朱橋川，朱亞?wèn)|，王治軍，侯大勇，戴自航

(1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018；2.中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院， 安徽 合肥 230023；3.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108)

陜甘黃土高原濕陷性黃土結(jié)構(gòu)疏松，遇水濕陷、受水侵蝕顯著，極易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。這些自然地理和地質(zhì)條件造成了黃土洞穴廣泛分布，幾乎隨處可見(jiàn)[4]。

隨著油田站場(chǎng)地面工程建設(shè)，不可避免的會(huì)遇到各種安全隱患，黃土洞穴就是其中之一。黃土洞穴可分為明洞穴和暗洞穴[5]。當(dāng)黃土暗穴剛好在建構(gòu)筑物下方或臨近時(shí)，將可能導(dǎo)致地基承載力不足而引起地基失穩(wěn)或出現(xiàn)過(guò)大不均勻沉降導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞[6]。因此，如何合理評(píng)價(jià)這種情況下黃土洞穴地基的穩(wěn)定性是油田站場(chǎng)工程設(shè)計(jì)面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

對(duì)于普通地基的極限承載力已有成熟的理論計(jì)算方法[7]。然而，目前對(duì)于下伏洞穴地基承載力的計(jì)算，主要是參照相關(guān)規(guī)范[8-9]中給出的一些建議，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。這些評(píng)價(jià)方法主要考慮土層厚度的影響，未考慮洞穴的尺寸及形狀的影響。由于影響因素和邊界條件的復(fù)雜性，目前對(duì)于下伏洞穴地基極限承載力、洞穴頂板安全厚度及洞穴與基礎(chǔ)的安全距離的定量計(jì)算尚未有成熟的理論方法。

要可靠地建立上述問(wèn)題的理論解是相當(dāng)困難的，人們主要從試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段開(kāi)展了一些研究。Baus等[10]、Al-Tabbaa等[11]開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)研究空洞上方條形基礎(chǔ)地基承載力；陽(yáng)軍生等[12]分析采用圓形基礎(chǔ)條件下溶洞上方地基的承載力的影響因素；范夏玲等[13]對(duì)室內(nèi)模型試驗(yàn)[14]進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證有限元法進(jìn)行洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的可靠性；盧曉明[15]采用上限有限元法對(duì)地基破壞時(shí)的極限狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。然而，針對(duì)油田站場(chǎng)建構(gòu)筑物基礎(chǔ)下伏黃土洞穴的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方面的研究鮮有報(bào)道。為此，在西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司立項(xiàng)支持下開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)黃土洞穴的平板載荷試驗(yàn)，并通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了采用三維有限元法模擬分析上述問(wèn)題的可行性，這方面的研究工作已另文論述，本文主要介紹采用有限元法對(duì)某些典型建構(gòu)筑物基礎(chǔ)下伏黃土洞穴地基穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 條形基礎(chǔ)下伏洞穴地基穩(wěn)定性分析

圖1所示某油田站場(chǎng)機(jī)房前暴露出的一黃土暗穴。如果暗穴處在機(jī)房條形基礎(chǔ)下方，則可能在墻體荷載作用下失穩(wěn)塌陷，進(jìn)而引起基礎(chǔ)及墻體開(kāi)裂或破壞，因此，有必要采用數(shù)值模擬方法分析條形基礎(chǔ)下不同埋深、不同大小和位置的黃土洞穴地基的穩(wěn)定性。

圖1 黃土暗穴在車輛壓陷后暴露出來(lái)

1.1 條形基礎(chǔ)下洞穴穩(wěn)定性受其埋深影響分析

實(shí)際黃土地區(qū)受潛蝕等原因形成的黃土洞穴可能呈各種形狀，但因“土拱效應(yīng)”使得近似橢球狀洞穴最為常見(jiàn)，基于此，并顧及數(shù)值建模的方便，本文分析將黃土洞穴均假設(shè)為橢球狀，并將橢球的長(zhǎng)、中長(zhǎng)和短軸分別定義為跨度l、高度h和厚度t(文中取h=t)，其與條形基礎(chǔ)的位置如圖2所示，圖中H為洞頂最高處與基礎(chǔ)底部的距離，即洞穴相對(duì)于基礎(chǔ)的埋深或稱洞穴的頂板厚度。

