大型炼厂软弱地基钻孔灌注桩处理现场试验

马永峰，钱明，周丁恒，易礼

1.中国石油天然气华东勘察设计研究院，山东青岛266071

2.慕尼黑工业大学，德国慕尼黑81245

3.上海申元岩土工程有限公司，上海200040

大型炼厂软弱地基钻孔灌注桩处理现场试验

马永峰1，钱明1，周丁恒2，易礼3

1.中国石油天然气华东勘察设计研究院，山东青岛266071

2.慕尼黑工业大学，德国慕尼黑81245

3.上海申元岩土工程有限公司，上海200040

针对大型炼厂工程软弱地基处理的复杂性，开展了水平、抗拔和抗压灌注桩的现场试验，包括18根钻孔灌注桩的施工及成型后的超声波检测、低/高应变测试、桩身内力测试及单桩静荷载试验。基于超声波和低/高应变测试结果分析了桩身质量及完整性；基于桩身钢筋应力计和桩端土压力盒测试数据，详细分析了试桩在各级荷载作用下轴力和侧摩阻力变化及传递特征；并以高应变测试和荷载试验结果验证了单桩承载能力。静荷载试验结果表明，单桩承载力能达到设计要求；此外，后压浆能有效解决桩底沉渣和桩侧泥皮问题，从而提高基桩承载力并减小沉降。

大型炼厂；软弱地基处理；钻孔灌注桩；现场试验

随着我国能源需求的进一步加大，越来越多的沿海地区及城市兴建了大型炼厂。在软弱地基上建造大型油罐，控制地基变形，尤其是控制基础倾斜，成为了炼厂地基与基础设计中的关键问题。大量工程实践表明，基础不均匀沉降和倾斜是影响软弱地基上的大型油罐正常运营和使用的关键因素。钻孔灌注桩作为建筑地基处理的最常用桩型，有诸多学者采用理论分析、数值模拟及现场试验或监测等手段对其进行了广泛的研究，其中，在单纯现场试验或监测方面，近年来的研究主要有：穆保岗等[1]采用自平衡测试技术对90 m超长钻孔灌注桩进行了原位测试；赵春风等[2]基于静荷载和桩身应力测试结果，分析了竖向荷载下大直径深长钻孔灌注桩在分层土中的荷载传递规律；刘福天等[3]研究了常州地区大直径钻孔灌注桩加载过程中侧摩阻力和端阻力的发挥特点及荷载传递规律，得到了极限状态下桩侧摩阻力和桩端阻力尺寸效应系数，对成孔卸载造成桩承载力降低及其他影响桩承载力的因素进行了分析；程晔等[4]综合运用静载试验、CT试验及取芯试验等试验方法，针对桩端后压浆对超长大直径钻孔灌注桩承载性能的影响进行了研究，并对其作用机制进行了分析；邹金峰等[5]对深厚软土地区长钻孔灌注桩的后注浆试验结果进行了研究，获得各级荷载作用下桩身轴力和桩侧摩阻力随桩身深度的变化规律和桩顶荷载-位移-时间曲线；柯红等[6]就天津厚地层超长钻孔灌注桩单桩承载特性进行了单桩竖向抗压静载试验；王卫东等[7]采用了对直径为1 m、埋深88 m的大直径超长灌注桩进行了现场试验；聂玉东等[8]通过数据采集，对由锚+桩法测得的45 m试桩和由自平衡测得的70 m试桩上段桩的荷载-沉降关系、竖向承载特性、桩侧摩阻力等进行了对比分析；王忠福等[9]基于现场静荷载和桩身应力测试结果，分析了3种不同施工工艺的大直径深长钻孔灌注桩竖向荷载传递规律；张瑞坤等[10]研究了太湖湖沼相沉积土地区大直径超长钻孔灌注桩竖向荷载下的侧、端阻力发挥特点，并利用一维杆系结构有限单元法与剪切位移法相耦合的混合法分析了大直径超长钻孔灌注单桩沉降。特殊地质条件下（如冻土条件下）的钻孔灌注桩现场试验研究有：张明义[11]等对砂土-风化岩地基中钻孔灌注桩抗拔承载力时效性进行了研究；孙学先[12]完成了青藏高原高温细颗粒多年冻土区钻孔灌注扩底桩和直孔桩的现场抗拔力试验，得到2种桩型在同一地质和地温条件下的扰拔承载力及变形结果；王旭等[13]结合青藏铁路索南达杰特大桥工程，进行了低温多年冻土大直径钻孔灌注桩地温测试及现场静载试验，研究了低温多年冻土地基大直径钻孔灌注桩未回冻状态的承载力和变形性质。

