渦壓擠擴(kuò)法處理儲(chǔ)罐地基*

李春寶1 陳海陽(yáng)1王傳波2

1中國(guó)石油大學(xué)（華東）2青島昊河水泥制品有限責(zé)任公司

渦壓擠擴(kuò)機(jī)理是利用鋼套管在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中使渦壓腔內(nèi)的流態(tài)混凝土獲得動(dòng)能和靜壓能(其中靜壓能占主導(dǎo))，獲得靜壓能的流態(tài)混凝土經(jīng)過(guò)渦壓腔口被渦壓葉片擠壓到套管外的周?chē)馏w中，使流態(tài)混凝土在深度土層位置向水平方向擠擴(kuò)。通過(guò)分析渦壓葉片、流態(tài)混凝土以及周?chē)馏w的受力關(guān)系，得出混凝土介質(zhì)向土體質(zhì)中擠入的力學(xué)條件。綜合分析表明，采用渦壓擠擴(kuò)法處理儲(chǔ)罐地基在理論上是可行的，在消耗低成本的前提下可大幅提高地基承載力。

渦壓擠擴(kuò)機(jī)理；儲(chǔ)罐地基；混凝土；工藝

在軟土地基上建造大型儲(chǔ)罐，地基處理是關(guān)系到儲(chǔ)罐工程成敗的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，它直接影響儲(chǔ)罐的安全和正常使用[1-2]。儲(chǔ)罐地基處理方法主要有換土處理、密實(shí)處理、排水處理、膠結(jié)處理及土加筋處理等方案[3]。但是每種方案都存在各種弊端阻礙其廣泛推廣。因此，提出且驗(yàn)證了“渦壓擠擴(kuò)機(jī)理”，并將“渦壓擠擴(kuò)機(jī)理”應(yīng)用于儲(chǔ)罐地基處理。設(shè)計(jì)了帶有渦壓葉片的鋼套管，可在非開(kāi)挖地面原土的情況下沿水平方向?qū)⒘鲬B(tài)混凝土渦壓擠擴(kuò)到需要加固的土層中，在該土層附近區(qū)域形成增強(qiáng)體，提高該土層在水平方向和豎直方向抗剪強(qiáng)度，降低土體的壓縮性，改善砂土的動(dòng)力特性。該方法適用性強(qiáng)，處理深度大，簡(jiǎn)單易行，可保證質(zhì)量，且造價(jià)低廉。

1 渦壓擠擴(kuò)機(jī)理的提出與驗(yàn)證

渦壓擠擴(kuò)機(jī)理是利用鋼套管在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中使渦壓腔內(nèi)的流態(tài)混凝土獲得動(dòng)能和靜壓能（其中靜壓能占主導(dǎo)），獲得靜壓能的流態(tài)混凝土經(jīng)過(guò)渦壓腔口被渦壓葉片擠壓到套管外的周?chē)馏w中，使流態(tài)混凝土在深度土層位置向水平方向擠擴(kuò)。

（1）試驗(yàn)驗(yàn)證。此機(jī)理已在中國(guó)石油大學(xué)（華東）巖土工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到驗(yàn)證。運(yùn)用渦壓擠擴(kuò)機(jī)理進(jìn)行地基處理的過(guò)程中，石子被擠入到周?chē)馏w中形成擴(kuò)徑體，能夠有效地?cái)D密樁周土體；水泥漿被擠擴(kuò)帶入到周?chē)馏w中與其凝結(jié)固化，起到了膠結(jié)土體的作用。樁體、擴(kuò)徑體和周?chē)哪z結(jié)土體形成的共同體使得地基土在水平方向和豎直方向的整體強(qiáng)度得到了大幅度提高。

（2）理論驗(yàn)證。為了能夠?qū)崿F(xiàn)渦壓擠擴(kuò)混凝土到周?chē)馏w中，還需要分析渦壓葉片、流態(tài)混凝土以及周?chē)馏w的受力關(guān)系。建立了三者的力學(xué)模型，計(jì)算混凝土介質(zhì)（以粗骨料為主）向土體介質(zhì)中擠入的力學(xué)條件。取A點(diǎn)為研究對(duì)象，進(jìn)行力學(xué)分析。瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，渦壓葉片與周?chē)馏w的運(yùn)動(dòng)可視為平行運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，將渦壓葉片等效為剛體（無(wú)變形），剛體與可壓縮土體保持平行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將粗骨料（石子）理想化為剛性圓球。計(jì)算渦壓葉片剛體在力的作用下，粗骨料與可壓縮土體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，即粗骨料向可壓縮土體內(nèi)的擠入路徑和擠入條件。等效剛體與剛性圓球之間的摩擦系數(shù)為μ1，法向力為N1，摩擦力為f1；可壓縮土體與剛性圓球之間的摩擦系數(shù)為μ2，法向力為N2，摩擦力為f2。推導(dǎo)可知：當(dāng)θ，μ1，μ2的關(guān)系滿足時(shí)，粗骨料（石子）即可擠入到渦壓腔外的土體中去。

2 使用設(shè)備

渦壓擠擴(kuò)法處理儲(chǔ)罐地基使用的施工設(shè)備主要由擠擴(kuò)設(shè)備和樁架兩部分組成，擠擴(kuò)設(shè)備包括渦壓鋼套管、渦壓腔、預(yù)制混凝土引導(dǎo)頭，樁架由錘擊裝置、旋扭裝置、車(chē)體、立柱和斜撐等組成。

