劉紅軍,李 鵬,2,張志豪,王秀海

（1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100;2.中國石油冀東油田公司,河北 唐山 063004;3.中國石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院巖土工程公司,山東 青島 266071）

在沿海軟土地區(qū)建造了許多大型石油儲罐,其中有很多采用了等樁長、同一置換率的碎石樁復(fù)合地基處理方案。實(shí)踐表明,上述方案在地基中會產(chǎn)生較大的碟形不均勻沉降[1],過大的不均勻沉降會影響油罐的正常使用,甚至發(fā)生事故。要減小油罐罐底沉降,特別是減小置有深厚軟弱覆蓋層地基上大型或超大型油罐罐底的過大差異沉降,仍就需要對油罐地基進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?控制油罐的差異沉降在安全允許界限之內(nèi),以滿足油罐正常工作要求[2]。因此,如何通過科學(xué)的設(shè)計(jì)來達(dá)到減少差異沉降一直是工程設(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的問題。近年來,很多專家、學(xué)者在差異沉降方面做了大量研究[3-7]。金姆等人開展了高壓縮性軟弱粘土層地基上油罐土工離心模型試驗(yàn),探討土工合成材料對差異沉降的影響[8]。陳龍珠用彈塑性有限元方法分析了變剛度復(fù)合地基處理方案對基礎(chǔ)最大沉降、差異沉降等主要工程特性的影響[9]。黃斌用三維有限元方法研究在同一基礎(chǔ)下采用不同樁型情況時各樁沉降和剛度的關(guān)系,探討通過改變樁型來調(diào)整剛度,最后控制差異沉降的方法[10]。Horikoshi用參數(shù)法和離心模型試驗(yàn),證實(shí)了設(shè)置中部小群樁有可能使差異沉降可以忽略[11]。同時Randolph還研究了在存在軟弱上層的某些地基中以長短樁結(jié)合的方式布樁的情況[12]。但對油罐碎石樁復(fù)合地基方面差異沉降的研究尚不多見。

該文以阿爾及利亞某地區(qū)油罐地基處理工程為依托,采用有限元軟件PLAXIS建立碎石樁加固地基的有限元模型,對其進(jìn)行彈塑性數(shù)值計(jì)算,通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上,對樁長,樁徑、樁間距、置換率等參數(shù)的選擇及其對差異沉降影響進(jìn)行了有限元數(shù)值分析。

1 工程概況

阿爾及利亞 SKIKDA 500萬t/a凝析油項(xiàng)目LOT1區(qū)的廠址位于阿爾及利亞SKIKDA原化工區(qū)內(nèi)。

阿爾及利亞 SKIKDA 500萬t/a凝析油項(xiàng)目LOT1區(qū)304-TK-002罐為石油罐。其地基處理采用振動水沖碎石樁法,本罐共布置振動水沖碎石樁1 189棵,等邊三角形布樁,樁間距1 750 mm,中心部位為長樁、邊部為短樁,樁長分別為23 m、15 m。

碎石樁施工完畢后,進(jìn)行了5組單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn),罐區(qū)樁間土靜力觸探檢測,同時在碎石樁樁頂及樁間土埋設(shè)土壓力計(jì)以觀測樁土應(yīng)力的變化規(guī)律。各項(xiàng)目監(jiān)測布置示意見圖1。

圖1 監(jiān)測布置圖

2 有限元模型建立及模擬方法

大型油罐基礎(chǔ)為圓形,可以使用軸對稱模型進(jìn)行平面二維有限元計(jì)算。試驗(yàn)段碎石樁按等邊三角形布樁布置,進(jìn)行平面二維計(jì)算時,需要進(jìn)行合理的簡化和等效。

2.1 材料模型

地基土和填土均采用Hardening-soil模型,為理想塑性本構(gòu)模型,首先,它使用的是塑性理論,而不是彈性理論;其次,它考慮了土體的剪脹性;再次,它引入了一個屈服帽蓋。該模型的計(jì)算參數(shù)可以從土樣的基本試驗(yàn)里得到。地基土層資料及土工參數(shù)如表1所示,表中參數(shù)均是取自試驗(yàn)段勘察報告?；炷镰h(huán)墻可視為均質(zhì)線彈性體,采用線性彈性模型進(jìn)行模擬。

