軟土場地剛性復合地基加載試驗及數值模擬分析

江 瑋,劉小麗,邵 勇

(1.南京交通職業(yè)技術學院,江蘇南京211188；2.連云港職業(yè)技術學院,江蘇連云港222006)

軟土場地剛性復合地基加載試驗及數值模擬分析

江 瑋1,劉小麗2,邵 勇2

(1.南京交通職業(yè)技術學院,江蘇南京211188；2.連云港職業(yè)技術學院,江蘇連云港222006)

針對某儲油罐工程剛性復合地基在試水過程中沉降過速且變形不收斂的現狀,對該復合地基的失效原因及其承載性狀進行了數值計算分析。結果顯示,工程場地分布的厚層且不均勻軟土是該地基失效的根本原因,在軟土厚度較大一側地基發(fā)生較大變形,形成過大的沉降差；油罐附近基坑的開挖對地基失效也有一定的影響；復合地基沉降超過60 cm時,樁土應力比約為7,說明復合地基中樁的效用沒有得到充分發(fā)揮。

軟土；油罐工程；剛性復合地基；承載性狀；數值分析

0 引 言

現澆混凝土大直徑管樁(PCC)復合地基在軟土地基處理中已經得到了廣泛的應用,如江蘇省的鹽通高速、上海市的嘉瀏高速等,為PCC的應用積累了寶貴的經驗。劉漢龍等[1-4]對PCC的水平承載特征、負摩阻力下PCC變形以及褥墊層對PCC復合地基的影響的研究認為,在水平荷載條件下,樁身最大彎矩主要分布在樁體上部,可以增加配筋以提高樁體的抗彎承載力；在上部荷載作用下,與實心樁相比,PCC具有較小的沉降且中性點位置偏下,約在0.5L處；提高褥墊層中加筋材料有利于減少地基水平位移及樁土差異沉降,且可提高樁土應力比。

本文以工程場地分布有厚層軟土,采用PCC復合地基的某儲油罐工程為例。在試水過程中,該地基發(fā)生了較大的變形,且觀測過程中未見收斂。本文分析了該油罐復合地基失效的原因,并建立相應數值模型,對油罐復合地基的承載力性狀進行了計算分析。

1 工程概況

某化工港區(qū)為5萬t級油品泊位,區(qū)內建有原料油罐區(qū)、成品油罐區(qū)、化工品油罐區(qū)、污水處理廠等設施。其中,原料油罐區(qū)建有8個較大油罐。場地土層分布有較厚流塑淤泥,且厚度不均,對該層軟土處理利用是該工程地基處理的關鍵環(huán)節(jié)。原料油罐區(qū)工程地質剖面見圖1。從圖1可以看出,地層中分布有厚層淤泥及淤泥質粘土,呈軟塑～流塑狀態(tài),且厚度不均。典型土層物理力學參數見表1。

圖1 地質剖面

表1 典型土層物理力學參數

針對工程地質條件,設計方案采用φ1 220×150現澆PPC復合地基,樁長15 m,復合地基承載力特征值為220 kPa,樁間距為2.4～2.6 m,在油罐范圍內成圓環(huán)形布置,樁身混凝土等級為C30,并采用混凝土防腐外加劑。褥墊層采用級配碎石,最大粒徑不大于50 mm,含泥量不超過5%,壓實系數0.97。

本工程淺層軟土地基承載力約45～55 kPa,設計復合地基承載力達到250 kPa,處理后地基承載力提高幅度極大。同時,表層軟土壓縮性很高,剛性樁復合地基受荷后,樁間土發(fā)生較大的壓縮變形,甚至可能發(fā)生側向變形,無法與剛性樁共同作用。因此,結合本工程的荷載條件和場地土層分布特點分析,采用剛性樁復合地基具有一定的工程風險。

2 加載試驗分析

2.1 加載試驗概況

油罐施工完畢后,進行了充水加載試驗。經過變形觀測,部分油罐沉降異常,編號為T17、T19、T20的油罐在試水時發(fā)生異常沉降,T18在未試水情況即發(fā)生異常沉降。其中,T17罐體基礎環(huán)梁甚至出現裂縫,裂縫寬度約1.5 mm；在T18等罐體四周出現了環(huán)向和徑向的裂縫(見圖2),裂縫寬度約60 mm。異常沉降發(fā)生后,均停止充水,并傾罐倒水。

圖2 地面裂縫

2.2 加載后基礎變形數據分析

為了分析油罐地基的異常變形,共設置16個觀測點,平均分布于罐體四周,整個觀測過程歷時31 d。觀測點位見圖3。

圖3 觀測點位及油罐位置示意

圖4為T19罐體9號監(jiān)測點沉降歷時曲線。加載量達50 kPa時為沖水1/4罐體,100 kPa時為沖水1/2罐體。從圖4可知,加載量達100 kPa時,罐體出現異常沉降,隨即進行傾罐倒水,并繼續(xù)監(jiān)測罐體變形情況。

