（岩土工程专业论文）扩顶cfg桩复合地基在石油储罐地基处理中的应用研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 大型储罐是石油、化工等工业中是使用量大而广的特殊设备，目前这类储罐在冶金、 电力、医药、食品等工业中也广泛的应用。储罐的特点是直径大，载荷重，因而对地基 和基础设计有特殊的要求，而且为了运输方便一般情况下储罐都建在沿海港口地区，辽 宁营口一带地基土为新近堆积的欠固结土，含水量高，压缩性大，抗剪强度低，渗透性 差，承载力一般在6 0 9 0 k p a 之间，为典型的复杂软弱地基，需要进行地基处理。为此 本文结合辽宁营口某石油储罐的实际工程提出了扩顶c f g 桩复合地基这种新型的地基处 理技术，希望能为今后该地区或同类工程中选择合理的地基处理方法提供一些理论支持 和工程借鉴。 本文的主要内容包括以下四个方面：首先应用弹性理论对扩顶c f g 桩土相互作用进 行了线性理论分析。然后依据实际工程背景运用f l a c 3 d 数值计算软件对普通c f g 桩 和扩顶c f g 桩进行桩体轴向应力、侧摩阻力和沉降量的对比分析，并对扩顶c f g 桩复 合地基在不同载荷作用下的桩体应力分布状况和复合地基的沉降性状进行研究，同时计 算出最佳扩顶半径比。其次对复合地基的褥垫层和土工格栅技术进行了数值模拟分析， 研究表明复合褥垫层技术能有效改善复合地基的桩土应力比，充分发挥桩体的承载力， 减小复合地基的整体沉降和不均匀沉降，避免了桩体大量向上刺入的危险，对提高储罐 基础的安全性和稳定性效果显著。最后结合工程现场静载荷试验和预埋土压力盒等试验 数据与理论推导和数值模拟的结果相对比，说明扩顶c f g 桩复合地基适用于此类工程并 有较好的处理效果。 关键词：石油储罐，扩顶c f g 桩，复合地基，f l a c ，负摩擦力，褥垫层 北京科技大学硕士学位论文 t h es t u d yo na p p f i c a t i o no fe x p a n d - t o pc f gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n i no i ls t o r a g et a n k sf o u n d a t i o n t r e a t m e n t l a r g et a u k s 黜w i d e l ya p p l i e di nt h ep e l r o la n dc h e m i c a li n d u s t r i e s a n dn o w , t h i st y p eo f t a n ki sa l s ob r o a d l yu s e di nt h e m e t a l l u r g i c a l , d e c t n c 面, p h a r m a c e u t i c a la n df o o di n d t k 曲 i e s t h e f e a t u r eo f t h et a n k si ss i g n i f i c a n tw h i c hh a sl a r g ed i a m e w ra n dh e a v y w e i g h t s ot h e r em u s tb ea s p e c i a ld e m a n da n dd e s i g nf o rt h eg r o u n da n df o u n d a t i o n t h ef o u n d a t i o ns o i lc o u l db e i d 伽矗丘。da st h er e c e n t l yd e p o s i t e dp r e - c o n s o l i d a t e ds o i li nt h ea r e ao fy i n g k o u , l i a o n i n g p r o v i n c e t h es o i lc 锄b ec l a s s i f i e d 鹤t h et y p i c a lc o m p l i c a t e ds o f tg r o u n dw h i c hh a st h e c h a r a c t e ro f t h eh i g hw a t e rc o n t e n t , l a r g e 伽啪删b i l i 魄l o ws l l 翻r 蚰旧1 9 m ，p o o rp e n e t r a b i l i t y a n db e a r i n gc a p a c i t yf r o m6 0 k p at o9 0 k p a h e n c et h es o i l s 拼i c i l yn e e d st ob ei m p r o v e d t h e r e f o r e , a c c o r d i n g t o a p e t r o l t a n k i n l i a u n i n g ，t h e a u t h o r p u t s f o r w a r d a n e w t e c h n o l o g y f o r d i s p o s i n g t h eg r o u