某输气站工艺区软土地基变形后处理案例分析
摘要
关键词
输气站；软土地基；高压旋喷桩；钢筋混凝土承台；植筋
正文
0 引言
天津滨海新区沿海地区广泛分布着全新世海相软土，厚度几米至几十米不等。该类软土具有含水率高、干密度小、孔隙比大、液性指数小、渗透性差、压缩性高、抗剪强度低的特点。在此类地基上进行建筑物构建，多采用置换法、排水固结法、直排式真空预压技术、强夯与强夯置换法等先处理方法。本次通过对某输气站工艺区地表变形机制、沉降速率及后期沉降量的分析，提出了采用高压旋喷桩+钢筋混凝土承台+植筋的措施进行地基后处理，经后期监测数据反应，该方法有效阻止了地表进一步变形。起到了很好的效果。
1 工程概况
某输气站场位于天津市滨海新区大港街，2019年12月内完成施工，站内工艺装置区包括收发球筒装置区、旋风分离器装置区、过滤分离器装置区、自用气撬装置区、计量撬装置区和调压撬装置区，工艺区总占地面积约2520m2，每套装置分为地上工艺装置及地下混凝土基础，各工艺装置由管道相连，每套装置重量在1~5t不等，占地面积2~5 m2，基础采用C40混凝土结构，基础埋深80~100cm。
2022年2月，该站场工艺设备区发现不均匀沉降，根据现场观测显示，工艺设备区地面、支墩有不同程度下沉，个别工艺管线、阀门、撬装设备连接管件受支座下沉拉动后产生错位，个别支座下沉后支座与管件脱开，产生缝隙高度约5~80mm。
2 场地软土物理力学特征
根据现场勘察成果，该站场发生地表不均匀沉降的原因为地基6~7m处为软土层，为全新统中组海相沉积层淤泥质黏土，厚度为7.10～8.10m，呈灰色，流塑状态，无层理，含贝壳，属高压缩性土，局部夹淤泥质粉质黏土、粉质黏土、黏土透镜体，该层软土地基承载力为70 kPa。其物理力学指标见表1，抗剪强度指标统计表见表2。
表1 软土层物理力学指标统计表 | |||||||||
地层岩性 | 统计项目 | W(%) | r(kN/m3) | e | WL(%) | Ip | IL | a1-2(1/MPa) | Es1-2(MPa) |
淤泥质黏土 | 最大值 | 54.0 | 18.3 | 1.246 | 51.6 | 24.0 | 1.22 | 0.92 | 3.5 |
最小值 | 38.1 | 17.6 | 1.075 | 38.0 | 17.5 | 1.01 | 0.62 | 1.5 | |
平均值 | 42.9 | 17.9 | 1.173 | 41.2 | 19.1 | 1.09 | 0.74 | 2.8 | |
标准差 | 4.81 | 0.26 | 0.06 | 4.36 | 2.07 | 0.06 | 0.10 | 0.61 | |
变异系数 | 0.112 | 0.014 | 0.051 | 0.106 | 0.11 | 0.056 | 0.142 | 0.221 | |
子样数 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | |
标准值 | 46.15 | 17.71 | 1.22 | 44.15 | / | 1.13 | 0.81 | 2.38 | |
表2 抗剪强度指标统计表
地层岩性 | 统计项目 | C（kPa） | Φ(度) |
淤泥质黏土 | 最大值/最小值 | 16.0/7.0 | 13.6/8.4 |
平均值 | 13.6 | 12.1 | |
标准差 | 3.05 | 1.79 | |
变异系数 | 0.225 | 0.148 | |
子样数 | 7 | 7 | |
标准值 | 11.34 | 10.78 |
3 地表变形成因机制
（1）软土地层高压缩性
根据该站场岩土工程勘察报告关于软土地层物理力学指标统计结果，可以看出软土层天然含水率46.15%＞35%，且大于液限含水量44.15%，压缩系数0.81MPa-1＞0.5MPa-1；说明该软土层饱和程度大，稠度小，高压缩性，易发生变形。
（2）软土地层不均匀性