1 工程背景

中国石油广西石化1 000万t/a炼油项目位于钦州港经济开发区金谷工业园内，总投资为152亿元，占地面积约2.116 km2。项目分成以下3个区域：

（1）装置区。10套主体生产装置：1 000万t/a常减压、360万t/a重油催化裂化、260万t/a加氢裂化、200万t/a催化重整、160万t/a柴油加氢精制、80万t/a汽油醚化、60万t/a气体分馏、20万t/a聚丙烯、10万m3/h PSA、5 000 t/a硫磺回收生产装置。另有公用工程、储运设施和30万t级原油码头等系统配套工程。

（2）罐区。保存原油和成品油。

（3）预留区。未来将扩建到2 000万t/a的生产规模。

场区原始地貌为海岸丘陵地貌，南部为回填区，北部为挖方区。下伏基岩为早志留系连滩组第二段（S112）互层分布的泥质细砂岩、含粉砂泥岩与页岩，夹少量含砾砂岩。其底部与古墓组整合接触，顶部与合浦组整合接触，砂页岩具有底冲刷面，以印模及鲍马序列发育的浊流沉积为主，砂岩中水平层理、斜层理发育，显示底层倒转特征，泥岩、页岩的条带、条纹构造发育。场地地层自上而下依次为：①回填土；②有机质粉质黏土，呈可塑～软塑，低～中压缩状；③全风化页岩夹泥岩，组织结构完全破坏，土状；④强风化页岩夹泥岩，裂隙发育；⑤中风化页岩夹泥岩；⑥全风化砂岩；⑦中风化砂岩；⑧中风化砂岩。

上述软弱土层处理对工程正常与安全运营将产生显著影响，处理方案的选取和优化亦影响项目的投资和工程进度，因此场地软弱土层的处理已成为工程建设的关键问题。

2 现场试验方案

2.1 试验目的

通过现场试验确定不同类型灌注桩的单桩竖向抗压、抗拔和抗水平力承载力特征值；确定桩身位于不同类型土体内的桩身侧摩阻力和桩端阻力；确定桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度和桩身完整性，判定桩端持力层岩土性状；预知施工中可能出现的各类问题，以便及早提出相应解决措施，使大面积施工工期、成本和质量处于可控的状态。

2.2 试验参数设计

本次现场试验包括6组18根灌注桩，其中1组（H1）为水平桩，1组（B1）为抗拔桩，4组（S1～S4）为抗压桩。6组试桩桩身入土位置如图1所示（图1中地层数字标注符合工程背景中地层条件表述）。

图1 灌注桩管状桩身入土示意

具体施工参数列于表1。灌注桩施工主要采用冲击成孔和回转成孔两种方法，其中H1、S1、S2、S3组、S4-2和S4-3共14根试桩采用冲击成孔；回转成孔的有B1组、S4-1共4根试桩。成孔过程中，S4-1试桩回转成孔孔斜偏大，钢筋笼放不下，扫孔2 d后，孔径偏大（平均孔径1 016 mm）；S4-2试桩钻进过程中遇孤石，钻进4 d，孔径偏大（平均孔径1 056 mm）、发生斜孔，回填后采用冲孔施工。鉴于前两次经验，S4-3试桩采用冲孔成孔，孔径基本均匀。

表1 试桩施工参数

3 试验结果分析

3.1 桩身质量及完整性

从现场施工的情况看，冲击成孔的施工速度较快，但是桩孔扩径较严重，孔径较不规则，后期造成混凝土超灌量较大；由于冲击过程中沉渣颗粒较细，因此清孔效果较好，沉渣厚度小。回转成孔效率偏低，遇孤石钻进困难且垂直度难保证，沉渣较厚，但孔径容易保证，孔径规则。

在混凝土灌注前对成孔质量进行监测，桩身质量及完整性采用超声波测试、低应变和高应变动力测试方法。由于本场地地层填土的不均匀性，孔径不规则，低、高应变动测桩身完整性曲线显示略有轻微反射，经过低、高应变动力检测（高应变测试结果如图2所示），除S4组3根桩为Ⅰ类桩（Ⅰ类为无缺陷的完整桩），其他15根桩为Ⅱ类桩外（Ⅱ类为有轻度缺陷，但不影响或基本不影响原设计桩身结构强度的桩），超声波检测结果显示试桩完整性基本完好，波速在3 560～4 360 m/s，少部分试桩在一定深度范围内出现了轻度离析，部分桩桩底出现厚度为25 cm左右的沉渣。

