大型儲罐水泥粉煤灰碎石樁復合地基變形應力性狀試驗研究

李繼才 叢 建 曹 軍 曹永瑯

(1.南京水利科學研究院，南京 210029;2.南京瑞迪建設科技有限公司，南京 210029)

近幾十年來，儲罐不斷趨向大型化發展［1］。大型儲罐對地基的主要作用是罐體及儲液自重，其特點是面積大、荷載大、影響深度大，對地基的承載力和變形要求高。由于儲罐罐體是一種柔性很大的薄板結構，過大的沉降和不均勻沉降會影響儲罐的正常使用，甚至發生事故［2-3］，所以必須對儲罐的總沉降和不均勻沉降進行控制。因此，天然地基往往不能滿足要求，需要進行地基處理。地基處理方法較多，水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)復合地基樁體材料可摻入粉煤灰、不配筋，具有地基承載力提高幅度大、地基變形小、適用范圍廣，以及施工快、質量容易控制等優點［4-5］，在房屋建筑、鐵路、公路等工程中得到了廣泛應用。近年來，CFG樁復合地基技術開始用于大型儲罐的地基處理［6-10］，但目前關于大型儲罐 CFG樁復合地基的變形應力性狀研究不夠，得到的實測資料不多，有必要對大型儲罐CFG樁復合地基的變形應力性狀進行進一步試驗研究。

某原油工程包括7座10×104m3的原油儲罐，采用CFG樁復合地基+充水預壓加固地基。以02TK-307罐為依托工程，通過現場試驗研究了大型儲罐CFG樁復合地基的變形應力性狀，以期有益于大型儲罐地基處理方法的選擇和優化設計。

1 現場試驗研究

1.1 工程概況

02TK-307罐是一座浮頂罐，罐容10×104m3，罐體直徑80 m，罐高21.97 m，采用鋼筋混凝土環墻基礎，罐最大質量124 827.3 t(包括罐體、充水及基礎質量)。

地基土層自上而下分為8層，包括第①層素填土、第②層中砂、第③層粉質黏土、第③-1層含粉質黏土砂或含砂粉質黏土、第④層粉質黏土、第⑤層中粗砂、第⑥層粉質黏土、第⑦層中粗砂。各土層的物理力學性質指標見表1。

表1 各土層物理力學性質指標Table 1 Physical and mechanical properties of soil layers

地基處理要求：復合地基承載特征值fspk不小于260 kPa，壓縮模量Es不小于18 MPa，儲罐基礎整體傾斜(平面傾斜)率 K不大于0.003，儲罐基礎周邊不均勻沉降(非平面傾斜)δmax不大于 0.002 5，儲罐中心罐與儲罐周邊沉降差率(罐基礎錐面坡度)不大于 0.008。

儲罐基底設計壓力達260 kPa，天然地基承載力僅160 kPa左右，不能滿足承載力要求，采用CFG樁復合地基+充水預壓加固地基。CFG樁復合地基設計參數如下：樁徑為400 mm;以正方形布樁，排距和行距均為2.1 m;樁長為13.45 m。CFG樁頂褥墊層與儲罐基礎底部1∶2級配砂石墊層共用，不再另設碎石粒徑小于30mm的專用褥墊層，夯填度不大于 0.9。

1.2 現場試驗

為研究儲罐CFG樁復合地基的變形應力性狀，設置了環墻沉降測點、水管式沉降儀和孔隙水壓力計等，用于觀測充水預壓期間環墻基礎沉降、罐基樁和樁間土沉降以及孔隙水壓力等隨充水高度的變化規律。變形應力觀測點布置如下：

1)環墻頂面均勻布置24個沉降觀測點(測點編號S1—S24)，測點間距約10.5 m，沉降觀測點埋設在環墻頂部罐壁外側，以觀測環墻基礎在充水預壓過程中的沉降。

2)儲罐地基CFG樁和樁間土沉降觀測采用水管式沉降儀，罐基中心及0.5R(R為罐半徑)處各選取一根CFG樁，在樁頂及樁間土表面各布設一組水管式沉降儀(CFG樁測點編號SP1、SP2，樁間土測點編號SS1、SS2)，以觀測儲罐地基 CFG樁及樁間土的沉降。

