郑燃集团液化石油气储罐勘察及HGP桩地基处理检测分析张根山

郑燃集团液化石油气储罐勘察及HGP桩地基处理检测分析张根山

张根山

化工部郑州地质工程勘察院郑州450011

摘要：郑州液化石油气储罐厂搬迁工程，属于郑州九五重点项目，场地位于郑州东部圃田，地貌单元属于黄河冲积平原，微地貌具有风积沙丘，地质条件较差，承载力低，不能满足大型储罐荷载要求，经采用HGP桩处理，采用复合地基，强度变形均得到满足，且经济，为该地区类似项目地基处理提供了新的途径。

关键词：液化石油气罐；HGP桩；检测

Abstract：ZhengzhouliquefiedLPGstoragetankfactoryrelocationengineering,belongstoZhengzhou95focusproject,siteislocatedinZhengzhouEastnurseryfield,landformsunitbelongstoYellowRiveralluvialplain,micro-landformshaswindproductDune,geologicalconditionspoor,hostedforcelow,cannotmeetlargestoragetankloadcontainsrequirements,byusedHGPpileprocessing,usedcompositeFoundation,strengthdeformationaregetmeet,andeconomic,fortheareasimilarprojectFoundationprocessingprovideshasnewofway.

Keywords：LPGtank；HGPpiles；detection

引言：拟建工程为郑州市燃气有限公司液化石油气储罐厂搬迁工程，属郑州市重点建设项目。工程场地位于郑州市东郊，管城区圃田乡西营岗村西，占地面积64641m2。

拟建工程包括的子项工程有：a.四个直径18.0m，容量4000m3的液化石油气球罐。总重量58000kN，基底压力：P=380kPa；b.四层综合办公楼一栋；c.液化石油气灌瓶间；d.消防水池一个，设计容量4500m3，有效容量3500m3。

1岩土工程勘察

1.1勘察工作布置

勘察目的是为施工图设计提供岩土工程资料和参数。依据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）【1】，结合设计总图，勘探点布置以整个场地均布为原则，并重点控制四个液化石油气球罐。在场区范围内共布置勘探点85个。勘探孔深度控制性孔深度30.0m，间距20.0-30.0m。为配合地震安全性评价施工2个地震测试孔，孔深90m。为了准确地获得各土层的物理、力学性质指标，采用了以钻探取原状土样、静力触探测试、标准贯入试验、地震波速测试等综合勘察手段对场地进行评价。勘探点布置如图1所示。

图1勘探点平面位置图

1.2场地工程地质条件

拟建场地位于郑州市东15km管城区圃田乡西营岗村，自然地面标高在97.31～94.00m。勘探时地表已被整平。场地地貌单元属黄河冲积平原。地层结构从上到下，按照工程地质性状共划分10个单元层，典型工程地质剖面如图2所示。