3.2 灌注桩温度测试

灌注桩温度监测的目的是对钢筋应力的测试结果进行温度修正。6组试桩分别选取1根进行灌注桩温度测试，测试时间跨度为2012年10月5日至11月17日，最多监测38次，最少监测12次，共监测158次，1 008点次，典型灌注桩温度时程曲线如图3所示。从6根试桩温度时程曲线可以看出如下规律：在完成混凝土浇筑后2 d内升温最快，且温度迅速上升到最高温度40℃左右，随后开始缓慢下降。约10 d后，温度回落到27℃左右；每根桩不同断面的温差较小，除了B1-1桩第4次测试断面温差在15℃左右外，其他桩不同断面温差都在10℃以下，且温度平缓降低。

图2 高应变动力测试结果

3.3 桩身轴力计算及传递特征

通过预先埋置在桩身内的各钢筋应力计，实测在每级荷载作用下的频率值，由此计算出所产生的应力值，由所测的i断面钢筋应力值可以求得该断面应变值，具体计算过程如下。

（1）假设桩身材料呈线弹性，桩身各断面的钢筋轴力Psi（单位：kN）计算公式为：

式中K——标定系数/（kN/Hz2）；

Fi——某一级荷载作用下，i断面钢弦的振动频率/Hz；

F0——钢弦初始振动频率/Hz；

B——计算修正值/kN。

（2）由所测的i断面钢筋轴力可以求得该断面应变值：

式中Es——钢筋弹性模量/kPa；

As——钢筋断面横截面积/m2。计算假定桩身混凝土和钢筋协调变形，则测试的i断面桩身轴力值Qi（单位：kN）为：

式中Ec——混凝土的弹性模量/kPa；

Ac——混凝土的截面积/m2。

图3 灌注桩温度时程测试典型曲线

混凝土灌注桩桩身内力测试数据较多，本文选取S1组3根试桩进行分析，3根试桩桩端、桩侧阻力随荷载变化情况如图4所示，在不同荷载下桩身轴力分布如图5所示。从图4、图5中可看出，不同测试断面的桩身轴力随荷载加大，呈近似梯形增大，中间位置相对向内凹陷；桩端阻力、桩侧阻力随着荷载的加大而加大，桩端阻力所占桩顶荷载的比重随荷载增大基本不变，这说明在整个加载过程中，桩端阻力和桩侧阻力均共同承担了桩顶荷载，结合高应变测试结果，可判断出试桩为摩擦端承桩。横向比较S1组3根桩桩端、桩侧阻力随荷载变化情况可知，S1-2桩桩端阻力占桩顶荷载的比重小于其他2根桩，即S1-2桩承载过程中桩侧阻力所发挥的作用更大一些。对于S2～S4组试桩，不同测试断面在各级荷载作用下的轴力变化情况与S1组试桩基本类似，桩侧阻力和桩端承载力共同承担上部荷载作用。

图4 桩端桩侧阻力随荷载变化

3.4 桩侧阻力随深度变化

试桩时相邻两个测试断面间的桩轴力变化值等于两断面间的桩侧摩阻力发挥值，对于侧摩阻力其计算公式如下：

图5 不同荷载下S1组试桩桩身轴力曲线

式中Qsi——桩侧摩阻力/kN；

U——桩身周长/m；

li——第i层土厚度/m；

Qi-1、Qi——分别为第i个土层上、下分界面处实测轴力/kN。

不同级别荷载下S1组试桩桩侧摩阻力随深度的分布情况如图6所示。

图6 桩侧摩阻力随荷载变化

由试验结果可知：桩顶荷载在传递过程中，上部、下部土层侧摩阻力随荷载加大而增大，加载到一定量级后有所减小（S1-1桩加载过程中未出现减小情况，可能是荷载没有到临界状态；S1-2、S1-3桩加载至4 000 kN和4 667 kN时侧摩阻力开始变小）；中部土层与下部土层侧摩阻力情况类似，先增大，加载到一定量级后开始减小。因不同试桩土层条件有所差异，增大和减小速率有所不同。此外，同一根试桩在不同的土层中，平均侧摩阻力发挥有所差别。

