DC-WORLD-强夯网

洛阳石化总厂化纤工程4.6万m2湿陷性黄土地基强夯处理

dcworld发表于2016-08-01 13:01  来源:中国强夯网 加入收藏  185次      

苏冰(洛阳石化工程公司)

一、前言

洛阳石化总厂化纤工程是国家“九五”的重点建设项目,26万吨/年芳烃抽提装置和16万吨/年对二甲苯装置(简称PX装置)是化纤工程的重要组成部分。该场地东西长约250m,南北宽210m,主要建(构)筑物有:变配电所、塔及设备基础、罐基础、钢构架、钢管架、100m烟囱及加热炉基础等。

该两套装置由中国石化集团洛阳石化工程公司实行设计、采购、施工在内的工程建设总承包。地基处理由中国化学工程重型机械化公司承担,检测单位是中国建筑技术开发总公司和中国石化集团勘察设计院,基础施工由中国石化第二建设公司承担。

二、工程地质条件

该场地地层为第四系冲、洪积粘性土、砂土及卵石。场地经回填碾压整平,地面标高为150.42~147.46m。地貌单元属于黄河二级阶地。土层自上而下可分为:

①层素填土:以褐黄色粉质粘土为主,局部夹杂褐红色粉质粘土,含少量砖块及瓦片。经过碾压,土质不均。厚度1.6~4.0m,可塑~硬塑。

②层黄土状粉质粘土:褐黄~黄褐色,为新近堆积黄土,具湿陷性,厚度为0.5~3.4m,可塑~硬塑。该层形成时间短,土质较差,强度低。

③层黄土状粉质粘土:黄褐色~褐色,局部具湿陷性,层厚为0.50~2.50m,硬塑。该层土质较好,但厚度较小。

④层黄土状粉质粘土:褐黄色,具湿陷性,层厚7.80~10.80m,可塑~硬塑。


⑤1层粉质粘土:浅棕~褐红色,局部褐黄色,厚度为3.60~6.90m,可塑~硬塑。


⑤2层粉质粘土:褐红色,层厚1.3~4.0m,可塑,局部硬塑。


⑥1层粉质粘土、部分粘土:红褐色,层厚2.80~7.50m,硬塑。


⑥2粉质粘土夹粉砂:褐红色,层厚6.90~9.90m,硬塑。很湿,中密。

⑦层粉土及粉砂:灰黄~青灰,层厚7.90~12.80m。

⑧层卵石:杂色,成份以沉积岩为主,夹杂岩浆岩,很湿,密实。

地下水位埋深为27.85~30.17m。

该场地内湿陷性土层厚13m左右,湿陷等级为I级(轻微)~II级(中等)非自重湿陷,总体趋势由东向西湿陷程度渐轻,且西部地层不具自重湿陷性。

深度23m以上土的物理力学性质见表1。

QQ截图20160612134924.png

三、地基处理方案

装置区大型设备多、大型钢构架多,其中的二甲苯塔、抽余液塔和烟囱为装置区三大构筑物,对地基承载力和变形有较高要求。而本场地湿陷性土层较厚,不能满足建(构)筑物对地基的要求。

对湿陷性黄土地基,有多种处理方法。如垫层法,一般适用于消除1~3m厚土层的湿陷性,不能满足设计要求。若采用桩基方案,因种种原因,桩位确定难度大,工期紧,且投资较多,还需考虑轻型设备及建筑物地基处理费用。

根据目前国内强夯技术的发展,对处理较深层的湿陷性黄土采用强夯方案比较理想。强夯施工便捷、节省材料、工期短,效果直观,费用比桩基方案节省37%。地质报告也建议采用强夯方案。

设计方经过研究,确定对该场地采用高能级强夯法处理。

1.夯击能的选择

强夯能级的选择以消除黄土湿陷性为主要目的,使用的能级及有效加固深度取决于预期消除湿陷的深度。

有效加固深度采用梅纳公式估算:

blob.png

式中D-有效加固深度(m);

    α-修正系数;黄土为0.34~0.5。

    m-锤重(kN);