3)樁間土孔隙水壓力計共布置2個斷面、8組(編號 U1—U8)，分別埋設在儲罐地基中心(1 組)，0.25R=10 m(1 組)、0.5R=20 m(2 組)、0.75R=30 m(1 組)及環墻底 1.0R=40 m(3 組)(R為儲罐基礎半徑)，在第③層含粉質黏土砂層和第④層粉質黏土層中沿深度方向各埋設3支孔隙水壓力計。

02TK-307罐的變形及孔隙水壓力觀測點見圖1。

2 試驗研究結果及分析

充水預壓加固歷時24 d，其中充水歷時10 d，最大充水高度 19.2 m，恒壓歷時 7 d，泄水歷時 7 d。充水過程線見圖2，在不同充水高度進行了儲罐地基變形應力現狀的現場觀測。

圖1 測點布置Fig.1 The layout of settlement and pore water pressure observation points

圖2 充水過程線Fig.2 Relationship curves of water height with time

2.1 復合地基承載力

復合地基承載力檢測共進行了4根CFG樁單樁靜荷載試驗和3個樁間土靜荷載試驗，以確定CFG樁復合地基的承載力。單樁靜載荷試驗承壓板直徑0.4 m，樁間土承壓板直徑0.8 m。圖3、圖4分別為單樁靜載荷試驗Q-S曲線及樁間土靜載荷試驗p-s曲線。276號樁、564號樁、1257號樁均加載至900 kN終止加載，小于單樁豎向極限承載力，557號單樁豎向極限承載力標準值1 200 kN，取單樁豎向極限承載力標準值900 kN。樁間土承載力特征值按 s/b=0.012 5 取值，分別為 167，165，167 kPa，取平均值166 kPa作為樁間土承載力特征值，因此復合地基承載力特征值 fspk=282.5 kPa，滿足復合地基承載力特征值不小于260 kPa的要求。

2.2 儲罐地基變形性狀

儲罐地基的變形允許值根據儲罐的類型和容量確定［11］。對平面傾斜，浮頂罐的沉降差允許值0.003D≤Δmax≤0.007D(D 為罐的直徑)，罐的直徑越大，沉降差允許值與罐直徑的比值(Δmax/D)越小;對非平面傾斜，浮頂罐的沉降差允許值：ΔS/l≤0.002 5;罐基礎錐面坡度：i≥0.008。

2.2.1 環墻沉降

在充水預壓期間，觀測了環墻的沉降，環墻各測點沉降最大值見表2。

圖3 CFG樁單樁Q-S曲線Fig.3 Q-S curves of single pile

表2 環墻各測點最大沉降值Table 2 Maximum settlement of circular beam foundation mm

可以發現：

1)充水預壓期間測點S4的沉降最大，沉降值為41 mm，測點S11的沉降最小，沉降值為13 mm，平均沉降30 mm，最大沉降差為28 mm。由此可見：儲罐環墻基礎的剛度對其不均勻沉降的調節作用顯著，儲罐基礎的沉降較均勻，不均勻沉降較小。

2)充水預壓后相鄰兩個測點的最大沉降差為22 mm(S11與 S12)，任意徑向的最大沉降差為18 mm(S11與 S23)，相應平面傾斜率 Δmax/D=0.000 2遠小于 GB 50473—2008《鋼制儲罐地基基礎設計規范》的限值0.003，非平面傾斜率ΔSmax/l=0.002 2 小于 GB 50473—2008 的允許值 0.002 5。平面傾斜和非平面傾斜均滿足GB 50473—2008的控制要求。

