度，拟建场地等级2级，地基等级1级，工程重要性2级，岩土工程勘察等级为甲级。

该工程所在地层自上而下为新近填土层(素填土、碎石素填土、杂填土)和震旦纪基岩。新近填土层为人工回填形成，基岩主要为板岩和石灰岩。地面平均高程为7.00m，填土深度为7～14m，地下水位变化幅度为-3.00～6.93m。

2 工程设计

地基处理技术要求：①地基处理后的地基承载力特征值fak≥250KPa，压缩模量Es≥17MPa；②要求有效加固深度至微风化岩岩面。

2.1试夯区一设计

1)试夯区一有效加固深度计算 根据风化岩面等高线图，回填土深度在7～9m采用8000kN/m能级进行试夯，8000kN/m能级的对应有效加固深度为9～9.5m[5]。考虑到设计区域场地回填土土质很不均匀，且粘性土含量较大，根据梅纳德理论，计算有效加固深度公式[6]如下：

(1)

式中，h为有效加固深度，m；W为夯锤重，kN；H为夯锤落距，m；α为修正系数，粘性土地基时取0.4。

在该工程进行强夯加固地基时，采用夯锤重W=400kN，夯锤落距H=20m。将上述参数代入式(1)求得有效加固深度为11.3m，该值与文献[5]推荐值相比偏大。

该工程地下水位高程为3.5m(地面高程为7.0m)，地下水与海水连通。因此，在强夯过程中地下水以下土体要克服浮力做功，从而抵消一部分夯击能，因而需要采用引入浮力的改进梅纳德公式进行计算。考虑到强夯过程中土体的扩散，地下水位下土体浮力计算如下(计算模型见图1)。

图1 试夯区一强夯计算简图

土体扩散角系根据地勘报告取20°，根据现场点夯试验结果得到夯沉量，起夯面夯沉量约为加固土体深度的1/3，基岩顶夯沉量为0。根据沉降量模型图(见图1(a))，标高3.5m处下沉量为1.833m，标高9.0m处下沉量为0m。另由于在强夯过程中，夯级能沿夯点处土体向下扩散，其扩散的形状为截头圆锥体(见图1(b))。计算截头圆锥体体积公式[7]如下：

V=πh1(R2+R×r+r2)÷3

(2)

式中，R、r分别表示上下截面直径，m；h1表示截面高度，m。

由于地下水位线下受强夯影响的土体形状为截头圆锥体，因此根据式(2)可得：

地下水位线下土体体积:

V=3.14×(9-3.5)×(4.5262+4.526×2.524+2.5242)÷3=220.4m3

则地下水位线下土体浮力:

Ft=V×ρw=220.4×10=2204kN (水的容重ρw取10kN/m3)

以对应截面面积为权重，得平均沉降值为：

此浮力消耗的能为：

M=Ft·Δh=2204×0.435=959kN/m

则有效加固深度为:

该值和文献[5]推荐值比较接近，结合实际工程经验，采用 8000kN/m能级时的有效加固深度定为9m。

图2 试夯区一夯点布置示意图

2)试夯区一强夯夯点的布置 考虑到大罐直径为80m，属于大面积强夯，因而采用正方形夯点布置形式。夯锤直径为2.5m，质量为40t。第1遍夯点间距取2.5～3.5倍夯锤直径(即6.25m～8.75m)，故第1遍夯点间距取8m，第2遍夯点在第1遍夯点中所形成正方形中心插点，第3遍夯点在第1遍夯点中2夯点间插点，第4遍夯点在前3遍夯点所形成正方形中心插点布置，第5遍为满夯(见图2)。

2.2试夯区二设计

1)试夯区二有效加固深度计算 根据风化岩面等高线图，试夯区二回填土深度为9～12.5m，采用夯锤重为400kN，夯锤落距为30m，根据式(1)计算出有效加固深度 。该值与文献[5]推荐值相比偏大，因而采用引入浮力的改进梅纳德公式进行计算(计算模型见图3)。