    H-夯锤落距(m)。

针对建(构)筑物的不同要求,设计确定对芳烃、PX罐区采用6000kN·m能级强夯,约1.1万m2,加固深度预计8~12m;对装置区采用8000kN·m能级强夯,约3.5万m2,加固深度预计9~14m。要求消除黄土湿陷性,同时要求处理后的地基承载力标准值fk≥200kPa,部分区域fk≥250kPa,降低地基土的压缩性。由于二甲苯塔是该装置重要设备,塔高度为85m,基础承受荷载较大,要求地基具有足够的承载力和变形能力。设计方同建筑科研院有关专家研究决定,在二甲苯塔夯点内填入一定厚度的砂石料再夯实,以提高地基表层承载力,减少地基不均匀沉降。

2.夯点布置

本工程采用的强夯,由于能级高,夯点间距相应拉大,以使夯击能量更好地向深层传递。

为了确定夯击数及夯点间距,夯前先在强夯区进行8000kN·m和3000kN·m能级的单点夯试验,要求测出每击下沉量和地面变形情况,绘制夯击数和每击下沉量的变化曲线。

8000kN·m能级单点夯试验,在夯点南北两侧设地面变形观测点,试验结果见图1。

根据试验结果,夯坑四周仅有微小的隆起现象。当夯击能量为8000kN·m时,夯击数可选11~12击,强夯的影响范围约4m左右。

 QQ截图20160612133953.png 

图1 夯击次数与夯沉量关系

3.强夯施工参数

强夯施工分四遍进行,其中两遍主夯,一遍辅助夯和主夯点加固,一遍满夯。

装置区第一、二遍主夯能级均为8000kN·m,主夯点间距为8.4mx8.4m,以加固深层,击数不少于12击。第三遍辅助夯能级为3000kN·m,以加固中层土,击数不少于8击,夯点间距4.2mx4.2m。第四遍满夯能级为2000kN·m,主要加固表层土,击数为2击,要求锤印彼此搭接1/3。

6000kN·m强夯区施工参数除两遍主夯点能级改为6000kN·m以外,其它参数与8000kN·m强夯区参数相同。

强夯施工的控制标准,按击数和最后两击平均夯沉量控制。但目前规范最大能级为6000kN·m,还未对8000kN·m能级作出规定。对湿陷性黄土,最后两击夯沉量不易控制,后又增加一项标准,即夯坑深度超过4m。

四、强夯施工与夯后检测

1.施工情况

施工主要设备为500kN及150kN履带式吊车,夯锤采用430kN钢球锤和180kN铸钢锤,另有脱钩器及门式刚架。

强夯施工从1998年3月23日开始,历时三个月,完成8000kN·m能级主夯点983个,6000kN·m主夯点319个,3000kN·m辅夯点2603个,2000kN·m满夯面积46000m2。装置区累计平均夯击能为6691kN·m/m2,罐区累计平均夯击能为5943kN·m/m2。

二甲苯塔区面积1300m2,主夯点与辅夯点共63个,填入粒径<200mm的砂石料达2000多立方米,经四遍夯击后,已形成平均厚度约3m、直径3.2m左右的63个圆柱群体,从整体上提高了地基土表层的承载力。

强夯完成后,各遍主夯点、辅夯点夯沉量见下表。

 QQ截图20160612134924 (2).png

PX、芳烃装置场地北半部总夯沉量平均98.3cm左右,罐区累计夯沉量75.9cm左右;由于南半部场地在满夯前回填土方,其平均总夯沉量不易计算。

2.效果检测

检测内容包括:钻孔勘察、标准贯入试验、钻孔取原状土样、载荷试验、室内土工试验等。

因工期紧迫,现场检测工作采取分片强夯、分片检测的方式,基本上是停夯一周后进行检测,并分区域提交中间检测报告。由于间歇期不足,因此检测所得某些数据可能出现偏低现象。

检测结果与分析:

(1)夯后土的干密度

图2为装置北区(装置以A=1927.0为界分南北两区)夯前夯后干密度与标高关系图,由图可见,在140.0m以上,干密度提高幅度较大,比夯前增大16%~18%,而135.0~140.0m范围内,土的干密度增加幅度较小,仅10.1%;在135.0m以下,土的干密度与夯前互有大小,说明此深度以下土体虽受强夯冲击能影响,结构受到扰动,但不足以达到加密效果。

