江 瑋,劉小麗,邵 勇

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京211188；2.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇連云港222006)

軟土場(chǎng)地剛性復(fù)合地基加載試驗(yàn)及數(shù)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(shù)學(xué)院,江蘇南京211188；2.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇連云港222006)

針對(duì)某儲(chǔ)油罐工程剛性復(fù)合地基在試水過(guò)程中沉降過(guò)速且變形不收斂的現(xiàn)狀,對(duì)該復(fù)合地基的失效原因及其承載性狀進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。結(jié)果顯示,工程場(chǎng)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(cè)地基發(fā)生較大變形,形成過(guò)大的沉降差；油罐附近基坑的開(kāi)挖對(duì)地基失效也有一定的影響；復(fù)合地基沉降超過(guò)60 cm時(shí),樁土應(yīng)力比約為7,說(shuō)明復(fù)合地基中樁的效用沒(méi)有得到充分發(fā)揮。

軟土；油罐工程；剛性復(fù)合地基；承載性狀；數(shù)值分析

0 引 言

現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁(PCC)復(fù)合地基在軟土地基處理中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,如江蘇省的鹽通高速、上海市的嘉瀏高速等,為PCC的應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。劉漢龍等[1-4]對(duì)PCC的水平承載特征、負(fù)摩阻力下PCC變形以及褥墊層對(duì)PCC復(fù)合地基的影響的研究認(rèn)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(shí)心樁相比,PCC具有較小的沉降且中性點(diǎn)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(yīng)力比。

本文以工程場(chǎng)地分布有厚層軟土,采用PCC復(fù)合地基的某儲(chǔ)油罐工程為例。在試水過(guò)程中,該地基發(fā)生了較大的變形,且觀測(cè)過(guò)程中未見(jiàn)收斂。本文分析了該油罐復(fù)合地基失效的原因,并建立相應(yīng)數(shù)值模型,對(duì)油罐復(fù)合地基的承載力性狀進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 工程概況

某化工港區(qū)為5萬(wàn)t級(jí)油品泊位,區(qū)內(nèi)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(shè)施。其中,原料油罐區(qū)建有8個(gè)較大油罐。場(chǎng)地土層分布有較厚流塑淤泥,且厚度不均,對(duì)該層軟土處理利用是該工程地基處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。原料油罐區(qū)工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1。從圖1可以看出,地層中分布有厚層淤泥及淤泥質(zhì)粘土,呈軟塑～流塑狀態(tài),且厚度不均。典型土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 地質(zhì)剖面

表1 典型土層物理力學(xué)參數(shù)

針對(duì)工程地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)方案采用φ1 220×150現(xiàn)澆PPC復(fù)合地基,樁長(zhǎng)15 m,復(fù)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(nèi)成圓環(huán)形布置,樁身混凝土等級(jí)為C30,并采用混凝土防腐外加劑。褥墊層采用級(jí)配碎石,最大粒徑不大于50 mm,含泥量不超過(guò)5%,壓實(shí)系數(shù)0.97。

本工程淺層軟土地基承載力約45～55 kPa,設(shè)計(jì)復(fù)合地基承載力達(dá)到250 kPa,處理后地基承載力提高幅度極大。同時(shí),表層軟土壓縮性很高,剛性樁復(fù)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(cè)向變形,無(wú)法與剛性樁共同作用。因此,結(jié)合本工程的荷載條件和場(chǎng)地土層分布特點(diǎn)分析,采用剛性樁復(fù)合地基具有一定的工程風(fēng)險(xiǎn)。

2 加載試驗(yàn)分析

2.1 加載試驗(yàn)概況

油罐施工完畢后,進(jìn)行了充水加載試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)變形觀測(cè),部分油罐沉降異常,編號(hào)為T(mén)17、T19、T20的油罐在試水時(shí)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(chǔ)環(huán)梁甚至出現(xiàn)裂縫,裂縫寬度約1.5 mm；在T18等罐體四周出現(xiàn)了環(huán)向和徑向的裂縫(見(jiàn)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(chǔ)變形數(shù)據(jù)分析