根據(jù)圖1所示站場(chǎng)機(jī)房基礎(chǔ)情況，取條形基礎(chǔ)長(zhǎng)度為6 m，基底寬度1.2 m，埋深1 m，基礎(chǔ)上部墻體厚0.4 m。今假設(shè)有一尺寸為l×h×t=3 m×2 m×2 m的橢球形洞穴，并分別取H=1 m、2 m、3 m、4 m、5 m以探討洞穴埋深對(duì)其穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)大量試建模分析，綜合考慮計(jì)算規(guī)模和模型邊界尺寸對(duì)模擬結(jié)果的影響，數(shù)值模型的長(zhǎng)度取12 m，寬度取10 m，深度取至洞穴底以下3 m可保證計(jì)算結(jié)果的精度。圖3所示為洞穴埋深H=2 m時(shí)的幾何模型和采用10結(jié)點(diǎn)修正二次四面體單元(C3D10M)進(jìn)行的網(wǎng)格劃分，為直觀展現(xiàn)基礎(chǔ)與洞穴的關(guān)系，該圖展示的是對(duì)稱剖分的半個(gè)模型。條形基礎(chǔ)按通常采用的鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)考慮，其與土體間相互作用按庫(kù)侖摩擦接觸模擬，取二者間的摩擦系數(shù)μ=0.2。

圖2 條形基礎(chǔ)下伏洞穴示意圖

圖3 幾何模型及網(wǎng)格劃分

土體按摩爾-庫(kù)侖理想彈塑性材料來(lái)模擬，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)由現(xiàn)場(chǎng)采集的原狀土樣的室內(nèi)三軸不排水試驗(yàn)獲得，變形模量或彈性模量E由平板載荷試驗(yàn)p-s關(guān)系曲線求得，泊松比ν根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，剪脹角ψ按孔位學(xué)等[16]的研究取為內(nèi)摩擦角的一半；基礎(chǔ)按常用的C30混凝土材料考慮，并按線彈性材料模擬，相應(yīng)彈性參數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范[17]取值。以上參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 土層及基礎(chǔ)材料參數(shù)

考慮為建筑荷載，數(shù)值模擬中，設(shè)基底附加壓力從200 kPa開(kāi)始，按每級(jí)50 kPa增加，最大加至500 kPa結(jié)束。因基礎(chǔ)上部墻體寬度是基底寬度的三分之一，因此，實(shí)際模擬是通過(guò)等效地在基礎(chǔ)上部墻體表面施加上述3倍的均布?jí)毫Α?/p>

圖4為該洞穴不同埋深時(shí)的荷載-沉降(p-s)曲線，為了對(duì)比，圖中還提供了假設(shè)無(wú)洞穴情況下的p-s曲線，顯然各級(jí)荷載下，其沉降量是最小的。同時(shí)，從p-s曲線圖可判斷，該洞穴埋深為1 m、2 m和3 m的情況下，當(dāng)基底附加壓力分別達(dá)到300 kPa、400 kPa和500 kPa時(shí)均處于即將失穩(wěn)破壞狀態(tài)，以洞穴埋深1 m為例，失穩(wěn)破壞原因如圖5所示，此時(shí)基礎(chǔ)邊緣至洞頂兩側(cè)塑性剪切帶已貫通，即將發(fā)生剪切塌陷破壞，若按破壞荷載的前一級(jí)荷載作為極限承載力的話，相應(yīng)的地基極限承載力分別為250 kPa、350 kPa和450 kPa，表明洞穴尺寸一定時(shí)均質(zhì)黃土洞穴地基的極限承載力與洞穴和基底的相對(duì)埋深成正比。但是，當(dāng)該洞穴埋深為4 m和5 m時(shí)即使加載至500 kPa也未發(fā)生失穩(wěn)，但洞穴的存在對(duì)基礎(chǔ)的沉降仍有影響，且影響程度隨荷載的增大而增大，隨著埋深的增加而減小。