QQ截图20160612140315.png 

图2 北区夯前夯后平均干密度-标高关系图

在检测的50多个钻孔中,有6对钻孔是夯点、夯间相邻布置的。经过比较检测结果,发现其中2对钻孔上部土层夯间的干密度大于夯点干密度。按通常情况,应是夯点上的加固效果比夯间加固效果要好。而图3所反映的情况,并不说明夯间加固效果优于夯点效果,而是因为夯点土受到多遍强力的直接作用,土受扰动的程度比夯间土要大,其应力恢复所需时间要比夯间土长;同时也因雨季造成的地基表层局部含水量过高,致使夯实效果不佳。湿陷性黄土地区强夯适宜于低于塑限含水量的土,最佳含水量为低于塑限含水量1%~3%。只有在最佳含水量下才能获得最佳的夯实效果。根据检测报告,本工程的最佳含水量w=14.8~15.8%,最大干密度ρd=1.80~1.87g/cm3。在同样密度情况下,含水量增大,土的承载力会大幅度下降。

QQ截图20160612140533.png

图3 典型孔夯点夯间干密度对比曲线

(2)夯后土的湿陷性

从土的湿陷性试验结果分析,不少土样δs=0,按黄土规范计算,总湿陷量与自重湿陷量均为零。南区典型孔湿陷系数δs在夯前夯后对比曲线(见图4)可看出,检测深度内夯后土的δs均小于0.015,甚至为0.00,反映强夯后原黄土层的湿陷性已消除,仅就消除湿陷性而言,强夯的影响已达13m。

QQ截图20160612141131.png 

图4 南区典型孔夯前夯后湿陷系数对比曲线

(3)土的压缩系数和承载力

强夯后既提高土的承载力,又使土的压缩性降低。压缩系数α1-2是反映地基受压后可能产生变形大小的指标之一,南区α1-2<0.1占66.7%,α1-2=0.2~0.23仅有2个点,占1.5%。总体来说,在标高135.0m以上,土经强夯后呈中~低压缩性,即变形性质有较大改变。

为确定地基承载力,本场地共进行8台载荷试验,其中罐区2台,二甲苯塔区、抽余液塔区、烟囱区各2台。从承载力结果来看,8台载荷试验中,有5台试验结果达到设计要求,有3台试验结果偏低。由此表明,在表层0~-2.5m深度内,土层不均匀,局部密实度较差,或土的含水量偏大,导致承载力偏低。二甲苯塔地基P-S曲线见图5。

本场地夯后土的承载力标准值达到200kPa,比夯前提高17.6%~100%;二甲苯塔区加石料表层的承载力达到250kPa。

QQ截图20160612141556.png 

图5 二甲苯塔地基荷载试验P-S曲线

(4)夯后土的标贯击数

本场地共进行了53个孔的标贯试验,击数在5~27击之间,平均值为11.3击。

图6为附近有夯前孔的标贯N-标高H散点图。从此图看,到检测之日,夯后N不高,反映强夯效果不明显。图6为南区夯后标贯击数N-标高H散点图,从整体看,在标高140.0m以上,N分散性大,同时N>12的点较多,占60%以上。本场地土基本上为粉质粘土,按照规范要求,强夯结束后应间隔4周左右,才适宜进行检测;另外黄土是一种具有结构强度的土,强夯破坏了它的原状结构,土的强度恢复和增长需要一定的时间。而本次从停夯到检测多数为一周,因此出现N偏低且分散较大的现象。

 QQ截图20160612142425.png

图6 典型孔夯前夯后标贯-标高散点图

(5)有效加固深度

本文所说加固深度,是指通过强夯后地基检测结果同夯前相比,在地基强度等各项指标有明显增减、满足设计要求的地层深度。

从夯击前后各种指标的对比分析,可见夯后土体随深度分成两个带:

自起夯面到地下一定深度,即140.0m以上,加密效果显著,其指标表现为压缩性、孔隙比大幅度减小,干密度、承载力大幅度提高,这个带为强加密带,

厚度为6~8m左右。

从强加密带向下至135.0m左右,土的承载力干密度不如强加密带提高的幅度大,夯击能对这个带的影响相对较小,这个范围主要受夯击能的挤压,称为加密带,厚度在5m左右。在135.0m以下,干密度、标贯击数与夯前土相比互有大小,反映不出强夯的效果。

由于强夯处理效果受许多因素影响,如施工参数、施工工艺、地层结构、土本身特性等影响,因此加固深度是有变化的,见表3。

QQ截图20160612142714.png

由表3可知,不同能级形成不同的处理深度,加固效果是不相同的。

(6)夯后不同时期检测结果的比较

进入98年12月,距强夯结束已有半年,设计单位考虑到随着时间的推移,地基强度有一定的恢复和增长,特提出补充钻孔技术要求,在构-17-5、构-18-2范围布置3个技术孔,进行钻孔、取土样及标贯试验。本次检测结果与夯后十几天及夯前附近钻孔的资料比较见表4和图7。

QQ截图20160612142922.png


(注:百分率指与夯前指标相比提高或降低的幅度。)



QQ截图20160612143037.png

图7典型孔夯前夯后干密度对比曲线

检测表明,标高144.0m以上,1#、2#孔检测指标值略优于原指标值,而3#孔的检测指标较原检测结果略差。统计整理的结果表明,干密度比原检测结果少2%,孔隙比增加了2%,压缩系数增加9%,承载力降低2.9%~5%,标贯击数差21.5%。其原因,一是该段地处表部,受雨水影响较大;二是随时间的推移,土中孔隙水压力的消散,受夯压的土体有轻微的反弹影响。

在144.0~140.5m,本次检测指标比原检测指标稍好,干密度提高4.9%,孔隙比又降低7.9%,承载力提高6.7%,标贯击数增加42.7%,这说明在强夯影响的中部地段,随时间的推移,土体结构强度略有提高。

140.0~135.0m段内,本次检测结果比前次略差或基本相同,这说明,该区段埋藏较深,受强夯影响较小,随时间的推移,地基土强度无明显变化。

当然,本次只检测了三个钻孔,数量有限,其数据只代表小范围土层的变化,还不能全面反映整个场地的夯后状况,但这次检测的数据已说明,强夯影响深度内,地基土的强度变化规律已初步可见。

3.基坑开挖情况分析

从夯后的检测和罐区、二甲苯塔基坑等验槽情况表明,本场地经强夯后表层存在不均匀性,部分土层含水量较高。为此,设计与检测方专家研究,参照地基设计规范,提出如下意见:

(1)除罐基础、小型设备基础基坑可进行观察验槽外,其余基础的基坑均应进行钎探验槽;

(2)该场地为粉质粘土,验槽钎探击数≥28击或击数20~27击、干容重≥1.70g/cm3、含水量<20%为满足设计要求;否则为不满足设计要求,应进行处理。

纵观整个场地各种基础的基坑钎探验槽结果,可总体反映出强夯后地基土的土质情况。从整体来看,芳烃抽提装置西部、PX装置从北向南大部分场地土质分布较均匀、密实,钎探击数较高,有81%以上的钎探结果符合设计要求。如PX装置构-17-5深2m的基坑打钎探点共167个,击数均满足设计要求;其中表层30cm达到100击以上的就有22个点,第4步最高击数达197击,有20个点打到0.9~1.2m处钎探杆已打不下去。而装置局部地段,基底土质分布不均匀,含水量较高,出现软弱土层,钎探击数较低,有的地方仅6击,基坑须采用2:8灰土来处理。

五、构筑物沉降观测

重大构筑物的沉降观测,可反映强夯后地基的实际变形情况和地基变形对构筑物的影响程度,同时也是对夯后地基土压缩性的一种检验。

地基规范和塔基础设计规范确定的地基容许变形值有:当构筑物高度H≤100m时,容许沉降量为100mm;‚当3.2m<D≤6.4m时,倾斜值限制在2.5‰以内(D-塔型设备内径)。