鋼套管底部設(shè)置為開(kāi)口，頂部設(shè)置與旋扭設(shè)備匹配的齒輪；靠近鋼套管底部設(shè)有渦壓腔，渦壓腔由渦壓葉片和渦壓葉片上下兩端之間的鋼套管所圍成的空間組成；在渦壓葉片處開(kāi)設(shè)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的渦壓腔口，作為混凝土向外水平擠壓的出口，渦壓腔口的寬度為鋼套管1/4周長(zhǎng)，開(kāi)口高度與渦壓葉片的高度相同；渦壓葉片由兩個(gè)完全相同的半圓環(huán)鋼板反對(duì)稱(chēng)焊接而成，呈S形，S形渦壓葉片兩頂點(diǎn)之間的直線距離與鋼套管的直徑相同；S形渦壓葉片的兩頂點(diǎn)分別與渦壓腔出口的豎向側(cè)邊焊接固定，將焊縫打磨光滑，渦壓葉片所采用的鋼材型號(hào)、鋼板厚度與鋼套管的鋼材型號(hào)、鋼板厚度相同，使得渦壓葉片與鋼套管之間連接形成順滑曲面，有利于流態(tài)混凝土沿水平方向向外擠壓。為了使混凝土引導(dǎo)頭恰好能嵌入鋼套管底部，將鋼套管底部的內(nèi)外徑尺寸設(shè)計(jì)為與預(yù)制混凝土引導(dǎo)頭相匹配形狀尺寸，并留有一定空隙以保證套管拔出時(shí)能夠順利與預(yù)制混凝土引導(dǎo)脫離；旋轉(zhuǎn)齒輪作為錘擊套管和旋扭套管的傳力裝置，其內(nèi)側(cè)為光圓柱面，外側(cè)設(shè)有嚙合齒，旋轉(zhuǎn)齒輪的內(nèi)徑與鋼套管的外徑相同，旋轉(zhuǎn)齒輪的頂面與鋼套管的頂面齊平，旋轉(zhuǎn)齒輪箍焊在鋼套管的頂部外側(cè)。

3 工藝流程

（1）鋼套管就位，將預(yù)制混凝土引導(dǎo)頭對(duì)準(zhǔn)要錘管入土的部位，將鋼套管座落于引導(dǎo)頭上。

（2）錘管入土，利用夯錘將鋼套管連同引導(dǎo)頭一同打入土層至預(yù)定標(biāo)高。

（3）灌注流態(tài)混凝土，將地基處理所用的流態(tài)混凝土從鋼套管頂部灌注到鋼套管內(nèi)。

（4）旋扭套管，將旋扭動(dòng)力設(shè)備連接到鋼套管頂部的旋轉(zhuǎn)齒輪上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)齒輪帶動(dòng)鋼套管一同旋轉(zhuǎn)。在渦壓葉片的擠壓驅(qū)動(dòng)作用下，套管內(nèi)流態(tài)混凝土經(jīng)過(guò)渦壓腔口被沿水平方向渦壓擠擴(kuò)到周?chē)馏w中，起到擠密、填充、膠結(jié)土體的作用，達(dá)到地基處理的目的；旋扭至該土層加固處理需要的強(qiáng)度之后，結(jié)束旋扭。

（5）提升套管，完成當(dāng)前土層的加固處理之后，提升鋼套管至上一層需要加固的土層。

（6）實(shí)施上一土層地基處理，重復(fù)第3步～第4步，完成上一層土層的加固處理。

（7）根據(jù)工程需要加固土層的數(shù)量，重復(fù)實(shí)施第3步～第5步。

（8）拔出鋼套管，將所有需要加固的地基土層處理完畢后，將流態(tài)混凝土灌注到鋼套管內(nèi)部至地面位置，緩慢拔出鋼套管，完成該點(diǎn)的地基處理工作。

4 結(jié)論

通過(guò)分析渦壓葉片、流態(tài)混凝土以及周?chē)馏w的受力關(guān)系，得出混凝土介質(zhì)向土體質(zhì)中擠入的力學(xué)條件。渦壓擠擴(kuò)法處理儲(chǔ)罐地基的施工工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備易加工制作，與現(xiàn)行的儲(chǔ)罐地基處理設(shè)備兼容性好，略加改造即可用于本方案。綜合分析表明，采用渦壓擠擴(kuò)法處理儲(chǔ)罐地基在理論上是可行的，在消耗低成本的前提下可大幅提高地基承載力。隨著對(duì)其更深入的研究，亦可將其應(yīng)用到油氣田地面工程中的井架錨樁、固井及泥漿護(hù)壁等方面。

[1]李玲，王衛(wèi)，井少華，等．大型儲(chǔ)罐底板施工變形控制[J]．油氣田地面工程，2013，32（8)）：6-97.

[2]袁中立，閆倫江．LNG低溫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)及建造技術(shù)[J]．石油工程建設(shè)，2007，33（5）：19-22.

[3]徐至均．大型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)地基處理與工程實(shí)例[M]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.063

基金論文：2013年國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51208510）；2014年中國(guó)石油大學(xué)(華東)研究生自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目（14CX06067A）。