圖4 下伏不同埋深洞穴的基礎(chǔ)p-s曲線

圖5 H=1 m極限荷載下地基的等效塑性應(yīng)變等值云圖

圖6所示為洞穴在基底以下1 m深時(shí)，加載到失穩(wěn)破壞荷載300 kPa時(shí)的沉降等值云圖，可以看出此時(shí)洞頂最高處的沉降最大，達(dá)402.7 mm，遠(yuǎn)較基礎(chǔ)沉降151.8 mm大。這與無(wú)洞穴情況(見(jiàn)圖7)總是基礎(chǔ)及基底處土體的沉降最大是不同的，其原因是當(dāng)附加應(yīng)力傳遞到洞頂無(wú)約束的臨空面時(shí)易產(chǎn)生較大沉降，且二者沉降分布云圖有明顯區(qū)別。

圖6 H=1 m時(shí)極限荷載下沉降等值云圖

圖7 無(wú)洞穴時(shí)500 kPa荷載下沉降等值云圖

1.2 條形基礎(chǔ)下洞穴穩(wěn)定性受其大小影響分析

橢球形洞穴的大小以其長(zhǎng)軸或跨度l來(lái)表征，現(xiàn)假設(shè)分析不同跨度但高跨比h/l=2∶3且埋深相同的不同大小洞穴地基的穩(wěn)定性，如假設(shè)基礎(chǔ)下伏一個(gè)埋深3 m的黃土洞穴，高度分別取h=1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m，對(duì)應(yīng)跨度分別為l=1.50 m、2.25 m、3.00 m、3.75 m。建模方法與材料參數(shù)同表1。

圖8所示為下伏跨度l=3.75 m(尺寸3.75 m×2.5 m×2.5 m)的洞穴當(dāng)荷載加至350 kPa時(shí)模型的沉降等值云圖。顯然，洞頂附近的沉降仍顯著大于基礎(chǔ)的沉降，且由圖9曲線可見(jiàn)，當(dāng)荷載達(dá)到350 kPa時(shí)，基礎(chǔ)沉降驟降，洞穴地基的極限承載力為300 kPa。同時(shí)，由該圖可見(jiàn)，當(dāng)洞穴跨度l=1.5 m時(shí)，沉降接近無(wú)洞穴地基的情況，荷載達(dá)到500 kPa時(shí)，沉降僅相差15.5%，表明在這一深度下伏跨度1.5 m及以下的小洞穴對(duì)地基沉降和承載力的影響可忽略。然而，當(dāng)荷載達(dá)到350 kPa時(shí)，洞穴跨度從3.00 m到3.75 m，雖然只增大了0.75 m，但是沉降卻是大幅度增加，說(shuō)明一定埋深下，當(dāng)洞穴跨度達(dá)到一定值時(shí)，地基承載力會(huì)大幅減小，洞穴穩(wěn)定性會(huì)顯著降低。

圖8 l=3.75 m和H=3 m時(shí)350 kPa荷載下沉降等值云圖

圖9 不同l和H=3 m時(shí)的基礎(chǔ)p-s曲線

1.3 條形基礎(chǔ)下洞穴穩(wěn)定性受其位置影響分析

以上模擬均只考慮洞穴處于基礎(chǔ)以下最不利位置，亦即洞穴在跨度方向?qū)ΨQ位于條形基礎(chǔ)正下方，而實(shí)際工程中洞穴的位置可能是任意地偏離基礎(chǔ)。直觀上可定性的判斷，對(duì)于一定大小和埋深的黃土洞穴，其偏離基礎(chǔ)越遠(yuǎn)越安全，洞穴自身穩(wěn)定性也越高。以下采用數(shù)值模擬手段對(duì)此進(jìn)行定量上的分析。

現(xiàn)取洞穴的尺寸同1.1節(jié)，即l×h×t=3 m×2 m×2 m，假設(shè)洞穴相對(duì)基底埋深為2 m，而洞穴中心偏離過(guò)基底中心鉛垂線的距離D分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m。