n a - - u , m p o u n df o u n d a t i o nw i t ht h ec f g p i l ew h i c hh a st h ee n l a r g e dc a p i t i sh o p e df o rp r o v i d i n gs o m et h e o r e t i c a ls u p p o r ta n dc o i i s u u c t i o l lr e f e r e n c e sf o rg e t t i n gt h e r e a s o n a b l e g r o u n d d i s p o s e d m e t h o d i n t h e 萄n l i l 缸a 嘲o r p r o j e c t i n t h e f u t u r e t h i s i n k i e r h a s b e e a c o m p o s e d o f f o u r a s p e c t s r i r s a y , t h e l i n e a r t h e o r e d c a i a n a b s i s o f t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ea i l 蜀哩p 州p i l ea n ds o i li sm a d ew i t ht h et h e o r yo f t h ee l a s t i ct h e o r y a n dt h ec o n s u m e dl o a dt r a n s f e r r i n gf u n c t i o n s e c o n d l y , t h ep a p e rh a su s e dt h ef l a cs o f l w m e t o0 0 咖p a t h ev o l u m e - s t r e s sf e a t u r ew i t ht h ev o l u m e - s e t t l e m e n tf e a t u r eb e t w e e nt h en o f f n a l c f g p i l ea n de n l a r g e d - c a pc f gp i l eo nt h eb a s i so f t h ep r o j e c tb a c k g r o u n , lm o r e o v e rt h e v o l u m e - s t r e s sa n dv o l u m o - s c t t l c m e n t 躺a l s oc o m p a r e du n d e rd i f f e r e n tl o a dw h i c hi sr e l a t e dt o t h em l a r g e d - c a pc f g p i l eo nc 0 衄p l 加1 】dg r o u n d , a n dg a i nt h eo p t i m i z a t i o no f e n l a r g e d - c a p r a d i u sr a t i o t h u d , t h es i m u l a t i o ni sd o n ea b o u tt h ec u s h i o nc o a ta n dt h eg r i h ec l o t ho nt h e , x , m p o m tg r o u n d t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h eo 1 s h i o nc o a tt e c h n i q u eo nt h ec o m p o u n d 目训c o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep i l e - s o i lr a t i o ，e x e r tt h es o i l 8c a t t y , r e d u c et h ew h o l e s e t t l e m e n ta n da s y m m e t r i c a ls e t t l e m e n to ft h ec 0 蜘p ( i 订g r o m d , a v o i dt h ed a n g e rt h a tl a r g e n u m b e 撂o fp i l e sp i e r c et h n , u g ht h es o i la b o v e a n di ti sa l s on o t a b l ef o re n h a n c i n gt h e 氰啦p 【而n gc a p a c i t ya n ds t a b i l i t yo f t h et a r l k $ f o u n d a t i o n f i n a l l y , t h et h e o r e 6 c a ld e d u c i n ga n d t h e 灯j a ld a t am em e e t i n gw i t ht h a to f t