油罐碎石樁復合地基動態加載預壓方法研究

龔濟平，王海燕，蔣 健，胡小波（.中交上海港灣工程設計研究院有限公司，上海 0003；.上海港灣工程質量檢測有限公司，上海 0003）

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油罐碎石樁復合地基動態加載預壓方法研究

龔濟平1，王海燕1，蔣 健2，胡小波1
（1.中交上海港灣工程設計研究院有限公司，上海 200032；2.上海港灣工程質量檢測有限公司，上海 200032）

本文介紹了一例長碎石樁應用在低滲透性粘性土油罐地基中的工程案例，根據完工后充水測試時發生的罐體沉降過大等問題，提出依據監測數據實時修正計算模型，控制加載進度的預壓方法，依據這種方法設計了充水預壓方案并實施，最終順利控制罐體沉降，驗證了這種動態加載方法的可靠性，同時對本工程中碎石樁復合地基分級加載預壓的標準進行了歸納總結。

碎石樁復合地基；動態加載預壓；分級加載標準

引　言

近年來隨著我國經濟的發展，沿海沿江地區新建了許多大中型油儲罐，常使用碎石樁方法進行地基加固，該方法可以提高地基承載力、降低工后沉降等。根據《港口工程碎石樁設計與施工技術規程》［1］規定，加固不排水抗剪強度小于30 kPa的軟基，要求施工前通過現場試驗確定其適用性，且樁長不宜超過20m。碎石樁效用的發揮，需要樁周土體提供一定的圍箍力，形成完整的樁體，如何在具有深厚軟粘土的場地中合理地使用碎石樁，是一個需要面對的問題。

1　動態加載方法

所謂動態加載方法，即根據工程前期勘察數據，模擬工程主體建立數值模型，采用施工中反饋得到的監測數據，實時修正模型，預測下一級加載時間，控制加載進度的方法。動態加載方法的核心是建立合理的數值模型，對工程主體進行模擬，按照施工工況分步計算預測，同時參照監測數據對模型進行實時修正，以提高精度。依據計算結果控制施工進度，預測出適合的加荷、持荷和卸荷時間，使每級加載期間地基土強度得到充分增長、主固結沉降大部分完成，做到對加載預壓全過程的數字化控制。對具有深厚軟粘土的場地，選用碎石樁復合地基進行加固，一般需要有一段時間的預壓期［2］，動態加載方法可以較好的控制每一級加載時間，保證土體強度的增長，同時節省工期，提高加載的安全性，充分發揮出碎石樁復合地基的加固效果。

2　工程實例

2.1工程地質概況

某公司在武漢市漢南開發區新建鋼質油罐 39座，容量500～5 000m3，平面布置如圖1所示。場地整平高程24.0m，處于長江左岸Ⅰ級階地，沖積平原區類型。建筑物工程重要性、場地復雜程度、地基復雜程度等級為二級，巖土工程勘察、地基基礎設計等級為乙級，抗震設防類別為丙類。

圖1　油罐平面布置及計算斷面布置

2.2碎石樁設計施工概況

碎石樁設計長度22m，要求進入⑨層砂土，在油罐下均勻布置并外擴1排。施工顯示碎石樁施工時場地整體下沉不明顯，局部有隆起，套管拔出后附帶有很多粘土。碎石樁施工結束后對D1號5 000m3油罐進行充水測試，10天內連續分級充水加載至180 kPa，監測得到沉降最大值550 mm，差異沉降最大值225 mm，超過或接近規范限值，油罐無法正常使用。

圖2　D1油罐充水測試沉降變化

分析其原因，在砂性或粉性土場地中進行沉管碎石樁施工，由于土層的滲透系數較高，施工擠土產生的超孔隙水壓力消散較快，施工期間便會產生明顯沉降，而本場地多為厚層粘性土，飽和度高、塑性指數大、滲透系數低，施工擠土產生的超孔隙水壓力消散緩慢，需要一定的預壓時間使復合地基的加固效果充分發揮［3］，因此需要設計一套加載預壓方案。

2.3場地不均勻性分析

場地模擬計算所用土層參數如表1。

表1　模擬計算所用土層參數

經分析場地各個土層中對工程影響最大的為⑦-1淤泥質粉質粘土層，其三維厚度分布見圖3。

圖3　⑦-1淤泥質粉質粘土層分布

該層土強度低、壓縮性大且分布不均勻，將對碎石樁復合地基的整體加固效果產生不利影響，布置計算斷面時需對軟土層厚度差異較大區域加密。同時考慮到場地南北較長東西較短，東西剛度小，是變形需要重點關注方向，應沿東西向布置計算斷面。

（1）自擬調查問卷評價兩組護理人員的工作能力，包括護理記錄、模擬病情判斷、基礎操作、急救技能4個方面，評分均為100分，評分越高說明護理人員的綜合工作能力越佳。（2）兩組各隨機選擇200名患者作為調查對象，評價兩組護理期間護理差錯的發生情況。

2.4動態加載

施工中每級荷載施加完成后，根據監測得到沉降、孔壓等數據，分析當前級預壓效果，判斷各層地基土在該級荷載下固結、強度增長等情況，并計算預測出下級加載時間和持荷時間。同時根據監測數據不斷校正計算模型，提高后續加載預測精度。經過模擬計算，典型的油罐充水預壓加荷見圖4。