表1 土層參數(shù)表

續(xù)表1

根據(jù)相關(guān)資料[13],計(jì)算時Eref50=Erefoed,Erefsur=（2～4）Eref50（在實(shí)際計(jì)算時,卸載模量取3倍的加載模量）,參數(shù)c、φ、ψ依據(jù)M ohr-coulom b模型的破壞模式。

2.2 碎石樁的簡化

碎石樁樁采用線彈性模型,符合廣義Hook定律,以實(shí)體元素模擬碎石樁。對于等邊三角形布置的碎石樁,可將其等效成圓環(huán),簡化后的圓環(huán)長等于原樁長。等效模量可采用文獻(xiàn)[14]的方法,假設(shè)圖2-3中距中心R處的圓周上共有n根樁,可將這n根樁及樁間土組成的圓環(huán)看成是另一種均質(zhì)彈性材料組成,若假定它們的軸向剛度等效,即可推得這種材料的彈性模量。由于樁間土的剛度較碎石樁要小得多,在此可以忽略不計(jì)。根據(jù)總剛度等效,推得圓環(huán)的等效模量為：式中,E為樁體的彈性模量;A為樁身的橫截面積;A′為圓環(huán)的面積;n為樁數(shù)。

圖3 模量簡化剖面圖

2.3 計(jì)算模型

綜合考慮油罐的幾何形狀、中心對稱性,建立如圖4所示的有限元模型。油罐半徑26m,23m長樁分布半徑：0～13.66m,15 m短樁為13.66～32m;碎石樁位于地表以下1 m,其上0.3 m碎石墊層,混凝土環(huán)墻高2 m,其內(nèi)自上而下鋪0.4 m砂墊層,0.6 m分層夯實(shí)填土;罐基礎(chǔ)頂面坡度0.03。為了消除模型邊界效應(yīng)的影響,取建模邊界寬度130m,深度70m,以滿足計(jì)算沉降的需要。

圖4 幾何模型及網(wǎng)格剖分圖

表2 油罐底板參數(shù)表

PLAXIS軟件提供了6節(jié)點(diǎn)單元與15節(jié)點(diǎn)單元,本文選用15節(jié)點(diǎn)單元。

3 有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對比

油罐地基總沉降量變化關(guān)系見圖5。從圖5可以看出,隨著距油罐中心距離的增大,總沉降值是逐漸減小的,計(jì)算值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢相符,并且與實(shí)測值相比,沉降計(jì)算值誤差最大的落于距油罐中心16m處,為8.1%,其它的依次為2.9%,5.5%,3.3%,4.3%。

罐地基周圍表層土的垂直沉降變化曲線見圖6,從圖中可以看出,計(jì)算值與監(jiān)測值趨勢基本吻合。

所以,從整體上看,計(jì)算沉降值與實(shí)測值是吻合的,可進(jìn)一步用于研究油罐碎石樁復(fù)合地基差異沉降。

圖5 總沉降量變化曲線

圖6 罐地基周圍表層土的垂直沉降變化曲線圖

4 各因素對差異沉降的影響

為研究各種因素對差異沉降的影響,分別從不同樁長分布范圍,置換率包括因此隨之改變的樁徑、樁距,罐基礎(chǔ)褥墊等各個角度考慮,最后對比各因素對差異沉降影響,以尋求調(diào)整差異沉降的最佳途徑。

4.1 樁長的影響

為了達(dá)到減少差異沉降的目的,在同一油罐碎石樁地基下鋪設(shè)3種不同長度的碎石樁。因長度不同,依次命名為長樁、中樁、短樁。先對碎石樁的分布范圍進(jìn)行計(jì)算分析,再調(diào)節(jié)樁的長短以達(dá)最終目的。

分別考慮了不同上部荷載,地基剛度的條件下,樁長各因素對差異沉降的影響,以便得出應(yīng)用更加廣泛的規(guī)律。

首先,圖 7為在不同地基剛度（20 kPa、100 kPa、200 kPa、350 kPa）或不同荷載（1 600 kPa、2 398 kPa、4 000 kPa、6 000 kPa、10 000 kPa）時,長樁布置范圍變化時地基差異沉降的變化曲線。