2.2.2 儲罐罐基CFG樁和樁間土沉降

充水預壓期間儲罐地基CFG樁和樁間土沉降過程線如圖5所示，儲罐地基CFG樁和樁間土沉降與充水高度的關系曲線如圖6所示，儲罐地基沉降與充水高度的關系曲線如圖7所示。從圖5—圖7可以看出：

圖5 儲罐地基CFG樁和樁間土沉降過程線Fig.5 Settlement curves of CFG plies and soil between piles of large tank with time

圖6 CFG樁和樁間土沉降與充水高度的關系曲線Fig.6 Relationship between settlement of CFG pile composite foundation and water height

1)儲罐地基中心的沉降最大為110 mm，從中心到環墻逐漸減小，0.5R處地基沉降90 mm，環墻處最小為30 mm(平均)，罐基中心與周邊的沉降差最大值為97 mm，儲罐地基沉降呈內大外小的碟形分布。分層總和法計算罐中心沉降的計算值與實測值比較接近，有限元計算值大于實測值，儲罐地基的沉降變形分布規律與實測值基本一致［12］。

2)儲罐地基沉降隨充水荷載(充水高度h)的增加而增大，沉降增大的幅度也隨著荷載的增加而增大，而且罐基中心與0.5R處的沉降比周邊的沉降增大幅度大，沉降的碟形分布更加明顯(圖7)，卸載后有少量回彈(圖6)。

3)儲罐地基中心處CFG樁測點SP1與樁間土測點SS1的最大沉降值分別為69，110 mm，距儲罐基礎中心0.5R(R為儲罐半徑)處CFG樁測點SP2及樁間土測點SS2的最大沉降分別為55，90 mm，儲罐地基中心處樁與樁間土沉降量分別大于0.5R處樁與樁間土的沉降量。由于CFG樁的模量遠大于樁間土的模量，因此樁間土的變形大于CFG樁的變形，隨著荷載的增加，樁頂向上“刺入”褥墊層，罐基中心及0.5R處的最大上刺入量分別為41，35 mm。

圖7 不同充水高度時罐基沉降分布曲線Fig.7 Settlement distribution curves of storage tank foundation with different water heights

4)儲罐地基CFG樁和樁間土的沉降量及其分布存在差異，說明CFG樁復合地基中CFG樁和樁間土的變形不符合等應變假設，罐基中將會產生土拱效應［12］。樁和樁間土的沉降差導致樁間土上部填料的垂直變形大于樁頂填料的垂直變形，但當填料增加到某一高度時，兩者的沉降相等。為使罐底填料層頂部保持平整，設計時需要控制填料層的厚度，或者說需要控制CFG樁的樁距。

5)泄水后，CFG樁及樁間土均發生回彈，SP1、SS1、SP2、SS2 的 最 大回彈量分別 為 21，19，25，17 mm。2個月后，再次觀測結果顯示樁及樁間土進一步回彈，回彈量分別為 41，24，35，27 mm。不可恢復的變形在總沉降中占了較大比例，充水預壓對CFG樁復合地基進行了有效預壓。

2.3 儲罐地基孔隙水壓力性狀

現場觀測荷載作用下儲罐地基不同深度超靜孔隙水壓力的大小、分布以及消散規律。在充水預壓過程中，罐基中心 (U3)、0.25R(U4)、0.5R(U5)、0.75R(U6)及環墻下 1.0R(U7)等同一測點不同深度土層中的孔隙水壓力的過程線如圖8—圖12所示，沿儲罐徑向不同測點超靜孔隙水壓力的最大值沿深度分布見圖13。從圖8—圖13可以看出：

圖8 測點U3(罐中心)孔隙水壓力過程線Fig.8 Pore water pressure curves of U3(tank center)varied with time

圖9 測點U4(0.25R)孔隙水壓力過程線Fig.9 Pore water pressure curves of U4(0.25R)varied with time

圖10 測點U5(0.5R)孔隙水壓力過程線Fig.10 Pore water pressure curves of U5(0.5R)varied with time