h es i m u l a t i o nf r o mt h es t a d cl o a dt e s to nt h es i t e i th a s 2 北京科技大学硕士学位论文 p r o v e dt h a tt h ee f f e c tb yu s i n gt h ee n l a r g e d - c a pc f gp i l eo nt h ec o m p o u n d 簪o u n di s n x n 卸蛐l e k e y w o r d ：o i ls t o r a g et a n k s , e n l a r g e d - c a pc f g p i l e ， n e g a t i v ef r i c t i o n , c u s h i o nc o a t 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得北京科技 大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：翘弦近日期：芝互皇：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：减磁酶导师签名：幺羔。日期：受z 盘：z 2 北京科技大学硕士学位论文 引言 大型储罐在石油、化工等工业中是量大而广的设备，目前这类储罐在冶金、电力、 煤气、医药、食品等工业中也广泛的应用。储罐的特点是直径大，载荷重，因而对地基 和基础设计有特殊的要求，并且在储罐建设中经常会遇到不良土质、不均匀土层、沟壑 暗沂等非理想土层作为储油罐的地基，所以对基础设计和施工带来不少困难和技术问题。 地基处理是否恰当关系整个工程质量、进度和投资，因此合理地选择储罐地基的处理方 法是降低工程造价保障工程质量的重要途径之一。所以当今储罐地基处理日益得到人们 的重视。 辽宁营口一带地基土为新近堆积的欠固结土，含水量高，压缩性大，抗剪强度低， 渗透性差，承载力一般在6 0 9 0 k p a 之间，加之淤泥质土分布较为普遍，夹层薄层间或 分布，为典型的复杂软弱地基，不能直接作为罐基础持力层，需要进行地基处理，因 此有必要开展在复杂软弱地基条件下对大型储罐的地基处理技术进行研究。 目前国内的大型储罐地基处理技术方面，已经编制了石油化工钢储罐地基处理技 术规范( s h r r 3 0 8 3 1 9 9 7 ) 等行业标准。其地基处理方法多集中在碎石桩( 振动挤密法、 振冲法) 、水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) 、排水固结法、充水预压法、强夯法、深层搅拌法 等，实际中应用的往往是其中某一种或两种方法，缺少各种方法的综合应用研究，造成 储罐施工周期长、基础不均匀沉降大、工程造价高等现象。 针对辽宁营口一带的地质条件，本文对大型储罐地基处理技术进行了深入研究，提 出了扩顶c f g 桩复合地基处理技术，从扩顶桩体应力状况和复合地基的沉降特性两个方 面着重分析，并对扩顶的工艺进行了初步探讨，提出了确定最佳扩顶半径比的概念，以 期能为今后此类工程提供一些理论支持和实践借鉴。 北京科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源以及研究的目的和意义 1 1 1 课题背景 大型储罐在石油、化工、油气田和石油化工中是量大面广的设备。近二十年来，由 于原油加工和运输规模的不断扩大，以及我国的石油战略储备的需要，油罐的发展趋向 于大型化和超大型化，储罐的特点是直径大，荷载重，因而对地基和基础设计有特殊要 求。目前世界上最大的油罐为2 4 万立方米，国内最大储罐为1 0 万立方米浮顶式油罐和2 0 万立方米干式储气罐，其储罐直径分别达n s o m 和5 8 m ，高度则分别为2 1 m 和8 5 m t ”，截 止到目前我国国内己建成的1 0 万立方米的储罐有4 0 多台，而且在未来的几年中我国将迎 来石油储罐建设的高峰。 为了满足国内石油的需求，每年我国从国外要进口大量原油，所以一般情况下大型 的石油储罐都建在沿海港口，虽然这样一来交通便利，存储方便了，但是沿海不良的地 质条件却给大型储罐的建设带来了一定的困难，所以在储罐基础形式的设计和施工中地 基的不均匀沉降是倍受关注的。对于油罐，尤其是大型油罐的威胁主要来自两方面，一 是基础的不均匀沉降，二是材料的脆性破坏，这二者往往是结合在起的。由于不均匀 沉陷造成罐底或罐底与罐壁间的角焊缝处产生过大的应力，在过大的应力下，再加上这 个应力的交变，就会使原来存在的缺陷扩展，而这一扩展最终造成脆性破坏事故。 这类特殊构筑物的基础与一般的工业与民用建筑的基础相比，在设计、施工有其自 身特点，如按常规的地基基础规范进行设计，则会出现较大的差错或浪费。为此，近3 0 年来，国内不少科技人员针对这类大型储罐的基础设计与地基处理，进行了不少研究， 并初步掌握了针对不同土质情况采用不同地基处理方法的基本特点。 储罐建设中经常会遇到不良土质、不均匀土层等非理想土层作为储油罐的地基，从 而需要进行地基处理。地基处理是否恰当关系整个工程质量、进度和投资。因此合理地 选择储罐地基的处理方法和型式是降低工程造价的重要途径。 1 1 2 课题研究的意义 储罐地基的处理主要是两个方面的控制，一个是地基的承载力问题，一个是地基的 不均匀沉降问题，这两个方面是相互联系的。