二甲苯塔、抽余液塔和烟囱的荷载如下

二甲苯塔自重8216kN,充水重22860kN;抽余液塔自重2771kN,充水重11160kN;烟囱自重23442kN

98年7月和9月,二甲苯塔和抽余液塔基础分别浇筑砼。基础施工完15天左右,即开始塔体分段吊装就位。

99年3月,抽余液塔进行水压试验,充水分四个阶段加载。充水完毕,基底压力达到136kN/m2,实测平均沉降值为39mm。继续观测五天,沉降基本稳定,平均沉降值为41.3mm。然后将塔内充水放掉,观测地基变形,两个月内平均回弹量4.38mm,表明地基的压缩仍处于弹塑性变形范围,回弹量只占总压缩量的10.6%左右。整个充水试压过程地基沉降情况良好。

二甲苯塔充水试压是对地基性能的一次较严峻的考验。充水前,安装单位已将塔内固定件调整好水平度。99年7月,塔充水分六阶段进行,每阶段加载后期,沉降曲线出现下滑坡度,当充水停止并保持一天时,曲线也保持水平段不变;如此递推,直到第六阶段充水完毕。上水时间共16天,基础底面压力达到169kN/m2,累计沉降量平均为30.25mm,基础倾斜值为1.127‰,地基沉降较均匀。

塔上满水后观测三天,基础沉降值一直保持不变,达到基本稳定后用两天时间放完水。地基在突然卸载后,五天内回弹3mm.,且回弹较均匀,显示出地基与基础良好的弹性性能。

与抽余液塔地基相比,二甲苯塔地基在水压试验中的特点是:

(1)沉降值小。抽余液塔地基在水压试验中沉降平均为11.5mm,二甲苯塔地基仅沉降了7.75mm,说明夯入砂石料的地基性能更优于未填石料的地基。

(2)沉降稳定时间短。抽余液塔充满水后,地基五天才达到基本稳定,而二甲苯塔充满水后,地基便停止沉降,沉降值始终稳定在30.25mm。

(3)二甲苯塔试水时间要比抽余液塔晚三个多月,地基固结时间相对来说更有利。

二甲苯塔放完水后,安装单位又对塔内固定件水平度进行测量,偏差仍在允许范围内;8月初对塔体垂直度进行测量,仅向西偏2mm,向南偏2mm;至装置运行前,地基沉降值仍保持在27.25mm左右,倾斜值为1.127‰,以上三方面的结果相互联系,证明地基处理后的效果是非常显著的。

2000年1月,两套装置中交后,进入稳定试生产阶段。正常操作时,二甲苯塔介质重4000kN;抽余液塔介质重2000kN。此后多次对三大构筑物作沉降观测,二甲苯塔和抽余液塔地基沉降值与充水试压后的沉降值相比,基本未有变化;烟囱地基总沉降量31.5mm。

PX、芳烃罐区共有20台储罐,容量为110~1000m3,罐体直径为φ5300~φ11000mm,于99年3月进行充水试压,部分罐基础沉降观测值为12~18mm,基础环墙最大沉降量22mm,最小沉降量9mm,最大沉降差6mm,小于规范允许值。

六、结语

(1)本场地黄土地基采用强夯处理后,效果显著,土的湿陷性已消除,上部土层承载力达到200kPa,二甲苯塔区达到250kPa。

(2)强夯后地基均匀性良好,建(构)筑物的变形是安全的,满足设计要求。

(3)本工程地基检测,是在强夯结束后一周左右进行的,夯后地基土的孔隙水压力并未达到消散期,因而地基检测报告提交的检测结果受到时间和地基条件的制约。随着时间的推移,地基土的强度有一定程度增长。

(4)从物理力学指标及钎探击数来看,检测所提地基承载力有些偏低。

(5)由于98年洛阳气候异常,雨水偏多,由此造成的地基土含水量偏高,必须引起足够的重视。应加强场地的防雨排水措施,进一步保证地基夯实的效果。

关注中国强夯网官方微信公众号DC-WORLD,参与更多互动

blob.png


上一篇:福建漳州港物流中心地基处理工程20万m2块石回填地基高能级强夯地基处理
下一篇:高能级强夯处理新近堆积深厚填土实例

Copyright © 2008-2016 强夯网 All Rights Reserved 京ICP备05041326号-3