其他罐體加載歷時沉降曲線與T19類似,故只給出最終的沉降數據。圖5為各罐體最終沉降觀測結果。其中,T18為未充水觀測數據；T20為充水1/4罐體,發(fā)生異常沉降后傾罐倒水；T17、T19為充水1/2罐體,發(fā)生異常沉降后倒水。從圖5可知,T20號罐最大沉降為288 mm,T19號罐為199 mm,T18為98 mm,T17為178 mm。從沉降量來看,T20、T19號罐的最大沉降發(fā)生在10號觀測點附近,即罐體的北側,罐體向北側傾斜；而T18、T17號罐的最大沉降發(fā)生在1號觀測點附近,即罐體的南側,罐體向南側傾斜。說明4個罐體向中心位置傾斜。

圖5 各觀測點沉降量

4個罐體的沉降速率見圖6。從圖6可知,各觀測點沉降速均位于5 mm/d附近,有一半以上的觀測點沉降速率大于5 mm/d,說明沉降的發(fā)展未見收斂。

圖6 各觀測點沉降速率

2.3 事故原因分析及處理措施

從該工程地質條件、基礎設計方案及沉降觀測結果來看,此次事故的根本原因為設計方案沒有充分考慮軟土地基的性質。本工程地基軟土強度極低,且厚度不均勻。按規(guī)范要求,對于十字板抗剪強度小于10 kPa的軟土以及橫坡較大的斜坡上的軟土地基,應根據地區(qū)經驗或現場試驗確定其適用性。本項目在沒有可靠經驗的基礎上盲目選型,最終導致了事故的發(fā)生。事故原因如下：

(1)地基土強度極低,且分布不均勻。在地基處理方案設計時未能充分考慮這一因素,即剛性復合地基的適用性有待探討。此外,淤泥土分布厚度差別較大,極易產生基礎的側向變形。

(2)在采用復合地基時,未考慮樁體的側移現象。當樁頂的褥墊層強度不足時必將產生較大變形,從而導致樁間土變形過大,增加樁身土壓力,致使樁體發(fā)生側移[5-7],最終樁體發(fā)生較大的變形。這一點可以從罐體四周產生較大的環(huán)向及徑向裂縫得到印證。

(3)罐體荷載特點與其他荷載存在區(qū)別。罐體為均布荷載,作用在地基上,其中心部位必將產生較大的位移[8-10],這也加劇了樁體的側向變形。

(4)T17、T18、T19、T20油罐之間的基坑開挖也是沉降異常的原因之一,這點可以從4個油罐的傾斜方向得到印證,即4個油罐均向中間基坑位置傾斜。

針對罐體的傾斜情況,采用攪拌樁加固地基,對T18罐體進行整體加固,即在罐體基礎的底部及四周均加設攪拌樁。對T17、T19、T20罐體基礎只加固其四周。地基加固后的加載試驗表明,該地基加固方案是有效的。

3 數值模擬分析

圖7 數值模型

數值計算模型取T20油罐地基條件,并作適當簡化。模型尺寸200 m×40 m,底部采用全約束即約束其豎直及水平方向變形,四周約束其水平方向變形,頂部無約束,采用摩爾-庫倫模型計算,土體物理力學參數見表1,數值模型見圖7。褥墊層容重為20 kN/m3,變形模量為30 MPa,泊松比取0.28,粘聚力取10 kPa,摩擦角取30°。樁體采用實體單位模擬,樁周設置接觸面,樁體彈性模量取10 GPa,泊松比為0.18,容重取25 kN/m3。上部罐體采用等效土體荷載,滿水位荷載為200 kPa。

計算時,先施加1/4水位荷載即50 kPa。樁體及褥墊層沉降云圖見圖8。從圖8可以看出,整體結構呈傾斜狀,模型右側即軟土較厚一側最大沉降達665.81 mm,模型左側僅為215.76 mm,沉降差為450.05 mm,存在傾覆的可能。該沉降數據為計算至穩(wěn)定的結果,較實測沉降量大得多。實測數據為充水至1/4罐體條件下,后又傾罐倒水,加載歷時較短。

圖8 樁及褥墊層沉降云圖(單位：mm)

圖9為樁土接觸面剪應力云圖。從圖9可以看出,在樁體下部分布有較大剪應力,說明軟土工程性質較差,上部荷載傳遞下來的剪應力將主要集中在樁體下部。這是因為在樁體上部，樁體及土體位移均較大,其相對位移較小,因此樁土之間的剪應力也較小。而在樁體下部,樁土相對位移較大,即樁體沉降大于土體沉降,故樁土之間的剪應力也較大。

圖9 樁土接觸面剪應力云圖(單位：kPa)

圖10 樁土應力對比

圖10為樁頂應力及相應位置土體應力對比。其中,觀測點編號對應模型中16根樁,順序為自左向右(可對應圖7)。從圖10可以看出,樁頂應力隨著位移增大而增大,這是因為基礎整體的沉降差較大,發(fā)生了嚴重的傾斜,導致右側樁體承受較大的應力。樁土應力比也呈增加趨勢,即右側大于左側,與整體位移相對應。應力比在6～8之間,說明復合地基中樁體的效用未能充分發(fā)揮,這與樁體發(fā)生了較大的沉降有關。

