大型石化CFG桩复合地基现场试验与数值模拟*

马永峰， 周丁恒， 张志豪， 曹力桥

(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.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)



大型石化CFG桩复合地基现场试验与数值模拟*

马永峰1， 周丁恒2， 张志豪1， 曹力桥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.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

摘要：CFG桩在地基处理工程中已越来越广泛应用，针对大型炼厂工程地基处理的复杂性，开展了CFG桩施工前后的标准贯入、重型动力触探及施工后的单桩和复合地基静载荷试验，基于标准贯入和重型动力触探试验结果分析了CFG桩对桩间土的影响。以单桩和复合地基载荷试验结果对大型油罐CFG桩复合地基承载能力进行了评价，并与理论估算进行了对比。此外，建立了CFG复合地基的三维有限差分模型，对桩身6m以下不同厚度的软土夹层对CFG桩复合地基的影响进行了详细分析，进一步验证现场试验结果，得出一些结论。标准贯入和重力动力触探试验结果揭示CFG桩对桩间土未有明显的挤密效应；静载荷试验结果表明，CFG桩复合地基承载力能达到设计要求；现场试验和数值模拟结果揭示桩身10m以下软土夹层不会明显影响复合地基的承载特性。

关键词：石化工程；CFG桩；复合地基；现场试验；有限差分方法

随着中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石化工程，建造规模也越来越大，随之产生了一个问题，如何对软土软弱地基进行处理，从而达到控制地基变形及油罐沉降的目的，成为了石化工程地基与基础设计中的重要研究内容[1]。CFG 桩(Cement Fly-ash Gravel Pile)作为地基处理常用方法之一，是水泥粉煤灰碎石桩的简称，与桩间土、褥垫层一起形成复合地基。该项技术是中国建筑科学研究院于20 世纪80年代末研发的一种地基处理新技术，具有大幅度提高地基承载力、有效减少地基施工后沉降等特点，并对消除地基的不均匀变形具有很好的适应性[2]，在建筑工程中得到广泛应用。近年来，不少学者对CFG桩进行了广泛地研究，其中在现场试验方面有：徐毅等[3]通过对CFG桩复合地基桩、土应力和表面沉降的现场观测，研究了路堤荷载下CFG桩复合地基桩顶、桩间土的应力和沉降变化规律，根据实测数据分析了褥垫层厚度、桩间距及桩体强度等设计参数的合理性；赵秀绍等[4]对长螺旋CFG桩施工时的孔隙水压力变化进行了监测，并根据监测结果对施工过程的孔隙水压力变化进行了阶段划分；张继文等[5]结合京沪高速铁路凤阳试验段工程，开展 CFG 桩+垫层+筏板处理地基试验；王旭等[6]通过现场试验研究了振动沉管碎石桩和CFG桩复合地基的承载特性；丁小军等[7]开展 CFG 桩复合地基变形与承载特性试验研究，分析了CFG 桩复合地基在罐体充水过程中桩-土应力、孔隙水压力、沉降及油罐环墙基础变形的变化规律。袁满等[8]对同一场地上的碎石桩、CFG桩、CFG长桩和水泥土短桩组合和CFG芯水泥土桩复合地基进行了现场试验，得出CFG芯水泥土组合桩复合地基应力分布较其他3种复合地基均匀的结论；李波等[9]对京沪高速铁路典型工点现场地基沉降试验研究，掌握CFG 桩加固后的深厚松软土地基加固区与下卧层的压缩沉降及地基总沉降变形规律，评价了高速铁路 CFG桩-筏结构处理深厚层地基的沉降控制效果。

本文通过了CFG桩施工的现场试验，基于标准贯入和重型动力触探试验结果分析了CFG桩对桩间土的影响。以单桩和复合地基载荷试验结果对大型油罐CFG桩复合地基承载能力进行了评价，并与理论估算进行了对比。此外，建立了CFG复合地基的三维有限差分模型，对桩身6m以下不同厚度的软土夹层对CFG桩复合地基的影响进行了详细分析，进一步验证现场试验结果。

1工程背景

中委广东石化2000万t/年重油加工工程(一期工程设计年加工原油能力2 000万t及相关配套的石化装置)是中国石油和委内瑞拉合资建设的国内最大一次性投产的石化工程，厂址位于广东揭阳惠来县，东临隆江河，南临南海，占地面积约6km2。建设周期4年以上，投资额达500亿人民币左右，基础及地基处理费用近20亿人民币，工期超过1a。