圖10為D=3 m時(shí)洞穴荷載加至500 kPa時(shí)的沉降等值云圖?？梢钥闯龌A(chǔ)的沉降與洞穴左上部沉降有關(guān)，但最大沉降出現(xiàn)在基礎(chǔ)底部，僅為44.9 mm，與無(wú)洞穴時(shí)基礎(chǔ)沉降33.3 mm相比較小。洞穴最大沉降出現(xiàn)在左上角，而非洞穴正上方頂部。

圖11繪出了上述不同偏離距離情況的p-s曲線。顯然，隨著偏離距離的增大，基礎(chǔ)的沉降逐漸減小，地基承載力逐漸恢復(fù)至無(wú)洞穴均質(zhì)天然地基的承載力，也表明當(dāng)洞穴偏離到一定距離時(shí)，洞穴穩(wěn)定性受建筑荷載的影響很小甚至無(wú)影響。

圖10 D=3 m和H=2 m時(shí)500 kPa荷載下沉降等值云圖

圖11 不同D時(shí)的基礎(chǔ)p-s曲線

1.4 條形基礎(chǔ)下洞穴穩(wěn)定性受其形狀影響分析

在以上模擬分析中，黃土洞穴的形狀相同，即橢球長(zhǎng)短軸或高跨比均為2∶3。而實(shí)際調(diào)查可知，橢球狀的洞穴會(huì)有不同的高跨比。所做的黃土洞穴塌陷試驗(yàn)表明，洞穴的穩(wěn)定性受其跨度或形狀的影響。在荷載或自重的作用下，土體發(fā)生壓縮和變形，從而產(chǎn)生不均勻沉降，致使土顆粒間產(chǎn)生互相“楔緊”的作用，于是在一定范圍土層中產(chǎn)生“拱效應(yīng)”[18]，不同高跨比的洞穴穩(wěn)定性有所不同。

現(xiàn)仍假設(shè)洞穴埋深為2 m，為使具有可比性，設(shè)各洞穴的體積，即大小一樣，但高跨比分別為h/l= 1∶2、2∶3、1∶1、1.5∶1、2∶1。當(dāng)h/l=1∶1時(shí)，洞穴取為直徑2 m的球形洞穴；按與此球形洞穴體積相等的原理，則當(dāng)h/l=1∶2時(shí)，橢球形洞穴尺寸約為3.17 m×1.59 m×1.59 m；當(dāng)h/l=2∶3時(shí)，橢球形洞穴尺寸約為2.62 m×1.75 m×1.75 m；當(dāng)h/l=3∶2和h/l=2∶1時(shí)實(shí)際相當(dāng)于分別將h/l=2∶3和h/l=1∶2的橢球形洞穴旋轉(zhuǎn)90°，長(zhǎng)軸沿著深度方向而已。

圖12繪出了上述幾種情況的p-s曲線。隨著高跨比的增大，在一定荷載下，基礎(chǔ)沉降逐漸減小；對(duì)于h/l=1∶2和h/l=2∶3的洞穴，荷載加至450 kPa時(shí)，洞穴頂部發(fā)生嚴(yán)重變形，計(jì)算不收斂，地基極限承載力為400 kPa；對(duì)于h/l=3∶2和h/l=2∶1的洞穴，荷載加至500 kPa依然能收斂，與h/l=2∶3和h/l=1∶2的相差較大。表明，相同埋深和體積的洞穴，高跨比越小，穩(wěn)定性越差。

圖12 不同h/l時(shí)的基礎(chǔ)p-s曲線

2 環(huán)墻基礎(chǔ)下伏洞穴穩(wěn)定性分析

在油田站場(chǎng)除了有廠房建筑，還有許多大型鋼制儲(chǔ)油罐(見(jiàn)圖13)等構(gòu)筑物。下文以某站場(chǎng)直徑12 m大型儲(chǔ)油罐為例，分析其下伏洞穴的穩(wěn)定性，油罐基礎(chǔ)為鋼筋混凝土環(huán)墻基礎(chǔ)，混凝土等級(jí)亦為C30，基礎(chǔ)內(nèi)外半徑分別為5 m和6 m(即基礎(chǔ)寬度1 m)，基底埋深1 m。在地基極限承載力范圍內(nèi)，在環(huán)墻基礎(chǔ)和環(huán)墻內(nèi)土體上施加360 kPa均布荷載，土體和環(huán)墻材料參數(shù)及模擬方法同上。