圖11為樁頂沉降及相應位置土體沉降對比。從圖11可知,1～8號觀測點樁土沉降差位于30 mm附近,9～16號位于80 mm附近。整體沉降越大,樁土沉降差越大,說明樁土變形呈非均勻性。

圖11 樁土沉降對比

此外,罐體北側(數值模型中右側)的基坑開挖對罐體的變形有一定影響,罐體南側沉降未有變化,而罐體北側樁體最大沉降由665.81 mm增加至727.73 mm,放大約9.3%。基坑開挖現場見圖12。

圖12 基坑開挖

從數值模擬的結果來看,油罐地基土的工程性質較差是該工程地基失效的內在原因,特別是地基土的不均勻性致使樁體沉降差達450.05mm。因此,在厚層軟土分布地區(qū)復合地基的應用宜加強設計,如在軟土較厚地段增加樁長或加強褥墊層等，避免因地基的非均勻性而導致異常沉降。此外,附近基坑工程的擾動也是該工程地基失效的原因之一。該基坑采用鋼板樁支護,開挖深度為3.6m,坑邊距離罐體最近處約為32m,最大水平位移達223mm,對油罐地基存在一定擾動。

4 結 語

通過對某儲油罐工程地基失效原因及數值模擬分析,得到以下結論：

(1)軟土地區(qū)采用復合地基時，應充分探明場地工程地質條件,如軟土厚度分布、力學性質等,對不均勻地段采取相應措施。

(2)軟土場地中采用樁基礎時,應考慮其側向變形問題,在承受均布荷載或臨近存在擾動荷載時，樁體易向四周發(fā)生側移,從而導致地基失穩(wěn)。

(3)軟土工程變形較大,應盡量避免臨近工程的擾動。本工程臨近基坑的開挖對油罐地基的變形有一定的加劇作用。

[1]劉漢龍, 張建偉, 彭劼. PCC樁水平承載特性足尺模型試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2009, 31(2)： 161-165．

[2]劉漢龍, 譚慧明. 加筋褥墊層在PCC樁復合地基中的影響研究[J]. 巖土工程學報, 2008, 30(9)： 1270-1275．

[3]劉漢龍, 張曉健. 負摩擦作用下PCC樁沉降計算[J]. 巖土力學, 2007, 28(7)： 1483-1486．

[4]劉漢龍, 孔綱強, 吳宏偉. 能量樁工程應用研究進展及PCC能量樁技術開發(fā)[J]. 巖土工程學報, 2014, 36(1)： 176-181．

[5]馬慶華, 邵勇, 朱進軍. 水平荷載下承臺-傾斜樁工作性狀的數值分析[J]. 長江科學院院報, 2015, 32(11)： 62-65．

[6]邵勇, 朱進軍, 馬慶華. 承臺-傾斜樁體系承載力性狀分析[J]. 長江科學院院報, 2015, 32(12)： 98-102．

[7]楊曉紅, 朱進軍, 邵勇. 軟土場地傾斜樁牽引糾偏內力弱化技術[J]. 結構工程師, 2015, 31(4)： 211-215．

[8]石磊, 帥健, 許葵. 基于FEA模型和API653的大型油罐基礎沉降評價[J]. 中國安全科學學報, 2014, 24(3)： 114-119．

[9]姚仰平, 夏飛. 油罐基礎不均勻沉降主要影響因素的敏感性分析[J]. 巖土力學, 2015, 36(S2)： 673-678．

[10]郟喜和. 廈門機場油罐基礎下沉處理[J]. 油氣儲運, 1997, 16(8)： 30-33．

(責任編輯 楊 健)

Numerical Simulation Analysis and Loading Experiment of PCC Pile Composite Foundation in Soft Soil Site

JIANG Wei1, LIU Xiaoli2, SHAO Yong2

(1. Nanjing Vocational Institute of Transport Technology, Nanjing 211188, Jiangsu, China;2. Lianyungang Technical College, Lianyungang 222006, Jiangsu, China)

The rigid composite foundation is used in an oil tank project. In view of the phenomenon of large sedimentation rate and not converging deformation of the rigid composite foundation during water testing, the failure reasons and bearing behavior of this composite foundation are analyzed with numerical calculation. The analysis results show that the thick layer of soft soil and its uneven distribution in project site are the root reasons of foundation failure. The larger deformation occurs in the side of soft soil with greater thickness, which resulting in an excessive differential settlement. The pit excavation near the tank also has some influence on foundation failure. The stress ratio between pile and soil is about 7 when the settlement of composite foundation is more than 60 cm, which indicating that the utility of piles in composite foundation has not been fully realized．

soft soil; oil tank project; rigid composite foundation; bearing behavior; numerical analysis

2016-05-31

江蘇省建設系統科技項目(2015ZD37)；住房和城鄉(xiāng)建設部科技計劃項目(2015-K3-023)；江蘇省“六大人才高峰”資助項目(2014-JZ-016)

江瑋(1981—),女,江蘇新沂人,講師,碩士,主要從事結構工程方面的教學與科研工作．

TU473.11

A

0559-9342(2017)02-0027-04