场区地貌单元榕江三角洲平原，地形较平坦开阔。场区地基土主要为第四系人工填土层、第四系全新统的风-水堆积层、沼泽相沉积层、海陆相交互沉积层、第四系上更新统的海陆相交互沉积层、冲、洪积层、残积层以及燕山期花岗岩组成。揭露岩层分别为全风化层、强风化层、中风化层，局部为微风化层。工程场地上部广泛分布有10.0～20.0m厚的第四系风-水堆积粉细砂层及0.5～21.0m厚的淤泥质黏性土，其中②1层细砂层级配不良，以松散状态为主，局部稍密，属于中等液化土层；②2层粉细砂层级配不良，稍密-中密，饱和，属于轻微-中等液化土层，局部严重液化；淤泥质粘性土呈软塑-可塑状态，具有抗剪强度低、孔隙比及有机质含量大、压缩性高、灵敏度高及流变性强等不良工程特性。

2现场试验

2.1 试验目的

通过现场试验，研究CFG桩对周围砂土的密实效应和影响范围，优化CFG桩桩长及间距等参数，确定单桩及复合地基承载力，探讨CFG桩技术提高地基承载能力和控制沉降的可行性。

2.2 试验方案

设置3个试验区，面积均为240m2，桩位布置如图2所示，具体试验参数：桩数15根，桩间距3m，桩径均为600mm，桩长应穿过第③层软土，桩端持力层为第⑥粗砾砂(结合图1中每个试验区实际地层情况)，确定CFG-1区桩长24.5m、CFG-2区桩长25m及CFG-3区桩长23m)，褥垫层厚度为200mm。CFG复合地基现场试验检测布置如图3所示。

3试验结果与分析

3.1 桩身质量检测

桩身质量测试采用低应变动力测试方法，测试方法为弹性波反射法。经过低应变动力检测，编号CFG1-1～3、CFG2-1～3及CFG3-1～3桩均为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)，其中CF2-2桩为桩身6m左右有轻微缺陷。

图1　3个试验区地层分布情况

图2　CFG桩基复合地基试验桩位布置图

3.2 CFG桩对桩间土影响分析

为了解CFG桩施工对桩间土的加固效果，在每个试验区内桩间土的典型位置均进行了3孔的标准贯入试验和3孔的重型动力触探试验。

3.2.1 标准贯入试验CFG桩施工前后典型标准贯入试验曲线如图4所示，每个试验区以3孔标准贯入试验测值为基础，统计出不同土层的标准贯入击数值(见图5，CFG桩施工前后)，从而确定CFG桩施工前后不同土层的地基承载力和压缩模量(见图6、7)。综合比较9个试验孔标准贯入试验结果可知，CFG桩施工前后的标准贯入击数未明显变化，压缩模量和地基承载力亦未得到明显提高，部分深度范围内甚至有降低的现象。

图3　CFG桩基复合地基试验检测布置图

图4　典型标准贯入试验曲线

图5　CFG桩施工前后分层标准贯入击数对比

图6　CFG桩施工前后地基承载力对比

图7　CFG-2区标准贯入击数确定地基承载力和压缩模量

3.2.2 重型动力触探试验CFG桩施工前后典型重型动力触探试验曲线如图8所示，同一试验区内3个试验孔CFG桩施工前后重型动力触探击数变化情况基本一致；3个试验区的DT2孔不同土层动力触探修正击数如图9所示。综合比较9个试验孔的重型动力触探试验结果可知，CFG桩施工前后的触探击数未明显变化，部分深度范围内甚至有降低的现象。

图8　典型重力触探试验曲线

图9　重型触探击数施工前后对比

基于上述测试结果可知，CFG桩施工前后的标准贯入和重型动力触探击数未明显变化，压缩模量和地基承载力亦未明显提高，部分深度范围内甚至有降低的现象，CFG桩施工对于桩间土并没有明显挤密作用，因此无法消除场地上部粉细砂土的液化势；结合现场施工情况，在重型动力触探试验过程中，砂层会随振动而密实，发生所谓“抱杆效应”，导致测试结果比实际值偏高，基于实测过程，粉细砂地层不宜采用重型动力触探试验作为主要检测手段。

3.3 CFG桩复合地基承载力

3.3.1 单桩静载荷试验CFG桩施工结束28 d后，在每个试验区均进行了3个点单桩静载荷试验，各测点单桩静载荷试验曲线如图10所示，从图中可看出，荷载-沉降曲线存在明显的陡降段。3个试验区不同测点单桩静载荷试验结果列于表1中，由表1可知，CFG桩单桩极限承载力达到1 600kN以上，单桩承载力特征值可超800kN，3个试验区单桩承载力特征值的统计值分别为980、900、840kN。