图2典型工程地质剖面图

⑴-1填土：层底埋深0.4-5.2m，平均层厚1.6m。为近期堆填土，主要成分为粉砂粉土。呈褐黄-灰黄色，稍湿，松散-稍密，组成不均。

⑴-2粉砂（Q4al)层底埋深5.0-6.0m，平均厚度4.1m。

地层呈灰黄-褐黄色，稍密，稍湿-湿，组成均匀。

⑴粉砂（Q4al）层底埋深0.8-8.8m,平均厚度2.6m.。

地层呈灰黄-褐黄色，中密，稍湿-湿。局部为粉土，稍湿，中密。

⑵粉细砂(Q4al)：层底埋深3.4-10.5m，平均厚度3.8m。

地层呈黄褐色-褐黄色，中密-密实，很湿-饱和，局部为粉土，稍湿-湿，密实。

⑶粉土(Q4al)：层底埋深7.2-9.7m，平均厚度2.8m。

地层呈黄褐色-褐黄色，湿，中密-密实。含钙质结核Φ1-3cm。本层土北部基本缺失。

⑷粉细砂(Q4al)：层底埋深9.8-12.5m，平均厚度2.5m。

地层呈褐黄－灰黄色，饱和，中密-密实，分选好。主要成分为石英、长石及少量暗色矿物。

⑸粉土(Q4al)：层底埋深14.8-16.0m，平均厚度3.4m。

地层呈黄褐－灰黄色，湿，密实，粘性弱，含白色碎壳片。有水平层理发育。

⑹粉细砂(Q4al)：层底埋深19.0-23.0m，平均厚度6.0m。

地层呈灰黄色－褐黄色，饱和，密实，分选好，组成均匀。主要成分为石英、长石及少量暗色矿物。

⑺粉土-粉砂(Q4al)：层底埋深26.0-30.0m，平均厚度6.5m。

地层呈灰黄－褐黄色，湿，中密-密实。

⑻中细砂(Q4al)：层底埋深30.0-32.0m。平均厚度3.2m。

地层呈灰黄色－褐黄色，饱和，密实。分选好，主要成分为石英、长石及少量暗色矿物。

⑼细砂(Q4al)：灰褐色，层底埋深33.5m，平均厚度3.5m。

地层呈灰褐色，密实。分选好，主要成分为石英、长石及少量暗色矿物。

⑽粉土(Q３al)：层底埋深40.0m，厚度6.5m。

地层呈黄褐色，湿，密实，少含钙质结核。

地基土物理力学性质指标见表1

1.3地下水条件

勘察期间场地地下水水位埋深7.0米（标高88.3m）左右，属第四系松散岩类孔隙潜水，据调查近5年最高水位5.0米左右，历史最高水位2.0米。基础埋深1.5米，可不考虑地下水对基础施工的影响。

表1地基土物理力学性质指标综合表

1.4岩土工程分析与评价

本场地区域上位于华北地台南缘，基底地块完整，据区域地质资料，郑州地区的断裂大都为前新生代的非活动断裂，新生代以来无活动迹象，对场地稳定性无影响。郑州市地震基本烈度为7度。地层平均剪切波速为230.0m/s，覆盖层厚度62.0m。建筑场地类别Ⅲ类。地基土不液化。场地交通便利，无不良地质作用，适宜工程建设。

地基土承载力特征值及压缩模量，见表2。

表2各层土承载力特征值及压缩系数

球罐区持力层及第一下卧层层面坡度最大14%，且第⑴层部分地段缺失，因此球罐区天然地基不均匀。

1)天然地基浅基础评价计算

球罐基础拟采用环形基础，竖向荷载设计值为58000kN，基础埋深1.5m，基底压力Pk=380kPa。

以第(1)层为持力层，按规范经修正后承载力特征值150.9kPa,显然Pk>fa,因此天然地基不可行。

2）复合地基评价

由于球罐区上部地层变化较大，天然地基为不均匀地基，天然地基不满足，根据本地区建筑施工经验和建筑物结构荷载特点，可采用复合地基或钻孔桩。从施工条件及经济技术因素分析，采用HGP桩（投石注浆无砂混凝土桩）地基处理措施最经济。

HGP桩又称投石注浆无砂混凝土桩，施工机具简便，造价低，工艺简单，按刚性桩复合地基设计，承载力提高明显。

根据场地工程地质条件，建议桩入土深度15.5m，以第(6)层为桩端持力层，桩顶埋深按1.5m，则有效桩长14.0m，设计桩径300mm，桩基设计参数qsi、qp见表3。参照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）【2】计算单桩和复合承载力。