3.5 静荷载试验结果与分析

对4组抗压桩进行了单桩静荷载试验，单桩静荷载试验曲线如图7所示，试验结果列于表2中。从表2中可以看出，混凝土灌注桩的单桩抗压承载力极限值在3 200～6 750 kN之间，单桩抗压承载力特征值在1 600～3 250 kN之间。由于混凝土灌注桩扩径现象严重，根据孔径测试结果换算成φ 800mm桩径后的单桩极限承载力在2 700～5 100 kN之间，建议φ 800 mm混凝土灌注桩单桩极限承载力取2 800～5 100 kN，单桩承载力特征值按1 400～2 700 kN取值。

图7 S1～S4组试桩Q-s试验曲线

表2 单桩抗压静载荷试验结果

根据JGJ 106-2003《建筑基桩检测技术规范》，单桩竖向抗拔极限承载力应按以下要求确定：

（1）陡变型U-δ（上拔荷载-桩顶上拔量）曲线陡升起始点对应的荷载值。

（2）取δ-lg t（桩顶上拔量-时间对数）关系曲线斜率明显变陡或曲线尾部明显弯曲的前一级荷载值。

（3）当钢筋断裂时，取其前一级荷载值。

单桩水平极限承载力应按以下要求确定：

（1）取单向多循环加载法时的H-t-Y0（水平荷载-时间-作用点位移关系）曲线产生明显陡降的前一级对应的水平荷载值。

（2）取H-（ΔY0/ΔH）（水平荷载-位移梯度关系）曲线上第二拐点对应的水平荷载值。

（3）取桩身折断或受拉钢筋屈服时的前一级水平荷载值。

B1组抗拔桩单桩静载试验结果列于表3中，从表3中看出，B1组的3根试桩的承载力离散性较大，取低值后平均得到单桩抗拔承载力特征值，建议取250 kN。因灌注桩扩径变化的影响，采用φ 800 mm桩径时需要适当调整。单桩水平静载试验结果见表4。根据临界荷载计算地基土的水平抗力系数m值见表5，按平均桩径φ 800 mm进行计算。单桩水平极限承载力在375～466 kN之间，临界荷载225～375 kN。3根试桩中H1-3偏小。建议单桩水平承载力特征值取230 kN，地基土的水平抗力系数建议取4.4 MN/m4。

表3 单桩抗拔试验结果

表4 单桩水平静载试验结果

表5 混凝土灌注桩地基土水平抗力系数m值计算

3.6 后压浆效果分析

对12 m和22 m两种桩长的灌注桩进行了注浆处理，其中12 m长桩仅进行了桩端注浆，22 m长桩进行了桩端和桩侧注浆处理。后压浆采用中国建筑研究院地基所后压浆专利产品，后压浆专用端压阀型号为PPG-DF，侧压阀型号为PPG-CF。

抗压桩（包括后压浆）实测与预估单桩承载力测值列于表6中，从表中数据看，S1组后注浆实测单桩极限承载力比预估承载力高48%；S2组不注浆单桩承载力比预估承载力高25%左右；S3组后注浆单桩承载力比预估承载力高100%左右；S4组不注浆单桩承载力比预估承载力高91.4%是由于施工时桩孔径较大造成，其承载力相应提高较多。

S1～S4组试桩的Q-s试验曲线如图7所示。从Q-s曲线来看，S1、S3组后压浆试桩的明显特征是曲线陡度较小，未压浆的Q-s曲线陡度较大。从图7可看出，后压浆的S1、S3组试桩的抗压承载力特征值对应的沉降在2.1～6.4 mm左右，而未进行压浆处理的S2、S4组试桩的单桩抗压承载力特征值对应的沉降均在8.6～12.4 mm，由此可知后压浆对于提高桩的侧摩阻力、减小沉降有显著效果。

表6 抗压桩实测与预估单桩承载力比较

4 结论与建议

本文以中国石油广西石化1 000万t/a炼油项目为背景，开展了混凝土钻孔贯注桩的现场试验，并对试验结果进行了详细分析与研究，得出了以下结论：

（1）静载荷试验结果验证了钻孔灌注桩单桩承载力满足设计要求，桩孔径修正到φ 800 mm的单桩抗压极限承载力标准值建议取2 800～5 100 kN，单桩抗压承载力特征值建议按1 400～2 700 kN取值。此外，高应变动力测试结果显示，大部分钻孔灌注桩在承载时属于摩擦端承桩。