桩土共同作用的复合地基被认为是一种通 用的、高效的地基处理技术【鲺。储罐的地基承载力要求相对于一般的高层建筑和工业建 筑来说较低，所以在地基处理方法的选择上有很大空间，目前国内在这类工程中应用到 2 北京科技大学硕士学位论文 的地基处理方法主要有：充水预压法、垫层法、排水固结法、振冲法、强夯法、旋喷法、 土工织物、灰土挤密桩法、c f g 桩、砂石桩法等等。每种方法都有自己使用的局限性， 在实际的工程应用中应该针对不同的地质条件、不同类型的储罐结构选定最合适的基础 形式和选取最恰当的地基处理方法。闭 建造在软土地基上的大型储罐会产生各种沉降变形，包括储罐的整体均匀沉降、底 板的碟形沉降、储罐的整体倾斜沉降( 也称平面倾斜) 以及储罐周边的不均匀沉降( 也称非 平面倾斜) 等，其中罐周不均匀沉降对结构的影响最不利，国内外大量储罐工程事故分析 表明，地基不均匀沉降导致储罐破坏是事故的主要原因。 ( 1 ) 储罐底板的碟形沉降 软土地基上储罐的沉降主要由容器内所储存液体的重量产生，因而沉降的主要形式 是其底板的碟形沉降这种形式所产生的变形通常远大于其它形式，工程上曾出现过由于 碟形沉降引起底板的焊缝撕裂从而导致储罐破坏的事故。储罐容器底板通常由大量的小。 块矩形钢板焊接而成，因而如果焊缝强度不低于母材本身的强度，只要沉降变形控制在 一定的合理范围内，就不会出现焊缝的破坏。 ( 2 ) 罐周沉降 储罐罐周的沉降变形通常远小于底板的变形，但对结构的影响却很大，对这类不均 匀沉降很难运用土力学原理进行预测，但如果容器已经开始出现不均匀沉降，那么在不 同阶段的沉降观测结果对评估沉降产生的影响非常重要。这些沉降分量只能通过绕储罐， 布置的大量沉降观测点的实测结果才能得以合理准确的确定这类沉降通常称为不均匀翘 曲沉降。 衡量罐周不均匀沉降的一个简单指标是沿罐周相邻两测点的沉降差除以该两点间 的罐周弧长。国外学者建议该指标的限值为0 3 5 。目前国内外不少规范都采用该指标 来判断不均匀沉降的严重程度，但取值并不一致。我国相关规范对浮顶罐和固定顶罐的 规定分别为0 2 5 d 0o 4 。有的学者还对该方法作了改进，采用三个相邻测点之间的最 大斜率变化，并建议大型浮顶罐的斜率限值o 2 2 。但这些方法得到的结果与测点数量 密切相关，以上准则的确定也缺乏合理依据。 在设计和使用时，一般都对基础的沉降和不均匀沉降提出安全使用允许值，这主要 包括以下几个方面： ( 1 ) 在设计中应合理估算地基的最终沉降量，以提供储罐底板预抬高尺寸，沉降完 成后的罐底设计高度不得低于工艺设计高度，以免在使用过程中增添麻烦。 3 北京科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 不均匀沉降所造成的罐体倾斜不得大于结构安全和正常使用的允许值。 ( 3 ) 罐底每l o m 周长的相对不均匀沉降不得大于壁板发生扭曲的控制值。 ( 4 ) 罐底板由于不均匀沉降造成的不均匀变形，必须小于底板所允许的控制值，这 个控制值在很大程度上是焊缝的抗拉强度所决定的。 但是目前国内外规范对地基变形允许值的规定大多是岩土工程师凭经验确定的，从 结构的角度看并不令人满意，实际工程中的一些事故也表明目前的控制标准存在一定问 题，有的储罐不均匀沉降满足规范要求，但仍出现罐壁变形过大导致浮顶活动失灵的问 题。因此有必要从地基变形对储罐结构的影响( 或者说结构对地基变形的响应) 的角度 进行综合分析。在此基础上，才能提出包含储罐结构主要参数的、合理的地基变形允许 值。此外，不均匀沉降下储罐结构的非线性稳定性和初始缺陷敏感性也是有待进一步研 究的重要课题。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 地基处理技术的现状 我国地质条件相当复巍随着全国“城镇化”和“工业化”建设的快速推进，现代地 基处理技术的要求不断提高，如高层建筑、高速公路、大型工业基地、港口、机场建设 等，都在不同程度上采用各种地基处理技术。我国地基处理技术到目前为止，不仅国外 已有的地基处理方法被我国全部掌握，而且还在工程实践中发展了许多适合我国国情的 新的地基处理技术，如真空预压法、低强度桩复合地基技术、孔内夯扩技术等，地基综 合处理能力达到世界先进水平。 地基处理的目的是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基 土进行加固，用以改良地基土的工程特性，主要表现在以下几个方面【3 l 。 ( 1 ) 提高地基土的抗剪强度。地基的剪切破坏表现在：建( 构) 筑物的地基承载力不 够；偏心荷载及侧向土压力的作用使建( 构) 筑物失稳；填土或建( 构) 筑物荷载使邻 近的地基土产生隆起；土方开挖时边坡失稳；基坑开挖时坑底隆起。地基的剪切破坏反 映了地基土的抗剪强度不足，因此，为了防止剪切破坏，就需要采取一定措施以增加地 基土的抗剪强度。 ( 2 ) 降低地基土的压缩性。地基土的压缩性表现在：建( 构) 筑物的沉降和差异沉降 较大；填土或建( 构) 筑物荷载使地基产生固结沉降；作用于建( 句) 筑物基础的负摩擦力 引起建( 构) 筑物的沉降；大范围地基的沉降和不均匀沉降；基坑开挖引起邻近地面沉 4 北京科技大学硕士学位论文 降；由于降水，地基产生固结沉降。