图10　单桩静载荷试验曲线

3.3.2 复合地基静载荷试验CFG桩施工结束28 d后，在每个试验区均进行了3个点复合地基静载荷试验。各测点复合地基静载荷试验曲线如图11所示，与单桩静载荷试验曲线类似，荷载-沉降曲线存在明显的陡降段。3个试验区复合地基静载荷试验结果列于表2中，由表2可知，CFG桩复合地基法加固后可以明显提高场地的地基承载力，极限承载力可达到600kPa以上，地基承载力特征值均超过300kPa，3个试验区复合地基承载力特征值的统计值分别为350、365、330kN。

表1　单桩静载荷试验结果

Note:①Pile number；②Pile length；③Maximum test load；④Ultimate value；⑤Characloristic value；⑥Load；⑦Settlement

表2　复合地基静载荷试验结果

Note:①Pile number；②Pile length；③Maximum test load；④Ultimate value；⑤Characloristic value；⑥Load；⑦Settlement

3.3.3 复合地基承载力实测与理论值对比《建筑地基处理技术规范》规定，复合地基承载力特征值应采用复合地基载荷试验确定，CFG桩复合地基承载力特征值估算的理论计算值和实测值对比情况见表3，其中桩间土承载力折减系数取0.75。

图11　复合地基静载荷试验曲线

CFG桩试验区复合地基载荷试验是严格按照规范和设计要求进行的，铺设200mm厚碎石褥垫层，并经过压实处理；桩间土在场地整平、施工过程中，经设备行走碾压和振密褥垫层综合作用后，处理后的浅层桩间土的承载力明显提高。结合工程经验，处理后的浅层桩间土的地基承载力特征值取200kPa，复合地基承载力特征值的实测值相当于理论估算值1.31～1.35倍。

4桩长范围内软土夹层的影响

4.1 基于现场试验的软土夹层影响分析

结合3个试验区地层分布(见图1)，试验1区的软土夹层存在于10～12m、14.5～22.5m深度范围内，试验2、3区的软土夹层区域则为18 ～21.5m，软土夹层均分布在沿桩长10m以下深度范围内。基于现场试验结果和理论估算情况，本工程地质条件下软土夹层未对CFG桩施工未产生明显不利影响，亦未影响到单桩、复合地基承载力。因此，场地内砂土层中有无软土夹层，均可采用CFG桩复合地基进行加固处理，且桩端进入持力层足够深度，桩身10m以下深度范围内存在的软土夹层不会明显影响CFG桩及复合地基承载力。

表3　CFG桩复合地基承载力特征值的理论值和实测值对比

Note：①Test area；②Cushion；③Pile length；④Replacement ration；⑤Suggestue charactristic value of bearing capacity after treatment soil amony piles；⑥Teated characteristic value of bearing capacity of poile；⑦Estimated value；⑧Measured value；⑨Characteristic value of dearing capacity of composite formlation

4.2 基于有限差分数值模拟的验证分析

4.2.1模型的建立和岩土参数的选取利用Flac3D软件建立桩、土、基础及垫层作用的三维有限差分的数值模型，对竖向荷载作用下CFG复合地基位移响应和桩-土应力变化进行分析。在建立有限差分模型是对土体、桩体、基础及垫层均采用三维8节点6面体单元，同时，在桩体与桩间土、桩体与垫层之间均设置了接触单元。桩体采用弹性材料模拟，土体和垫层以Mohr-Coulomb本构关系模拟。

结合第2节的现场试验数据，选取CFG桩复合地基的有限差分模型如下：基础直径和厚度分别为48m、0.4m，垫层厚度0.2m，CFG桩直径600mm，桩长24m，桩间距按照3种情况设定(4、5、6d，其中d为桩径)；设置长108m、宽20m、深50m的计算模型。模型根据对称性取1/2分析，底部边界全部固定，侧面边界加法向固定约束。模型采用的各材料参数见表4，模型及网格划分如图9所示。

图12　CFG复合地基三维计算模型

材料①密度②/kg/m3变形模量③/MPa泊松比④黏聚力⑤/kPa内摩擦角⑥/(°)0～18m土soil1900150.303018～30m土soil1900200.303330～50m土soil20001000.3035褥垫层⑦1900400.3040软土夹层⑧190050.351020加固土体⑨1900300.25038CFG220012×1030.2//基础⑩250020×1030.25//

Note：①Materials；②Density；③Modulus of deformation；④Poissons ration；⑤Cohesion；⑥Friction angle；⑦Cushion；⑧Soft soil interlager；⑨Reinfoeled soil；⑩Foundation