根据沉降量模型图(见图3(b))，标高3.5m处下沉量为3.167m，标高12.5m处下沉量为0m。

则地下水位线下土体体积：

V=3.14×(12.5-3.5)×(5.8002+5.800×2.524+2.5242)÷3=514.8m3

地下水位线下土体浮力：

Ft=V×ρw=514.8×10=5148kN

以对应截面面积为权重，得平均沉降值为：

此浮力消耗的能为：

M=Ft·Δh=5148×0.478=2461kN/m

修正后的有效加固深度为:

图3 试夯区二强夯计算简图

图4 试夯区二夯点布置示意图

该值和文献[5]推荐值比较接近，结合实际工程经验，采用12000kN/m能级时的有效加固深度定为12.5m。

2)试夯区二强夯夯点的布置 由于需要处理的土层深度较深，为了进行同能级不同夯点布置形式的对比，对地质情况相近的2个试夯区块分别采用正三角形和正方形夯点布置形式。在正三角形布置形式中，夯锤直径为2.5m，夯锤量为400kN。第1遍夯点间距取2.5～3.5倍夯锤直径(即6.25m～8.75m)，考虑到随能级增加间距宜适当加大，故第1遍夯点间距取10m的正三角形布置，第2、3遍夯点在第1遍夯点中插点，第4遍为满夯(见图4)。

3 试夯区检测

3.1试夯区一检测

1)静载试验 采用直径1.20m的圆形承压板进行试验，地基承载力特征值为250KPa、变形模量为17MPa。

2)圆锥动力触探检测 动力触探检测表明，深度在1.5～3.0m内有大块径的石块，该块石段以下地基土加固效果相对稍差；深度在8～9m以下为硬层(基岩)，夯间土处理较均匀。

上述检测表明，试夯区一设计满足地基处理技术要求。

3.2试夯区二检测

1)静载试验 采用直径1.20m的圆形承压板进行试验，三角形布点形式的地基承载力特征值不小于350KPa、变形模量约35.6MPa。

2)圆锥动力触探检测 动力触探检测表明，在浅部4m以内的填土中含有大量大块径石块，而在5～8m以下进入较硬土层、动力触探难以打入，经处理后填土强度较高。

上述检测表明，试夯区二设计满足地基处理技术要求。

4 对相关问题的探讨

图5 强夯夯点影响范围简图

在试夯区设计中，采用梅纳德公式计算的有效加固深度结果与工程实际存在较大差异。考虑到地下水引起的浮力对强夯能级影响较大，故在计算中采用理想模型进行简化计算，即采用引入浮力的改进梅纳德公式计算的有效加固深度结果与工程实际试夯结果相一致。该方法便于工程研究者进行设计，同时有助于减少试夯周期。

当采用不同夯点布置形式时(见图5)，强夯加固率计算公式[5]如下：

ρv=(S1/S0)×100%

(3)

式中，S1表示强夯影响区域面积，m2；S0表示需加固区域面积，m2。

则夯点布置形式为正三角形与正方形的强夯加固率分别为：

式中,a分别为正三角形和正方形的边长。

从上述计算结果可知，与正方形夯点布置形式相比，采用正三角夯点布置形式的强夯加固率提高约12%，说明不同夯点布置方式导致不同的地基处理效果。工程实际试夯表明，采用正三角夯点布置形式时对周边土质影响均匀，同时对地基的强夯加固处理也更加均匀。

[1]Leonard G A. Dynamic Compaction of Granular Soils[J]. ASCE, GT4, 1980, 106(4): 435-446.

[2]靳永恒.浅谈强夯法地基处理[J].科技情报开发与经济，2001，31(4)：126-128.

[3]籍延青.填土的强夯机理与实验研究[D].太原：太原理工大学，2005.

[4]孔位学，陆新.强夯法加固软土地基有效加固深度研究[J].四川建筑科学研究，2001，27(4)：45-48.

[5]JGJ 79-2002.建筑地基处理技术规范[S].

[6]CECS279:2010.强夯地基处理技术规程[S].

[7]建筑工程常用数据系列手册编写组.建筑结构常用数据手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.03.039

TU472.31

1673-1409(2011)03-0114-03