圖13 某站場(chǎng)典型的建構(gòu)筑物

2.1 環(huán)墻基礎(chǔ)下洞穴穩(wěn)定性受其埋深和大小影響分析

設(shè)有高跨比h/l仍為2∶3但埋深和大小不同的橢球狀洞穴，洞穴中心位于過(guò)環(huán)形基礎(chǔ)中心的鉛垂線上，以2 m為深度增量，分析不同大小洞穴的穩(wěn)定性，如模擬得到當(dāng)洞穴尺寸為1.5 m×1 m×1 m，埋深2 m時(shí)是不穩(wěn)定的，但埋深4 m時(shí)是穩(wěn)定的，在這一深度將洞穴尺寸增大至3 m×2 m×2 m時(shí)是不穩(wěn)定的，而埋深增至6 m時(shí)是穩(wěn)定的，如此等等。顯然，洞穴尺寸越大，只有埋深越大才能保證其穩(wěn)定性。圖14所示為環(huán)墻基礎(chǔ)下伏尺寸為6 m×4 m×4 m的大洞穴情況三維模型及網(wǎng)格劃分，模擬分析表明，當(dāng)其埋深在12 m尚是不穩(wěn)定的，但埋深達(dá)到14 m時(shí)是穩(wěn)定的。圖15和圖16所示為該條件下的沉降和塑性區(qū)的分布。從圖15可見(jiàn)，考慮環(huán)墻基礎(chǔ)與其內(nèi)部土體共同分擔(dān)油罐荷載的實(shí)際情況下，環(huán)墻中心處土體沉降最大，約為71.1 mm，而洞穴頂部最大沉降約26.8 mm。這與前述條形基礎(chǔ)下洞頂處有最大沉降的規(guī)律是不同的。從圖16可見(jiàn)，在靠近環(huán)墻基礎(chǔ)內(nèi)外及基礎(chǔ)下方的地基土中出現(xiàn)了塑性區(qū)，洞穴周邊也出現(xiàn)了塑性區(qū)，但是上下塑性區(qū)還遠(yuǎn)未貫通，地基還未達(dá)到剪切塌陷的臨界狀態(tài)，因而在該深度下洞穴處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖14 環(huán)墻基礎(chǔ)下伏洞穴模型及網(wǎng)格劃分

圖15 l=6 m和H=14 m時(shí)360 kPa荷載下沉降等值云圖

表2列出了按上述方法分析的不同埋深和大小的若干洞穴的穩(wěn)定狀況。可見(jiàn)在此案例條件下相同埋深不同大小洞穴的穩(wěn)定性，以及相同大小不同埋深洞穴的穩(wěn)定性，可供類似條件下洞穴對(duì)大型儲(chǔ)油罐地基承載力影響評(píng)估時(shí)參考。

圖16 l=6 m和H=14 m時(shí)360 kPa荷載下等效塑性應(yīng)變等值云圖

表2 案例中不同洞穴穩(wěn)定性狀況匯總

2.2 環(huán)墻基礎(chǔ)下洞穴穩(wěn)定性受其偏離位置的影響

上一小節(jié)模擬是針對(duì)洞穴下伏于環(huán)墻基礎(chǔ)中心正下方的情況，同樣對(duì)實(shí)際工程中洞穴可能任意地偏離基礎(chǔ)中心線的情況進(jìn)行模擬分析。以6 m×4 m×4 m的大洞穴為例，上面的分析表明，當(dāng)其處于基礎(chǔ)正下方12 m時(shí)是不穩(wěn)定的，現(xiàn)假設(shè)其埋深不變，但中心以每3 m增量逐漸遠(yuǎn)離正下方，分析得到直至D=12 m時(shí)的沉降和塑性區(qū)的分布分別如圖17和18所示。