由于受到沉积环境的变化影响，乙烯末站的软土地层厚度7.10～8.10m，具有不均匀性，从而在很大程度上影响土层的水平及垂直分布，导致建筑物出现不均匀沉降的现象。
（3）软土地层的流变性
站场工艺设备区主要建筑物相对集中，软土在长期荷载作用下，除产生排水固结引起的变形外，还会发生缓慢而长期的剪切变形。这对建筑物地基沉降有较大影响，对地基稳定性不利。
（4）软土地层的含水率变化
根据该站场岩土工程勘察报告软土地层最大含水率为54.0%，平均值为42.9%；本次勘查选取9个土样进行含水率测试实验，结果显示最大含水率为40.7%，平均值为34.9%。可以看出，目前乙烯末站软土地层含水率较之前明显减少，且不同位置含水率存在较大差异，从而导致地表出现不均匀沉降的现象。
综上所述，该站场软土灾害的形成主要由于软土的高压缩性、不均匀性、流变性及地层含水率变化引起的。该站场软土地层具有高压缩性和不均匀性，场地周边的水文环境条件变化导致软土地层含水率大范围波动，造成地层可压缩能力出现不均匀变化，站场地面主要建筑物出现不均匀沉降；此外，站场工艺设备区主要建筑物相对集中，造成软土地层排水固结引发地表变形，并发生长期缓慢的剪切变形。
4 沉降量计算及预测
本次地基沉降计算采用《建筑地基基础设计规范》所推荐的“应力面积法”沉降计算公式计算，这种方法按天然土层来分层，并引入平均附加应力系数；压缩层深度范围采用相对变形作为控制标准；引入附加应力面积概念，采用分层总和法公式计算；计算结果用经验系数予以调整。通过计算自用气撬区地基最终沉降量为61.33mm1[1]。
为了更清晰的了解站场地表变形发展趋势，现场对地表进行了沉降监测，监测点62个，仪器采用RTK，监测时间为11天，根据测量统计结果，估算该段时间地面沉降速率为0.6mm/月~45mm/月。
5 地基后处理措施
5.1 治理措施的选取
工艺区包括收发球筒、旋风分离器、过滤分离器、自用气撬、计量撬和调压撬等重要工艺设备，一旦因地表沉降引起管线应力过大造成管线拉伸或剪切，形成燃气泄漏或爆炸，会严重影响站场的安全运营。此外，该区域设备已经安装就位，如果进行拆移后进行地基加固，站场投入运营会严重滞后。因此，建议对该区域紧挨设备基础进行地基加固，采用旋喷桩加固方式，桩端穿过⑥2淤泥质黏土层，旋喷桩上方浇筑钢筋混凝土承台，承台与原设备基础用植筋连接，使之成为一个整体。
图5-1 工艺区工程布置示意图
5.2 布设方案
高压旋喷桩直径600mm，桩长均为20m，分布在工艺区已有设备支墩旁边，间距不等，总数共计122根，其中加固桩116根，试验桩3根，测试桩3根；承台为钢筋混凝土结构，位于旋喷桩顶部，与已有支墩浇筑在一起，并用植筋连接（见图5-3）。旋喷桩内插入HRB40020mm钢筋，插入长度9m，并与承台相连。承台厚0.7~0.8m，对设备基础采用植筋方式，连接钢筋混凝土承台并进行浇筑。
图5-2 旋喷桩体及咬合示意图
图5-3 工艺区高压旋喷桩+承台+植筋设计示意图
6 治理效果分析
为了检验地基变形后处理效果，在混凝土承台上安装了4台GNSS地表变形监测设备，根据近一年监测数据结果显示，除受温度等气象因素及其它外力干扰监测数据呈现轻微波动外，目前治理后工艺区地基整体处于稳定状态。根据现场查看，工艺区地面未出现明显裂缝，工艺管线、阀门、撬装设备连接管件支座未发现下沉错位等现象，说明采用“高压旋喷桩+承台+植筋”的软土地基后处理方式效果良好。
7 结语
针对天津市某输气站工艺区已建调压撬区软土地基产生的地表变形，采用高压旋喷桩+钢筋混凝土承台+植筋后处理技术，取得了良好的治理效果，该处理技术在设计时，除了考虑解决地基变形沉降的问题，也充分考虑了受保护本体的功能、性质，希望为该地区同类型的地基沉降治理提供一些参考。
参考文献
[1] 胡耀锋，卢垠川，韩超等．软土地基输气站不均匀沉降成因分析[J]. 价值工程，2023.
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