地基的压缩性反映在地基土的压缩模量指标大小。 因此，需要采取措施以提高地基土的压缩模量，从而减少地基的沉降或不均匀沉降。 ( 3 ) 改善地基土的透水特性。地基的透水性表现在：堤坝等基础产生的地基渗漏；基 坑开挖工程中，因土层内夹薄层粉砂或粉土而产生流砂和管涌。以上都是地下水的运动 中所出现的问题。为此，必须采取措施使地基土降低透水性和减少其上的水压力。 ( 4 ) 改善地基的动力特性。地基的动力特性表现在：地震时饱和松散粉细砂( 包括部 分粉土) 将产生液化；由于交通荷载或打桩等原因，时邻近地基产生振动下沉。为此， 需要采取措施防止地基液化并改善其振动特性，以提高地基的抗震性能。 ( 5 ) 改善特殊土的不良地基特性。主要是消除或减弱黄土的湿陷性和膨胀土的涨缩特 性等。 近几年来地基处理的发展主要表现在以下几个方面【4 】嘲【6 j ： ( 1 ) 对各种低级处理方法的适用性和优缺点有了进一步的认识，在根据工程实际选用 合理的地基处理方法上减少了盲目性。能够注意从实际出发，因地制宜，选用技术先进、 确保质量、经济合理的地基处理方案。能够注意综合应用多种地基处理方法，使选用的 地基处理方案更加合理。 ( 2 ) 地基处理能力的提高。一方面，已有地基处理技术本身的发展，如施工机具、工 艺的改进，使地基处理能力提高。另一方面，近年来，各地在实践中因地制宜发展了一 些新的地基处理方法，取得了很好的社会经济效益。 ( 3 ) 复合地基理论的发展。随着地基处理技术的发展和各种地基处理方法的推广使用， 复合地基概念在土木工程中得到愈来愈多的应用。工程实践要求加强对复合地基基础理 论的研究。然而对复合地基承载力和变形计算理论的研究还很不够，复合地基理论正处 于发展之中，还不够成熟，甚至对什么是复合地基无论是学术界还是工程界尚无统一认 识。 1 2 2 国内储罐地基处理方法的发展 由于实际的工程需要，很多的大型和超大型的石油储罐都建在了沿海等一些地质条 件相对不理想的土层上，这样，不仅要针对不同的地质条件、不同类型的储罐结构选定 最合适的基础形式，而且要选取最恰当的地基处理方法。近几年来我国在地基处理方面 有很大的发展，不仅推广使用了传统的地基处理方法，而且还研究采用了一些新的方法， 并取得了很好的效果。 从2 0 世纪6 0 年代初在上海吹填土层上建造大型储罐，采用储罐内充水加荷预压地基 5 北京科技大学硕士学位论文 开始，3 0 多年工程实践表明：在深厚软弱土层土，采用控制地基上的加荷速率和基础的沉 降速度，充分发挥地基强度，在地基受压荷载超过地基承载力2 3 倍时，地基仍保持稳 定，从而突破了常规地基设计中的一些观念，为地基基础与上部结构共同作用方面积累 了宝贵的经验。 2 0 世纪7 0 年代在江浙镇海采用砂井预压法加固储罐地基，从而解决了软粘土地基的 渗透系数小、排水固结时间长这一问题。设置砂井，使孔隙水能够较快地从砂井中排除 出去，获得在较短工期内达到所要求的固结度。2 0 世纪8 0 年代初在湖南长岭填土地基上 首次采用强夯法加固地基建成一批浮顶储罐，尽管地基填土层厚度很不均匀，但采用统 一的夯锤落距和夯击标准的强夯法处理地基，从而消除了土层和土质不均匀因素。从该 储罐投产使用1 0 多年来地基沉降都很均匀看，说明强夯处理由亚粘土加风化千枚岩组成 的填土是成功的；但在上海软土地基上采用强夯处理地基建储罐时，其效果就不理想。 近几年来，还采用深层搅拌桩、c f g 桩、干振冲碎石桩等复合地基法处理地基，高能量 强夯处理大块石抛填围海造堤加固处理地基和孔内深层强夯等也被采用。 后来在河南洛阳的湿陷性土地基上成功地采用了爆扩挤密法用作人工处理地基；在 上海陈山和浙江镇海软土地基上采用振冲碎石桩处理地基建储罐均取得了预期的加固效 果。2 0 世纪8 0 年代末在南京石埠桥采用了土工织物材料处理储罐软基，利用土工织物加 筋垫层和排水固结联合处理，储罐投入使用后运转情况良好，能满足储罐使用的各项要 求。 总之，近3 0 年来，储罐基础在地基处理的发展方面主要表现在以下几点： ( 1 ) 对储罐基础的地基处理方法的适用性和优缺点有了进一步的认识和明确，在根据 工程实际选用地基处理方法上减少了盲目性。能够注意从实际出发，因地制宜地选用技 术先进，确保工程质量、经济合理的储罐基础地基处理方案。对有争议的技术问题，能 够采用科学的态度，注意调查研究，开展试验探索，而在确定地基处理方案时强调持慎 重的态度。能够综合应用多种地基处理方法，使采用的地基处理方案日臻完善。 ( 2 洌馑处理能力提高。一方面，己有的地基处理技术本身得到了发展，如施工机具、 工艺的改进，使地基处理能力提高；另一方面，近年来各地在实践中因地制宜发展了一 些新的地基处理方法，并取得了很好的经济效益。 ( 3 ) 复合地基理论的发展。所谓复合地基，是指天然地基在地基处理过程中部分土体 得到增强或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由天然地基土体和增强体 两部分组成的人工地基。复合地基有两个基本特点：首先它是由基体和增强体组成，是 6 北京科技大学硕士学位论文 非均匀质各向异性的；其次，在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。储罐 基础的复合地基，根据增强体的方向，可分为纵向增强复合地基( 如挤密碎石桩等) 和横向 增强复合地基( 如土工织物加筋垫层等) 吼拥。 