從圖17可見(jiàn)，與圖15洞穴處于基礎(chǔ)中心正下方相比，無(wú)論是基礎(chǔ)的沉降還是洞穴頂部的沉降都是非對(duì)稱的，洞穴頂點(diǎn)處沉降小于洞穴左上部沉降，隨著偏離距離越遠(yuǎn)，洞穴頂部沉降越來(lái)越小，表明洞穴受基礎(chǔ)荷載影響越來(lái)越小。從圖18可見(jiàn)，當(dāng)洞穴偏離3 m時(shí)洞頂與基礎(chǔ)兩側(cè)仍形成了非對(duì)稱的兩條塑性剪切帶，表明洞穴將沿這兩條剪切帶發(fā)生塌陷破壞；當(dāng)洞穴偏離6 m時(shí)，洞頂與基礎(chǔ)間僅形成了一條塑性剪切帶，而且有趣的是這條剪切帶不是出現(xiàn)在洞穴右端或左端與其上方的右側(cè)環(huán)墻基礎(chǔ)間，而是出現(xiàn)在洞穴左端與其遠(yuǎn)離的左側(cè)環(huán)墻基礎(chǔ)間，這一現(xiàn)象一直到洞穴偏離9 m，即整個(gè)洞穴剛好完全偏出右側(cè)環(huán)墻基礎(chǔ)外邊緣線正下方時(shí)，表明洞穴可沿這條剪切帶發(fā)生破壞，這也與圖17所示遠(yuǎn)離洞穴的左側(cè)基礎(chǔ)的沉降大于近側(cè)(右側(cè))沉降的現(xiàn)象相

圖17 不同D時(shí)360 kPa荷載下沉降等值云圖

對(duì)應(yīng)。分析認(rèn)為這是由于橢球狀洞穴的拱作用效應(yīng)使得其剪切塑性區(qū)最易從較薄弱的長(zhǎng)軸兩端附近發(fā)展，并在臨界狀態(tài)下與基礎(chǔ)兩側(cè)的塑性區(qū)貫通，這從前面洞穴無(wú)偏離的條形基礎(chǔ)和環(huán)墻基礎(chǔ)的情況均可看到，然而，當(dāng)洞穴的右端偏離出環(huán)墻基礎(chǔ)右側(cè)時(shí)，洞穴較薄弱的長(zhǎng)軸右側(cè)所承受的附加應(yīng)力逐漸減小，因而右側(cè)向上可能發(fā)展的塑性區(qū)越來(lái)越小(見(jiàn)圖18(b)—圖18(d))，但洞穴較薄弱的長(zhǎng)軸左側(cè)仍承受較大的附加應(yīng)力，塑性區(qū)仍可較大的向左上方發(fā)展，而右側(cè)環(huán)墻基礎(chǔ)雖離洞穴左端較近，但該側(cè)基礎(chǔ)以下地基土中的塑性區(qū)發(fā)展有限，最終出現(xiàn)上述現(xiàn)象。當(dāng)洞穴繼續(xù)偏離至12 m時(shí)，洞穴左端邊緣已經(jīng)超出環(huán)墻基礎(chǔ)最右邊3 m，在環(huán)墻基礎(chǔ)內(nèi)外邊緣及其下地基土中出現(xiàn)了弧形塑性區(qū)，但它們并未貫通，雖然受基礎(chǔ)荷載的影響洞穴周圍仍出現(xiàn)了局部塑性區(qū)，但與基礎(chǔ)下方地基土中的塑性區(qū)未連通，說(shuō)明此時(shí)洞穴對(duì)上部基礎(chǔ)的影響可忽略，該洞穴自身也是穩(wěn)定的。

圖18 不同D時(shí)360 kPa荷載下等效塑性應(yīng)變等值云圖

3 環(huán)墻+筏板基礎(chǔ)下伏洞穴穩(wěn)定性分析

實(shí)際工程中，當(dāng)油田站場(chǎng)儲(chǔ)油罐特別高、容量特別大而地基承載力較低時(shí)，常采用環(huán)墻+筏板甚至是環(huán)墻+筏板+樁基的形式來(lái)承載。下面僅探討環(huán)墻+筏板的形式，設(shè)計(jì)中常使鋼筋混凝土筏板底與環(huán)墻底標(biāo)高相同，筏板上回填土+砂墊層+瀝青砂絕緣層，作為鋼制油罐底板緩沖層，但為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，數(shù)值模擬分析中視之與地基土相同，因其厚度有限，對(duì)分析計(jì)算結(jié)果影響不大。圖19為含筏板的環(huán)墻基礎(chǔ)與洞穴的網(wǎng)格模型。