表3桩基设计参数qsi、qp

①单桩竖向承载力

单桩竖向承载力依据公式：

计算单桩承载力Rdk=388KN。

桩身强度应满足fcu.k≥3Rdk/Ap=16MPa。

②复合地基承载力

复合地基承载力按下列公式计算：

fspk——复合地基承载力标准值；

m——面积置换率；

Rdk——单桩竖向承载力标准值；

β——桩间土承载力折减系数，取0.8；

fsk——桩间土承载力特征值（取fsk=130KPa）；

n——桩长范围内的土层数。

根据上部荷载条件，基底压力P=380kPa，基坑开挖1.5m，满足上部荷载条件的复合地基承载力特征值fspk不应小于380kPa。针对性地分别估算桩间距为1.10m、1.15m的复合地基承载力特征值及经深度修正后复合地基承载力特征值，见表4。

表4复合地基承载力fsp,k(KPa)

具体设计时可根据上部实际荷载，据所提桩基参数，确定相应的桩长、桩径、桩间距。

由于HGP桩复合地基的设计施工暂无规范可循，工程桩施工前应先行试桩，确定单桩竖向承载力和复合地基承载力。

3）地基基础方案的优化与选择

基础方案的优化设计是节约基础部分投资的主要途径。基础方案选择过程中与设计密切沟通，结合郑州地区现有施工机械能力及场地环境、地层条件，对可能的桩基础及高压旋喷桩、HGP桩复合地基进行经济技术分析对比，见表5。

表5球罐地基基础方案对比表

最终决定采用新的地基处理方法HGP桩复合地基方案，工程结束后实际结算节约工程款100万元，采用HGP桩复合地基方案较其它两种方案节约投资约54%,而且节约工期20天，为市重点工程的提前投入使用赢得了时间，取得了较好的经济效益和社会效益。

2地基处理方法简述及施工过程的改进

2.1原理

HGP桩是投石注浆无砂混凝土的简称，其原理是将水泥浆液注入碎石石料空隙，固结后形成竖向刚性加强体，同时水泥浆液对桩端、桩侧的渗透有效提高桩侧摩阻及桩端承载力。

2.2施工工艺

钻机就位→成孔→清孔→放注浆管→投放石料→一次注浆（水泥浆）→二次注浆→补浆→拔注浆管。

2.3施工过程改进

根据原施工组织设计，采用钻机成孔，自然土层造浆护壁，拟组织5-6台小型回转钻机完成成孔任务。工艺桩试打时测算单机成孔时间在3个小时左右。

经过现场技术人员大胆设想及实验研究成功地将武汉产PH—5B型深层搅拌桩机应用于本场地的钻进成孔，平均成孔时间30min，功效提高6倍。本施工工艺的改进受到河南省探矿工程委员会专家好评。注浆泵选用衡阳产BW150W及BW250W型。

3地基处理效果检测

该场地进行了12个单桩复合地基静载实验（每个罐三个点），对其中220根HGP桩进行了低应变反射波法检测（每个罐55根），球罐HGP桩桩位图见图3。

图3球罐HGP桩桩位图

静载试验结论：12个试验点的P-S曲线上均没有明显的比例界限，呈缓变型，使用相对变形值判定的复合地基承载力特征值均大于总加载压力的一半，按总加载压力的一半确定复合地基承载力特征值。其测试的12个试验点的单桩复合地基承载力特征值均大于380kPa，单桩复合地基静载试验曲线图见图4。

图4单桩复合地基静载试验曲线图

4沉降变形观测

自2002年九月竣工并投入使用以来，未出现任何工程问题。根据球罐充水沉降观测资料，最大沉降3.5mm，满足规范及设计要求。

结论：1）本勘察成果正确反映了场地工程地质条件，提供了准确、可靠的各土层物理、力学性质指标，对各种可能的地基基础方案进行阐述与评价，并推荐出技术经济合理的地基处理方案。

2）本工程所采用HGP桩地基处理方法，经检测完全满足设计要求，且施工机具简便，可操作性强，具有较好的推广前景。

参考文献

[1]建设部综合勘察研究设计院GB50021-2001岩土工程勘察规范[s]北京中国建筑工业出版社2001

[2]中国建筑科学研究院JGJ79-2012建筑地基处理技术规范[s]北京中国建筑工业出版社2012