目前主要的储罐地基处理方法适用范围和评价如表i i 所示： 表i i 储罐地基处理常用的几种方法 储罐地基处理常用的几种方法 方充水预压排水固结灰土挤密 法法 垫层法振冲法强夯法桩基砂石桩法 法 桩法 软粘土、软粘土主要适用软粘土亚粘性地下水位适用于桩砂性土、 适粉土，有有机质于粘土对饱和软土杂填以上的湿 尖持力层杂填、 用机质沉积土杂填层，不适 粘土要求土非饱和陷性黄特别深的非饱和粘 范物、杂填土等软弱用于有机不排水抗粘性土、 土。杂填 地区 土 围土地基质沉积物剪强度大 湿陷性黄 土、素填 于2 0 k p a土土等， 有成熟理简易可有成熟的 效果显著需要一套效果显安全、可属于简易 论简易 靠，垫层 设计与施尚经济。强夯设著，尚经靠、沉降处理，效 可行效本身强度工经验以但不能用备，操作济。处理量小，造果显著， 果显著，和压缩性 及计算理 于强度过尚简便，深度有价高。打经济。不 处理土质 较原来为 论，常与 低的软黏大面积处 限，常用桩速度适宜于饱 评 较均匀。好。但置 加载预压 土，因碎理，较为 处理地基快。灌注和软粘 工期长，换的土层 结合，施 石桩成败经济，对承载力可桩不需要 土，因为 价 但对软粘 深度不可 工与设计 取决于周于上述适达i o o k n 预制场此类土不 土采取竖能很大都需要数围土的约宜土类，扩左右地，但要能挤密 向排水措月束力。振处理效果解决排泥 旌则可大冲时会冒显著问题 大缩短时出大量泥 间浆 - 7 - 北京科技大学硕士学位论文 总之，地基处理方法可以分为物理方法和化学方法两大类。物理方法就是用机械的 方法改变土质的力学性和水理性，而土的固有的性质没有改变。化学方法则是要改变土 的固有性质。最近几年国外在地基处理中采用的化学方法已大量引入土质加固的领域。 但是就我国的实际国情来看，由于化学材料的生产不十分丰富，其处理费用还很昂贵， 而物理方法通常比较便宜易行，因而我国今后的很长时间内还是以推广物理方法为主， 但是由于化学方法在技术上有很好的发展前景，所以现在也正在积极的实验研究，总结 经验。 1 2 3c f g 复合地基处理方法的研究现状 c f g 复合地基处理方法是一种新型的地基处理技术，是在8 0 年代由中国建筑科学 研究院立题( 建设部“七五”计划课题) 开始试验研究，1 9 9 2 通过了部级鉴定，1 9 9 4 年 被建设部列为全国重点推广项目，1 9 9 5 年被国家科委列为国家级全国重点推广项目。1 9 9 7 年被列为国家级工法，并制定了中国建筑科学研究院企业标准，现已列入国家行业标准 建筑地基处理技术规范( j c _ d 7 9 - 2 0 0 2 ) 8 1 。为了进一部推广这项新技术，国家投资对 施工设备和施工工艺进行了专门研究，并列入“九五”国家重点攻关项目，1 9 9 9 年1 2 月通过了国家验收。目前，水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) 复合地基成套技术已列入建设 部重点推广的十类新技术中，在目前的工程实践中大量的应用，取得了很好的经济效益 和社会效益。唧 图1 - lc f g 桩复合地基结构示意图 8 北京科技大学硕士学位论文 c f g 桩是英文c ( m e n tf l y - a s hg r a v e lp i l e 的缩写，意即水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、 石屑、砂、粉煤灰掺适量水泥加水拌合，用各种成桩机械制成的可变强度桩。结构图如 图1 1 所示。通过调整水泥掺量及配比，其强度等级在c 5 c 2 5 之间变化，是介于刚性 桩与柔性桩之间的一种桩型。c f g 桩和桩间土一起，通过褥垫层形成c f g 桩复合地基共 同工作，故可根据复合地基性状和计算理论进行工程设计。c f g 桩一般不用计算配筋， 并且还可利用工业废料粉煤灰和石屑作掺和料，进一步降低了工程造价。 c f g 桩一般根据工程地质条件、地下水位等，采用锤击、振动冲击沉管灌注桩及长螺 旋钻孔管内泵压混凝土灌注桩。c f g 桩拌和料具有良好和易性、流动性及容易灌注等特 点，因而旌工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低廉。近几年来，c f g 桩加固 技术在高层、超高层建筑地基处理中也得到应用，就目前掌握的资料，c f g 桩可加固从 多层建筑n 3 5 层以下的高层建筑，从民用建筑到工业厂房均可使用。另外高速公路的过 人涵洞、管道和桥台后过渡段等地基处理也有应用。对于复合地基的固结变形研究，直 到2 0 世纪6 0 年代后才逐渐增岁1 0 1 儿1 ，随着复合地基的大量应用和对其理论研究的深入， 国外许多学者发表了大量的关于复合地基固结理论研究方面的报告和论文1 1 2 】【1 3 】。 c f g 桩复合地基的研究方法主要有理论研究，室内模型试验和现场原型试验研究， 有限元数值研究以及多种方法联合分析研究等。目前研究课题主要涉及：( 1 ) 桩体材料 的试验研究：( 2 ) 模型试验；( 3 ) 针对桩土应力比、承载力、变形特性、荷载传递规 律所进行的现场静载模拟试验等，面现场结构原型实体试验报道不多。