為了分析油罐地基的異常變形,共設(shè)置16個(gè)觀測(cè)點(diǎn),平均分布于罐體四周,整個(gè)觀測(cè)過(guò)程歷時(shí)31 d。觀測(cè)點(diǎn)位見(jiàn)圖3。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)位及油罐位置示意

圖4為T(mén)19罐體9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線。加載量達(dá)50 kPa時(shí)為沖水1/4罐體,100 kPa時(shí)為沖水1/2罐體。從圖4可知,加載量達(dá)100 kPa時(shí),罐體出現(xiàn)異常沉降,隨即進(jìn)行傾罐倒水,并繼續(xù)監(jiān)測(cè)罐體變形情況。

其他罐體加載歷時(shí)沉降曲線與T19類似,故只給出最終的沉降數(shù)據(jù)。圖5為各罐體最終沉降觀測(cè)結(jié)果。其中,T18為未充水觀測(cè)數(shù)據(jù)；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(hào)罐最大沉降為288 mm,T19號(hào)罐為199 mm,T18為98 mm,T17為178 mm。從沉降量來(lái)看,T20、T19號(hào)罐的最大沉降發(fā)生在10號(hào)觀測(cè)點(diǎn)附近,即罐體的北側(cè),罐體向北側(cè)傾斜；而T18、T17號(hào)罐的最大沉降發(fā)生在1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)附近,即罐體的南側(cè),罐體向南側(cè)傾斜。說(shuō)明4個(gè)罐體向中心位置傾斜。

圖5 各觀測(cè)點(diǎn)沉降量

4個(gè)罐體的沉降速率見(jiàn)圖6。從圖6可知,各觀測(cè)點(diǎn)沉降速均位于5 mm/d附近,有一半以上的觀測(cè)點(diǎn)沉降速率大于5 mm/d,說(shuō)明沉降的發(fā)展未見(jiàn)收斂。

圖6 各觀測(cè)點(diǎn)沉降速率

2.3 事故原因分析及處理措施

從該工程地質(zhì)條件、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案及沉降觀測(cè)結(jié)果來(lái)看,此次事故的根本原因?yàn)樵O(shè)計(jì)方案沒(méi)有充分考慮軟土地基的性質(zhì)。本工程地基軟土強(qiáng)度極低,且厚度不均勻。按規(guī)范要求,對(duì)于十字板抗剪強(qiáng)度小于10 kPa的軟土以及橫坡較大的斜坡上的軟土地基,應(yīng)根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。本項(xiàng)目在沒(méi)有可靠經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上盲目選型,最終導(dǎo)致了事故的發(fā)生。事故原因如下：

(1)地基土強(qiáng)度極低,且分布不均勻。在地基處理方案設(shè)計(jì)時(shí)未能充分考慮這一因素,即剛性復(fù)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(chǎn)生基礎(chǔ)的側(cè)向變形。

(2)在采用復(fù)合地基時(shí),未考慮樁體的側(cè)移現(xiàn)象。當(dāng)樁頂?shù)娜靿|層強(qiáng)度不足時(shí)必將產(chǎn)生較大變形,從而導(dǎo)致樁間土變形過(guò)大,增加樁身土壓力,致使樁體發(fā)生側(cè)移[5-7],最終樁體發(fā)生較大的變形。這一點(diǎn)可以從罐體四周產(chǎn)生較大的環(huán)向及徑向裂縫得到印證。

(3)罐體荷載特點(diǎn)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(chǎn)生較大的位移[8-10],這也加劇了樁體的側(cè)向變形。