1)儲罐地基9.0～12.0 m深的第④層粉質黏土層在充水荷載作用下產生較大的超靜孔隙水壓力，其增長和消散過程與充水荷載過程相似。

2)充水荷載作用下產生的超靜孔隙水壓力在罐基中心測點 U3為 99.8 kPa，距罐中心(0.5～0.75)R 為 61.1 ～ 66.5 kPa，環 墻 下 測 點 U7 為31.2 kPa，沿儲罐徑向，從罐基中心到環墻，超靜孔隙水壓力最大值逐漸減小。

3)深度9.0～12.0 m的第④層粉質黏土層充水荷載產生的超靜孔隙水壓力明顯大于深度3.5～7.5 m的第③層粉質黏土的超靜孔隙水壓力(圖13)，說明充水荷載作用產生的超靜孔隙水壓力主要取決于土性特別是其滲透特性。由于復合地基中CFG剛性樁的存在，也使附加應力的影響深度增加。

圖11 測點U6(0.75R)孔隙水壓力過程線Fig.11 Pore water pressure curves of U6(0.75R)varied with time

圖12 測點U7(環墻)孔隙水壓力過程線Fig.12 Pore water pressure curves of U7(the ring wall)varied with time

圖13 不同測點超靜孔隙水壓力最大值沿深度分布Fig.13 The distribution of the maximum excess pore water pressure at different measuring points along the depth

4)第⑤層土為有一定厚度的中粗砂，因此第④層粉質黏土充水荷載作用產生的超靜孔隙水壓力隨著卸載而消散。

距罐中心不同距離各測點超靜孔隙水壓力與充水高度的關系曲線見圖14，兩者與距罐中心距離的關系見圖15。可以看出：充水荷載作用下第④層粉質黏土層產生顯著的超靜孔隙水壓力，罐中心超靜孔隙水壓力最大，沿徑向逐漸減小，在距罐中心(0.25～0.75)R范圍內各測點超靜孔隙水壓力相差不大，為儲罐中心的61% ～67%，環墻(1.0R)處最小。充水荷載作用下孔隙水壓力分布基本上與儲罐地基相應深度的附加應力沿徑向變化的規律一致。

圖14 不同測點超靜孔隙水壓力與充水高度的關系曲線Fig.14 Relationship between excess pore water pressure and water filling height at different measuring points

圖15 罐基孔隙水壓力、超靜孔隙水壓力與附加應力的分布Fig.15 The distribution of pore water pressure，excess pore water pressure and additional stress

3 結束語

1)環墻基礎的剛度對其不均勻沉降的調節作用顯著，環墻沉降較均勻。

2)儲罐地基沉降呈內大外小的碟形分布，即中心沉降最大，在罐中心至0.5R范圍內地基土沉降較大且變化幅度不大，0.5R至罐周范圍的地基土沉降逐漸減小，環墻最小。

3)在充水荷載作用下，CFG樁復合地基的CFG樁和樁間土不符合等應變假定，CFG樁發生了明顯的上刺入變形，設計時需要合理控制填料層的厚度或者說CFG樁的樁距。

4)粉質黏土層孔隙水壓力隨著充水荷載的增加逐漸上升，停止充水后逐漸消散，孔隙水壓力增長和消散的過程與充水高度過程線相似。

5)罐基中心粉質黏土層的孔隙水壓力最大，沿徑向逐漸減小，距罐中心(0.25～0.75)R范圍內各測點超靜孔隙水壓力相差不大，環墻處最小，充水荷載作用下孔隙水壓力分布基本上與儲罐地基相應深度的附加應力沿徑向逐漸減小的變化規律一致。

6)在第④層粉質黏土層埋置深度9.0～12.0 m的孔隙水壓力測值要明顯大于其他土層測點的孔隙水壓力測值，說明充水荷載引起的超靜孔隙水壓力主要取決于土層性質特別是其滲透性和充水荷載引起的附加應力。