圖4　典型的油罐充水預壓加荷

本次計算使用Plaxis 2D有限元計算軟件，對油罐碎石樁復合地基各個加載工況建模進行計算。模型邊界寬度100m、深度60m，采用二維平面應變15節點高精度三角單元，各土層計算模量根據勘察報告中壓縮模量進行深度和土性修正［4］，碎石樁根據環向剛度等效原則轉化為二維計算模型［5］。充水預壓施工共分為充水前、充水加載期、滿水恒載期、放水卸載期、放水后等5個階段。

2.5計算及監測結果

經過計算，2-2斷面模型滿載時的網格變形（擴大10倍），如圖5所示。

圖5　2-2斷面滿載時的斷面擴大網格變形

由圖5可見油罐基礎沉降呈現“鍋底”型，基礎中心部位沉降最大，與常規監測得到的油罐基礎沉降規律一致。圖6為C1油罐東西向兩測點沉降實測值與模型計算值對比。

圖6　C1油罐東西向最大沉降

對比圖6（a）和圖6（b），C1油罐在充水預壓施工330 d內，實測最大沉降約為550 mm，最小約400 mm；模型計算最大沉降約490 mm，最小約430 mm，考慮到實際施工中的誤差，模型計算結果準確性在工程可以接受的范圍內。

通常砂性、粉性土中碎石樁復合地基加載沉降發展具有明顯的階梯形特點，即加荷期沉降發展快，持荷期沉降逐步變緩，本工程中軟弱粘性土實測沉降曲線較為平滑，呈現輕微階梯形特點，原因在于粘性土滲透系數較小，每級加載其樁間土排水固結都需要相當的時間，同時碎石樁與樁間土發生協調變形，樁土應力比與復合地基剛度亦隨時間而逐漸變化，故沉降曲線呈現較平滑的輕微階梯形。

2.6分級加載標準

規范［1］規定的監測日變形量限值較寬，在具有深厚粘性土的油罐地基中，由于油罐的荷載較大，原狀土的抗剪強度低，加載過快易造成地基土發生剪切破壞。本次施工根據實際情況調整了控制標準。根據模型計算結果和現場監測資料，場地堆載日均沉降量控制在5 mm，水平位移控制在2 mm，每級加載超孔壓消散至80%，單級持荷時間20～30 d，如表2。

表2　規范與實際使用監測項目限值對比

2.7加固效果

油罐復合地基加固效果的核心是罐體差異沉降，因此施工完成后差異沉降的大小可以反映出施工的具體效果。充水預壓完成后整個場地各種油罐的平均加固效果見表3。

表3　場地加固效果

經過動態加載方法充水預壓后的油罐地基，其差異沉降值遠小于規范規定的限值，因此使用動態加載方法，配合經調整的監測限值，可以充分提升施工的質量和速度。

3　結　論

本文通過一例長碎石樁用于粘性土油罐復合地基的工程實例，提出了動態加載方法的概念，推出了一套使用于粘性土油罐復合地基的加載控制標準，具體如下：

1）依據實時監測數據修正數值模型控制加載速度，將這一動態加載方法應用于粘性土油罐復合地基施工，可以系統地對整個場地土層的加載情況進行控制，具有一定的直觀性和可靠性，能夠為施工提供合理的指導意見。

2）加載時日均沉降量控制在5 mm以內、水平位移控制在2 mm以內、每級加載時各土層超孔壓消散完成80%、單級持荷時間20～30 d。按照該標準進行有深厚粘性土的油罐復合地基的充水預壓加載施工，可以得到較好的效果。

該方法在武漢油罐碎石樁復合地基項目投入應用后，縮短了工期、節約了投資、降低了工程造價、提高了工程質量，圓滿完成了預期的加固指標，取得了良好的經濟效益和社會效益。

［1］JTJ246-2004 港口工程碎石樁設計與施工技術規程［S］.

［2］李志斌.沉管碎石樁加固軟弱路基效果及其影響因素的分析［J］.建筑科學，2015.

［3］趙麗明.儲罐軟土地基的處理與其數值分析［D］.中國石油大學，2012.

［4］龔濟平.人工島全尺寸三維有限元沉降計算模量修正研究［J］.中國港灣建設，2016.

［5］Jie Han.A simplified method for consolidation rate of stonecolumn［J］.JournalofGeotechnicaland Geoenvironmental Engineering，2001.

Study on Dynamic Heavy Preload Method Applying to Gravel Pile Composite Foundation Supporting Oil Tanks

Gong Jiping1，Wang Haiyan1，Jiang Jian2，Hu Xiaobo1
（1.CCCC Shanghai Harbour Engineering Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China； 2.Shanghai Harbor Quality Control & Testing Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China）

Long gravel piles have been used in the treatment of low-permeability clay soil foundation supporting oil tanks.Since the tested oil tank filled with water causes large settlement after the completion of construction，a preloading method is proposed，which can correct the calculation model in real-time and control the loading progress on the basis of the monitoring data.This method is adopted to design the water-filling preloading plan.The effective control of oil tank settlement verifies the reliability of dynamic loading method.In addition，the grading heavy preload standard is summarized，which applies to the gravel pile composite foundation.

gravel pile composite foundation； dynamic heavy preload； grading load standard

TU472.3+3

A

1004-9592（2016）04-0094-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160423

2016-05-18

龔濟平（1986-），男，工程師，主要從事巖土工程的地基處理、基坑支護等方面的設計與研究工作。