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

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

3 數(shù)值模擬分析

圖7 數(shù)值模型

數(shù)值計(jì)算模型取T20油罐地基條件,并作適當(dāng)簡(jiǎn)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(wú)約束,采用摩爾-庫(kù)倫模型計(jì)算,土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1,數(shù)值模型見(jiàn)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(shí)體單位模擬,樁周設(shè)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(jì)算時(shí),先施加1/4水位荷載即50 kPa。樁體及褥墊層沉降云圖見(jiàn)圖8。從圖8可以看出,整體結(jié)構(gòu)呈傾斜狀,模型右側(cè)即軟土較厚一側(cè)最大沉降達(dá)665.81 mm,模型左側(cè)僅為215.76 mm,沉降差為450.05 mm,存在傾覆的可能。該沉降數(shù)據(jù)為計(jì)算至穩(wěn)定的結(jié)果,較實(shí)測(cè)沉降量大得多。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為充水至1/4罐體條件下,后又傾罐倒水,加載歷時(shí)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(yīng)力云圖。從圖9可以看出,在樁體下部分布有較大剪應(yīng)力,說(shuō)明軟土工程性質(zhì)較差,上部荷載傳遞下來(lái)的剪應(yīng)力將主要集中在樁體下部。這是因?yàn)樵跇扼w上部，樁體及土體位移均較大,其相對(duì)位移較小,因此樁土之間的剪應(yīng)力也較小。而在樁體下部,樁土相對(duì)位移較大,即樁體沉降大于土體沉降,故樁土之間的剪應(yīng)力也較大。

圖9 樁土接觸面剪應(yīng)力云圖(單位：kPa)

圖10 樁土應(yīng)力對(duì)比

圖10為樁頂應(yīng)力及相應(yīng)位置土體應(yīng)力對(duì)比。其中,觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)模型中16根樁,順序?yàn)樽宰笙蛴?可對(duì)應(yīng)圖7)。從圖10可以看出,樁頂應(yīng)力隨著位移增大而增大,這是因?yàn)榛A(chǔ)整體的沉降差較大,發(fā)生了嚴(yán)重的傾斜,導(dǎo)致右側(cè)樁體承受較大的應(yīng)力。樁土應(yīng)力比也呈增加趨勢(shì),即右側(cè)大于左側(cè),與整體位移相對(duì)應(yīng)。應(yīng)力比在6～8之間,說(shuō)明復(fù)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(guān)。

圖11為樁頂沉降及相應(yīng)位置土體沉降對(duì)比。從圖11可知,1～8號(hào)觀測(cè)點(diǎn)樁土沉降差位于30 mm附近,9～16號(hào)位于80 mm附近。整體沉降越大,樁土沉降差越大,說(shuō)明樁土變形呈非均勻性。

圖11 樁土沉降對(duì)比

此外,罐體北側(cè)(數(shù)值模型中右側(cè))的基坑開(kāi)挖對(duì)罐體的變形有一定影響,罐體南側(cè)沉降未有變化,而罐體北側(cè)樁體最大沉降由665.81 mm增加至727.73 mm,放大約9.3%?；娱_(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖12。

圖12 基坑開(kāi)挖

從數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)看,油罐地基土的工程性質(zhì)較差是該工程地基失效的內(nèi)在原因,特別是地基土的不均勻性致使樁體沉降差達(dá)450.05mm。因此,在厚層軟土分布地區(qū)復(fù)合地基的應(yīng)用宜加強(qiáng)設(shè)計(jì),如在軟土較厚地段增加樁長(zhǎng)或加強(qiáng)褥墊層等，避免因地基的非均勻性而導(dǎo)致異常沉降。此外,附近基坑工程的擾動(dòng)也是該工程地基失效的原因之一。該基坑采用鋼板樁支護(hù),開(kāi)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(dá)223mm,對(duì)油罐地基存在一定擾動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某儲(chǔ)油罐工程地基失效原因及數(shù)值模擬分析,得到以下結(jié)論：

(1)軟土地區(qū)采用復(fù)合地基時(shí)，應(yīng)充分探明場(chǎng)地工程地質(zhì)條件,如軟土厚度分布、力學(xué)性質(zhì)等,對(duì)不均勻地段采取相應(yīng)措施。

(2)軟土場(chǎng)地中采用樁基礎(chǔ)時(shí),應(yīng)考慮其側(cè)向變形問(wèn)題,在承受均布荷載或臨近存在擾動(dòng)荷載時(shí)，樁體易向四周發(fā)生側(cè)移,從而導(dǎo)致地基失穩(wěn)。

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

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(責(zé)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(shè)系統(tǒng)科技項(xiàng)目(2015ZD37)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015-K3-023)；江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(2014-JZ-016)

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

TU473.11

A

0559-9342(2017)02-0027-04