在有限元数值计 算分析方面，郑东明等在c f g 桩单桩复合地基褥垫层的厚度对桩土应力比的影响、对应 力场、位移场的变化情况以及置换率的影响进行了论述；在工程实用计算方法研究方面， 继承并发展了桩基沉降计算领域的两大理论：载荷传递理论和半无限弹性理。 1 3 本文的研究内容和技术路线 随着岩土工程技术的进步，许多高承载力、高强度桩基础正逐步在工程建设领域得 到应用，如“复合载体夯扩桩”、“d x 多支盘桩”专利技术以及预应力混凝土管桩等， 这些桩的承载力往往可达上百吨，甚至几百吨。如果把这些高承载力桩用于石油储罐复 合地基，势必会有效的降低工程造价。然而，通过对高承载力桩在大型石油储罐地基加 固处理中应用的适用性和桩土复合地基体沉降及侧移的规律研究，也揭示了高承载力桩 应用于大型石油储罐地基加固处理可能存在的各种问题，主要有以下几个方面： ( 1 ) 高承载力桩虽然单桩承载力很高，但由于桩间距过大，会引起桩间土体较大的 沉降，进而使桩顶土体向桩间部分塑性流动，最终导致复合地基整体的较大沉降。 9 北京科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 由于地质条件和施工条件的差异，上述沉降会有明显的不均匀性，最终可能导 致罐体的严重倾斜，甚至破坏。 ( 3 ) 由于桩顶实际沉降较小，而桩周土沉降较大，可能造成刺入破坏，使罐底钢板 受力复杂化，形成局部的应力集中和拉应力，导致罐底变形过大、焊1 ：3 拉裂等严重后果。 ( 4 ) 油罐变形、破裂、损坏，不仅影响正常使用，而且泄漏出的油品若大量流满罐 区地面，造成油气沸腾状态，将会导致更大范围的火灾和爆炸。 ( 5 ) 由于高承载力桩一般要设置较厚的承台，使其总体经济性受到了很大的影响， 较其他地基处理方法没有很大的技术经济优势，从而限制了其在储罐地基加固中的应用。 本文针对超大型石油储罐结构的特殊性，以常遇到的软土地基地质条件作为研究对 象，通过理论分析、计算以及现场试验等途径，研究用于超大型石油储罐的安全可靠、 造价低廉的地基处理技术和方法。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 在c f g 桩的基础上扩大桩顶面积，形成杯型桩，使荷载向桩体集中，降低桩 间土承载比。通过扩大桩顶端面积，可使桩土面积置换率m 在桩顶达到较大值，这样就 能在同样的桩土应力比情况下，使储罐荷载向桩体集中，提高桩所承受的载荷，降低桩 间土承载比，即降低对天然地基承载力要求，充分发挥高承载力桩的优势。同时，扩顶 后的桩基础可以很好的限制桩土差异沉降的形成和增长。 图1 - 2 扩顶桩示意图 ( 2 ) 构造新型复合结构褥垫层的研究 - l o - 北京科技大学硕士学位论文 土工格栅加筋土是由抗压抗剪切的土和抗拉的土工格栅( 加筋材) 两种材料组成的 复合体，类似混凝土和钢筋组成的钢筋混凝土。土工格栅加筋土结构己被实际工程证明 具有耐久、可靠、造价低、抗地震和动荷等特点。采取土工格栅加筋土作为复合结构褥 垫层，可以提高桩体的上部承载面积及上部土体水平刚度，从而获得合适的桩土应力比， 也有效地解决桩承载力的浪费问题【1 4 1 1 6 1 ，能在合适的地质条件下取代桩承台和传统褥垫 层。 北京科技大学硕士学位论文 2c f g 桩复合地基的理论计算 2 1c f g 桩加固机理 c f g 桩复合地基由桩、桩间土及褥垫层构成，褥垫层将上部基础传来的基底压力( 或 水平力) 通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩间土，使二者共同受力，形成了一 个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。c f g 桩复合地基效应主要有： ( 1 ) 置换作用 c f g 桩复合地基就桩体和桩间土的材料特性而言，原天然土的泊松比较c f g 桩大， 而桩体的强度和弹性模量远远大于桩间土，c f g 桩承担的荷载远大于桩间土，可见土被 c f g 桩置换是复合地基承载力得到提高的主要原因之【1 7 1 。复合地基置换作用的大小， 主要取决于桩体材料的组成，高粘结强度桩置换作用较大，加大桩长可使复合地基置换 作用明显提高。当桩体强度大于某一数值时，提高桩体标号对复合地基承载力没有影响， 一般取桩项应力的3 倍即可。 ( 2 ) 排水作用 c f g 桩桩体材料的渗透性与混合料中粉煤灰和水泥的用量有关，经实验测试，c 甲g 桩桩体的渗透系数一般在l o 3 1 0 - 1 c m s 范围内，而桩问自然土层的渗透系数一般在 1 0 - 6 l o m s ，远比桩体的渗透性小，所以桩体具有良好的透水性，桩体的排水作用， 有利于孔隙水压力消散，有效应力增长，c f g 桩复合地基在成桩初期，桩体实际上已构 成了固结排水通道，加速了桩周土的固结过程，桩体的排水作用较为明型1 8 1 1 9 1 1 2 0 l 。 ( 3 ) 桩问土的改良作用 c f g 桩复合地基加固前后桩间土的物理力学性质的试验分析表明，桩间土的物理力 学性质得到了较大提高，一般含水量降低1 4 1 9 ，天然容重增加1 0 3 2 2 ，孔 隙比降低1 3 以上，压缩系数减小l l 5 2 ，而静力触探贯入阻力提高3 0 以上。 同时发现，在加固范围内，c f g 桩对粘性土或粉土的工程性质改善较明显，而对砂类土 基本没有改变，但振密效果比较显著【2 1 1 2 2 1 2 3 。 ( 4 ) 桩对土的约束作用 在群桩复合地基中，桩对桩间土具有阻止土体侧向变形的作用。相同荷载水平条件 下，无侧向约束时土的侧向变形大，从而使垂直变形加大；由于桩对土体侧向变形的限 制，减少了侧向变形，也就减小了垂直变形，使复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。 1 2 北京科技大学硕士学位论文 总之，c f g 桩对散、松砂体加固效应主要表现为挤密效应、排水效应及预震效应；而对 粘性土加固效应主要表现为桩体的置换、挤密作用，同时还有时间效应刚圈。 2 2c f g 桩作用理论的研究 2 2 1 扩顶c f g 桩力学性状研究 扩顶c f g 桩由于桩帽的存在，改变了原来柱桩的受力状态和沉降特性，为了解扩顶 单桩的沉降变形、荷载传递及桩土间相互作用等力学性状，很多学者作了大量的理论研 究工作，1 9 7 9 年，g o u g h n o t 和b a y u k 提出的排水砂井理论，适用于复合地基的沉降计 算。1 9 8 3 年，g o u g h n o u r 提出碎石桩复合地基沉降量的计算理论中，考虑了弹性和塑性 两种情况。当基础荷载小，桩与土处于弹性状态，可用弹性分析法求取复合地基的沉降 量。当基础载荷大时，桩体发生侧向凸出，须用塑性分析方法求解嗍【5 刀。文献 2 6 1 1 2 r 1 1 2 8 】 中雷金波等学者应用弹性理论和假定荷载传递函数形式，对扩顶桩土相互作用进行线性 分析，得到荷载沉降、竖向应力等控制微分方程。 卜a 一 图2 1 计算模型 1 3 北京科技大学硕士学位论文 桩体与桩帽下土体的相互作用取计算模型如图2 - l 。图中：l 。为桩长；d 。为桩体直 径；桩帽尺寸为a a x d ，桩体横截面面积a ，；面2 ，4 ，周长u ，= z d ，桩帽下土体横 截面面积a 。= a 2 a 。 为了简化模型的计算，进行了如下的基本假设： n 假定桩帽绝对刚性，桩体顶面与桩帽下土体顶面竖向位移相等忽略桩帽边缘外土 体的竖向位移，并设桩和桩帽下土体为线弹性体，轴向变形均匀，即可用一点的竖向位移来 代替一个平面的竖向位移； 2 ) 桩体刚度大可忽略桩体、桩帽下土体的径向位移； 3 ) 桩体与桩帽下土体的界面力学性能采用“压力= 刚度系数变形( 或相对位移) ”的 公式表示，设计荷载作用下，桩体与桩帽下土体之间的摩擦阻力、桩帽边缘各竖直面上 的摩擦阻力分别采用下式所示的线性模型： f ，( z ) 2k p 【w ，( z ) 。w ，( z ) l ( z ) 2 k 。w 。( z ) ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 4 避端平面处桩端压力强度、桩帽下土体底部土抗力强度分别采用w i 出c 地基模型： o p b 。k b s p b ；g s b2 k b s s b ( 2 3 ) 式中：k 。、k 。分别为桩体与桩帽下土体之间、桩帽边缘各竖直面土与土之间的抗剪 刚度k n m 3 ；k b 为桩端土体抗压刚度( k n m 3 ) ；w 。( z ) 、w 。( z ) 分别为等效单元体中桩 体横截面和桩帽下土体横截面的竖向位移( m ) ；s d b 、为桩端平面处的桩端位移和桩帽 下土体底位移( 州) ；o 砖、o 而分别表示桩端平面处桩端压力强度、桩端土体抗力强度 ( i d a ) 从桩体上取微段d z 为研究对象，受力如图2 - 2 所示。由微段的轴向拉压胡克定律及 竖向静力平衡条件，得到桩体的控制微分方程为： 1 4 北京科技大学硕士学位论文 。，( z ) 鸡竽 堂d z 22 酱肿) 】+ 等 式中：6 ，( z ) 为桩体轴向正应力；e ，为桩体的弹性模量。 盯p ( z ) q ( z ) ll i l 1 缓 ij 缓il i ji jlj ll l i 巳( z ) + d ( z ) d r ，( z ) + d o - ，( z ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 图抛桩单元受力图图2 - 3 桩帽下土体单元受力 对桩帽下土体中的微段d z 进行分析，受力如图2 - 3 所示，可以得到桩帽下土体的控 制微分方程为： 喇咄警 警= 酱嗍例+ 羡 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 式中：o 。( z ) 为桩帽下土体z 水平截面上的竖向应力：e 。为桩帽下土体的变形模量。 一1 5 t i 0 tt 扇山 ll 王 北京科技大学硕士学位论文 雷金波等人应用微分方程的近似解法加权子域法对上面的方程组进行简化求 解，得到了桩体和桩帽下土体项部的沉降和平均应力的解析表达式，但是工程中土体性 状复杂，并且往往表现出塑性，这与假设的条件不符，也给理论解析带来了很大的难度。 2 2 2c f g 桩复合地基承载力计算 复合地基承载力是由桩间土和桩共同承担荷载。复合地基承载力计算通常有两种 思路：一种是先分别确定桩体的承载力和桩间土承载力，根据一定的原则叠加这两部 分承载力得到复合地基承载力；另一种是把桩体和桩间土组成的复合土体作为整体来 考虑，确定复合地基的承载力。由前一种思路得到的承载力计算公式又