4.2.2计算结果分析考虑6m深度以下存在一定厚度的软土夹层，设定其厚度分别为3、6、9、12m(CFG桩穿过软弱夹层并桩端在工程特性相对较好的持力层，桩间距5d)，基于上述4种情形的计算结果，分析软土夹层对基础沉降及桩、土受力特性的影响(见图13、14)。

图13　不同软土夹层厚度下基础沉降和桩-土应力比

图14　不同软土夹层厚度下单桩桩顶轴力

软土夹层的存在对基础沉降和差异沉降影响：软土夹层厚度在4m范围内(即软土夹层埋深为6～10m)增大，基础沉降和差异沉降有一定程度的增加，但变化幅度有限；当软土夹层厚度超过4m(即软土夹层埋深10m以上)，基础沉降和差异沉降变化很小。

对比现场试验结果可知：本工程地质条件下，当6～10m深度范围内存在淤泥质软土夹层，基础沉降、桩-土应力比及总桩-土荷载比受到一定影响，软土夹层埋深10m以上，软土夹层对CFG复合桩基的影响基本可忽略。

5结论与建议

本文通过开展CFG复合地基的现场试验和三维有限差分模拟，初步结论与建议如下：

(1)现场静载荷试验结果验证了CFG桩复合地基明显提高场地的地基承载力并减小基础沉降。

(2)CFG桩施工对于桩间土的挤密加固效应有限，无法消除浅层砂土的液化势，当浅层砂土存在明显的液化可能性时，需首先采用强夯等方法消除其液化趋势。

(3)本工程地质条件下，桩长范围内的软土夹层对CFG桩施工及桩身质量未产生不利影响，场地内砂土层中有无软土夹层均可采用CFG桩复合地基进行加固。现场试验和数值模拟结果均揭示，依托工程条件下，桩端进入持力层足够深度，桩身10m以下深度范围内存在的软土夹层不会明显影响到复合地基承载特性。

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责任编辑徐环

In-situ Test and Simulation of CFG-pile Composite Foundation in a Large Petrochemical Project

MA Yong-Feng1, ZHOU Ding-Heng2, ZHANG Zhi-Hao1, CAO Li-Qiao3

(1. China Petroleum East China Design Institute, Qingdao 266071,China; 2. Technical University of Munich, Munich 81245, Germany; 3. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract:CFG piles have been widely used in foundation treatment of civil engineering. Currently, foundation treatment of large-scale refinery is very complex. In view of this condition, standard penetration test and heavy dynamic penetration test were carried before and after CFG pile construction. And static load test of single pile and composition foundation after CFG pile construction were also finished. Based on results of standard penetration test and heavy dynamic penetration test, the compacting effect on soil caused by CFG piles was analyzed in detail. The bearing capacity of composite foundation was evaluated by static load test of single pile and composition foundation. The monitoring and theory value of CFG pile composite foundation bearing capacity were also compared. Except that, 3D finite difference equation model of CFG pile composite foundation was built. Effect on CFG pile composite foundation caused by different thickness of soft soil interlayer 6m under pile-tip was analyzed in detail. Thus, results of in-situ test were further validated by numerical results. Some conclusions have been drawn. The standard penetration test and heavy dynamic penetration test show that the compaction effect on soil among piles is not apparent. And the bearing capacity of composite foundation has reached the standards. Except that, results of in-situ test and numerical simulation show that the bearing characteristics will not significantly be affected when soft soil interlayer exists below 10m depth along the piles.

Key words:petrochemical project; CFG pile; composite foundation; in-situ test; finite difference method

中图法分类号：TU43

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)01-086-07

作者简介：马永峰(1981- )，男，硕士，工程师，主要从事岩土工程勘察与设计工作。E-mail：yongfeng314@126.com

收稿日期：2014-10-20；

修订日期：2014-11-19

*基金项目：中国石油工程建设公司科学研究与技术开发项目(CPECC2011KJ22)资助

DIO:10.16441/j.cnki.hdxb.20140343

引用格式：马永峰， 周丁恒， 张志豪， 等. 大型石化CFG桩复合地基现场试验与数值模拟[J].中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016，46(1)： 86-92.

MA Yong-Feng, ZHOU Ding-Heng, ZHANG Zhi-Hao, et al. In-situ test and simulation of CFG-pile composite foundation in a large petrochemical project[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(1)： 86-92.

Supported by Scientific Research and Technology Development Project of China Petroleum Engineering Construction Company(CPECC2011KJ22)