從圖中可以看出：無論地基剛度和荷載如何變化,油罐地基差異沉降隨著長樁布置范圍的變化,都在距離罐中心16.92 m（0.33D,D為油罐直徑）處形成一極小值;軟弱地基差異沉降受長樁布置范圍變化的影響較大;長樁布置范圍變化對較大油罐荷載下的差異沉降影響效果較顯著。

圖7 長樁布置范圍變化時地基差異沉降的變化曲線

接著,長樁分布范圍0～16.92 m不變,調(diào)節(jié)中樁分布范圍。

圖8為在不同地基剛度或不同荷載時,中樁布置范圍變化時地基差異沉降的變化曲線,表2、表3為相應(yīng)的差異沉降最小時中樁分布范圍。

圖8 中樁布置范圍變化時地基差異沉降的變化曲線

表2 不同上部荷載時,差異沉降最小的中樁分布范圍

表3 不同地基剛度時,差異沉降最小的中樁分布范圍

如表所示,無論地基剛度和荷載如何變化,油罐地基差異沉降隨著中樁布置范圍的變化,都在范圍16.92～20.18 m或16.92～21.81 m（即下限位于0.39～0.42D,D為油罐直徑）處形成一極小值。由于碎石樁直徑本身占有一定范圍,因此,形成極小值范圍的精確值不能確定。

最后,長樁分布范圍0～16.92m,中樁16.92～20.18m,調(diào)節(jié)中、短樁樁長,可得最小差異沉降：37 mm,遠(yuǎn)小于原工程監(jiān)測值470 mm。

4.2 樁體復(fù)合地基置換率的影響

為研究樁體復(fù)合地基置換率對差異沉降的影響,以原設(shè)計(jì)為基準(zhǔn),通過分別分析中心范圍內(nèi)樁體的置換率變化和不變時差異沉降的變化規(guī)律,達(dá)到應(yīng)用此規(guī)律減小差異沉降的目的。

首先考慮置換率改變。以樁徑1 m和樁間距1.75 m為基準(zhǔn),分別改變樁徑及樁間距,計(jì)算得到不同地基差異沉降的變化規(guī)律,如圖9所示。

從圖9（a）可以看出：油罐中心范圍內(nèi)復(fù)合地基,當(dāng)保持樁徑1.0 m不變,樁間距逐漸增大時,復(fù)合地基差異沉降隨樁間距增大而增大,其變化幅度隨地基土剛度的減小而增加,即軟弱地基差異沉降受置換率變化的影響較大。

圖9 置換率變化時地基差異沉降的變化曲線

圖9（b）中,油罐地基中心范圍內(nèi)復(fù)合地基,當(dāng)保持樁間距1.5m不變,樁徑逐漸增大時,復(fù)合地基差異沉降隨樁徑的增加而減小。從圖10（b）中同樣看到軟弱地基差異沉降受置換率變化的影響較大。

將樁間距1.75 m不變、樁徑變化定為方法①;將樁徑1.0 m不變、樁間距變化定為方法②。比較改變置換率的這2種方法所得的地基差異沉降,如表4所示。

表4 樁徑和樁間距變化時的地基差異沉降

從表4可以看出,采用2種增加置換率的方法均能減少地基的差異沉降。但同時看到,采用方法②在較小置換率情況下得到了比方法①更小的地基差異沉降,說明油罐復(fù)合地基差異沉降并不是簡單隨著置換率的增加而線性變化的。從計(jì)算結(jié)果來看,油罐中心范圍內(nèi)復(fù)合地基,保持樁徑不變,增加樁間距以增加置換率,對降低地基差異沉降效果更好。

其次考慮置換率不變。以樁徑1.0m和樁間距1.75m時的復(fù)合地基的置換率0.296為不變基準(zhǔn)（定為基準(zhǔn)方法）,分別對樁徑為0.6 、1.0、1.2m（樁間距隨之改變）時不同地基剛度的差異沉降進(jìn)行計(jì)算。

圖10 置換率不變時,地基差異沉降的變化曲線

圖10為置換率不變時,計(jì)算所得不同地基差異沉降在不同樁徑條件下的變化曲線,從圖10可以看出,油罐中心范圍內(nèi)復(fù)合地基置換率不變,油罐地基差異沉降是隨著樁徑的增加而逐漸減小的;曲線在較大樁徑時變化趨緩,說明差異沉降隨樁徑變大,其變化幅度變小。