由上節(jié)的分析已知，當(dāng)洞穴尺寸為6 m×4 m×4 m，處于環(huán)墻基礎(chǔ)中心正下方14 m時(shí)是穩(wěn)定的，但若該洞穴埋深12 m時(shí)是不穩(wěn)定的。現(xiàn)針對(duì)該洞穴埋深12 m情況，假設(shè)采用環(huán)墻+筏板基礎(chǔ)分析得到：當(dāng)在環(huán)墻和內(nèi)部土體上施加360 kPa均布荷載后，在環(huán)墻中心處土體沉降最大，約為67.5 mm，相比于無(wú)筏板基礎(chǔ)的72.1 mm，減小了4.6 mm，洞穴上方最大沉降為33.7 mm，比無(wú)筏板基礎(chǔ)減小4.5 mm，表明相同工況下加設(shè)筏板可減小基礎(chǔ)的沉降。此情況下地基中的塑性區(qū)分布如圖20所示。

圖19 環(huán)墻+筏板基礎(chǔ)下伏洞穴模型及網(wǎng)格劃分

圖20 H=12 m時(shí)360 kPa荷載下等效塑性應(yīng)變等值云圖

可見(jiàn)雖然在基礎(chǔ)兩側(cè)下方及洞穴兩端上方出現(xiàn)了較大范圍的剪切塑性區(qū)，但上下塑性區(qū)并未完全貫通，洞穴仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明環(huán)墻+筏板的基礎(chǔ)有助于提高洞穴地基的承載力和洞穴的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

為探究黃土洞穴對(duì)油田站場(chǎng)選址和建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)承載力和穩(wěn)定性的影響，本文分別針對(duì)條形基礎(chǔ)、環(huán)墻基礎(chǔ)、環(huán)墻+筏板基礎(chǔ)下伏黃土洞穴地基的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析研究，可得出以下結(jié)論：

(1) 洞穴的埋深、大小、位置、形狀等因素對(duì)洞穴地基的穩(wěn)定性和承載力都有著顯著影響。當(dāng)洞穴埋深越小、尺寸越大、與基礎(chǔ)相距越近、高跨比越小，洞穴地基的穩(wěn)定性越低，地基承載力越小，基礎(chǔ)沉降越大。

(2) 均質(zhì)地基存在位于基礎(chǔ)正下方的橢球狀洞穴時(shí)，地基的失穩(wěn)往往是由于基礎(chǔ)兩側(cè)與洞穴兩端地基土中兩條對(duì)稱剪切塑性帶貫通以致發(fā)生剪切塌陷破壞造成的；當(dāng)洞穴偏離基礎(chǔ)正下方一定距離時(shí)，地基的失穩(wěn)僅是由于基礎(chǔ)一側(cè)與洞穴一端地基土中的一條剪切塑性帶貫通發(fā)生剪塌破壞造成的，而且對(duì)于環(huán)墻基礎(chǔ)，這條貫通的剪切帶是出現(xiàn)在遠(yuǎn)側(cè)基礎(chǔ)下與其較近的洞頂?shù)鼗林?，而非出現(xiàn)在近側(cè)基礎(chǔ)下與其較近的洞頂?shù)鼗林小?/p>

(3) 下伏洞穴地基極限承載力、洞穴頂板安全厚度(即埋深)以及洞穴與基礎(chǔ)的安全距離可通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬分析得到的基礎(chǔ)沉降和地基土塑性區(qū)分布來(lái)確定，亦即以基礎(chǔ)的沉降不受洞穴影響或者影響程度很小以及不會(huì)出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)來(lái)確定。

(4) 洞穴地基的穩(wěn)定性也受基礎(chǔ)形式影響，對(duì)于相同埋藏和荷載條件的洞穴，環(huán)墻+筏板基礎(chǔ)的地基穩(wěn)定性高于環(huán)墻基礎(chǔ)。