（2）本场地填土厚度较大，为消除填土的后期沉降造成桩侧负摩阻力并提高地基土的水平抗力系数m值，建议在基桩施工前对填土进行强夯处理。

（3）钢筋混凝土灌注桩宜取φ 800 mm桩径，桩长根据工程桩所施工的位置而定，持力层以选择强风化～中风化页岩或砂岩为宜。

（4）后压浆技术能有效地解决桩底沉渣和桩侧泥皮问题，使桩的极限承载力大幅度提高，建议大面积施工的灌注桩采用后压浆处理。通过后压浆处理可以提高承载力，尤其有利于减小桩基沉降。

[1]穆保岗，龚维明，黄思勇.天津滨海新区超长钻孔灌注桩原位试验研究[J].岩土工程学报，2008，30（2）：268-271.

[2]赵春风，鲁嘉，孙其超，等.大直径深长钻孔灌注桩分层荷载传递特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28（5）：1 020-1 026.

[3]刘福天，赵春风，吴杰，等.常州地区大直径钻孔灌注桩承载性状及尺寸效应试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（4）：858-864.

[4]程晔，龚维明，张喜刚，等.超长大直径钻孔灌注桩桩端后压浆试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（S2）：3 885-3 892.

[5]邹金锋，安爱军，邓宗伟，等.深厚软土地区长钻孔灌注桩后注浆试验研究[J].中南大学学报（自然科学版），2011，42（3）：823-828．

[6]柯洪，吴翔，王继华，等.天津厚地层超长钻孔灌注桩单桩承载特性研究[J].岩土力学，2011，32（9）：2 821-2 826.

[7]王卫东，李永辉，吴江斌.上海中心大厦大直径超长灌注桩现场试验研究[J].岩土工程学报，2011，33（12）：1 817-1 826.

[8]聂玉东，周儒夏.富绥松花江大桥桩基静载对比试验研究[J].岩土力学，2012，33（5）：1 327-1 332.

[9]王忠福，刘汉东，贾金禄，等.大直径深长钻孔灌注桩竖向承载力特性试验研究[J].岩土力学，2012，33（9）：2 663-2 610.

[10]张瑞坤，石名磊，倪富健，等.黏性土中大直径超长钻孔灌注桩承载性状及单桩沉降分析[J].岩石力学与工程学报，2013，32（S2）：4 190-4 198.

[11]张明义，刘俊伟.砂土-风化岩地基中钻孔灌注桩抗拔承载力时效性研究[J].岩土力学，2008，29（11）：3 153-3 156.

[12]孙学先，张慧，田明.多年冻土区灌注桩竖向抗拔承载力试验研究[J].岩土力学，2007，28（10）：2 110-2 114.

[13]王旭，蒋代军，刘德仁，等.低温多年冻土地基大直径钻孔灌注桩未回冻状态承载性质试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32（9）：1 807-1 812.

In-situ Tests of Soft Foundation Treatment by Cast-in-place Piles in L arge-scale Refinery

MAYongfeng1，QIAN Ming1，ZHOU Dingheng2，YILi3
1.China Petroleum East China Design Institute，Qingdao 266071，China
2.TechnicalUniversity of Munich，Munich 81245，Germany
3.ShanghaiShen Yuan GeotechnicalEngineering Co.，Ltd.，Shanghai200040，China

Soft foundation treatment of large-scale refinery is very complex.The in-situ tests of pile horizontal，uplift and compressive forces were carried out，which included construction of 18 cast-in-place piles and their ultrasonic wave tests，low/high strain tests，pile stress tests and static load tests.Based on the results of ultrasonic wave tests and low/high strain tests，pile quality and completeness were analyzed.With the monitoring data from reinforced stress meters in pile-body and soil-pressure cells at pile end，variation and transfer of axial forces and side frictions of the pile under different load levels were analyzed in detail.The bearing capacity of single pile was verified by high strain test and static load test.The static load test showed that the bearing capacity of tested single pile reached the designed requirement.Besides，post grouting technique could effectively solve problems such as pipe bottom sediments or mud cake.Therefore，it could improve bearing capacity and reduce pile foundation settlement.

larger-scale refinery；soft foundation treatment；cast-in-place pile；in-situ test

中国石油工程建设公司科学研究与技术开发项目（CPECC2011KJ22）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.006

马永峰（1981-），男，山东莒县人，工程师，2009年毕业于澳门大学岩土工程专业，硕士，主要从事岩土工程勘察与设计方面研究工作。

2015-05-06