4.3 罐底環(huán)梁基礎(chǔ)內(nèi)褥墊的影響

無論是環(huán)墻式還是護(hù)坡式罐基礎(chǔ)都要高出地面,需要回填士或砂石料。如果加強(qiáng)回填材料,可調(diào)整應(yīng)力的傳遞,減少邊中的沉降差。加強(qiáng)辦法之一是將回填料改為碎石,一般厚度在300 mm左右,這就是通常說的“褥墊”,這種方法調(diào)整能力強(qiáng),常應(yīng)用在許多半填半挖罐基礎(chǔ)上。通過褥墊調(diào)整應(yīng)力分布,使不均勻的地基形成一個整體[16]。

為研究分析褥墊對減小差異沉降所起的作用,在復(fù)合地基其他各種參數(shù)都相同的前提下,對比沒有褥墊與不同褥墊長度時,不同模量地基的差異沉降,分析褥墊在地基加固中所起的作用。

圖11為不同地基剛度時,計(jì)算所得不同地基差異沉降在不同褥墊長度條件下的變化曲線。從圖11可以看出,在不同地基剛度模量時,無一例外,隨著褥墊層半徑的增加,碎石樁地基差異沉降明顯減小,當(dāng)褥墊半徑為20 m,即褥墊層的布置率為油罐底面積的60%時,差異沉降達(dá)到最小值。

圖11 不同地基剛度、不同褥墊長度時地基差異沉降的變化曲線

4.4 不同差異沉降調(diào)整方法的對比

圖13為不同調(diào)整方法的油罐最終差異沉降量對比圖。其中,通過調(diào)整長樁分布的差異沉降為37 mm,改變不同位置置換率的差異沉降為68 mm,改變?nèi)靿|層的差異沉降為446 mm,現(xiàn)場監(jiān)測的差異沉降為470mm,表明通過改變樁長,改變不同位置置換率可以有效地減少油罐地基差異沉降,效果十分明顯。

圖13 不同調(diào)整方法最終差異沉降量對比

如圖14所示,不同差異沉降調(diào)整方法的油罐地基側(cè)向位移曲線對比圖,剖面位于距油罐中心22 m處。通過調(diào)整差異沉降,油罐地基出現(xiàn)了負(fù)的側(cè)向位移,具體體現(xiàn)在3方面：1）剖面線上最大負(fù)側(cè)向位移的絕對值大幅增加,由0.00 m增加為0.08m;2）出現(xiàn)負(fù)向最大側(cè)向位移的深度范圍增加,由5 m增至15 m;3）出現(xiàn)負(fù)側(cè)向位移的增大幅度由大到小依次為：改變樁長,改變不同位置置換率,改變?nèi)靿|層剛度,與差異沉降減小幅度的順序相同,因此,油罐地基出現(xiàn)負(fù)向側(cè)向位移是差異沉降調(diào)整的一個重要特征。

圖14 側(cè)向位移曲線圖

5 結(jié)論

1）油罐地基差異沉降隨著不同樁長分布范圍產(chǎn)生變化,其中,在長樁 ：0～ 0.33D,中樁 ：0.33～0.39D或0.33～0.42D（D為油罐直徑）處形成一極小值;

2）油罐中心范圍內(nèi)復(fù)合地基,通過固定樁徑不變,增加樁間距來增大置換率,可使復(fù)合地基在相對較小的置換率條件下獲得更小的差異沉降。

3）油罐中心范圍內(nèi)復(fù)合地基,置換率一定時,樁徑越大（同時樁間距也就越疏）,碎石樁地基的差異沉降也就越小;隨著樁徑越來越大,差異沉降的增幅也越來越小。

4）褥墊層的布置率為油罐底面積的60%時,差異沉降達(dá)到最小值。

5）不同差異沉降調(diào)整方法對比發(fā)現(xiàn),通過調(diào)整長樁分布、置換率可以很好的降低地基差異沉降,而改變?nèi)靿|層的效果不是十分明顯。

6）調(diào)整差異沉降,使地基土出現(xiàn)負(fù)的側(cè)向位移,其產(chǎn)生的范圍和大小越大,差異沉降越小,因此,油罐地基負(fù)向側(cè)向位移的出現(xiàn)是差異沉降調(diào)整的一個重要特征。

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（編輯胡英奎）