（岩土工程专业论文）cfg桩在油罐地基处理中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t g r o u n di m p r o v e m e n ti sa l 、v a y sa na c t i v ef i e l di n c i v i le n g i n e e r i n g t h e o r e t i c a l r e s e a r c ho fc o m p o s i t e 铲o u n dh a sm a d e 铲e a tp r 0 酽e s s e si nm o r ct h a nt e ny e a r s c f gp i l e i so n eo ft h et e c h l l i q u e st h a th a v eb e e nw i d c l yu s e di nr e c e n ty e a r s f i r s t ly ，t h ed e v e l o p m e n to fc o m p o s i t e 掣o u n d ，e s p e c i a l l yc f gp i l ec o m p o s i t eg r o u n d a th o m ea i l da b r o a d ，i si l l t r o d u c c d t h e t h eb a s i ct h e o r yo fc o m p o s i t eg r o u n di sb r j e f l y s u m m a r i z e d t 1 1 em e c h a n i s m ，d e s i g nm e t h o d s ，c o n s t m c t i o n 姐dt e s tt e e h n i q u e so fc f g p i l ec o m p o s i t eg r o u n da r ea l s oi n t r o d u c e d s e v e r a lp i o b l 啪st h a te x i s ti n 筝伽l n dt r e a t m e n to fo nt 扣1 k sa r ed i s c i l s s e di nd e t a i l b a s e do nm a l l yr e f b r e n c e sr e l a t e da n dt h et e ny e a r so fc x p c r i e n c e0 ft h ea u t h o r ，i n c l u d i n g s e l e c t i o no ft h es c h e m eo fg r o u dt r e a t m e n i ，a p p l i c a t i o o fc f gp i l ei i lt h eo i lt a n kp 玎o j e c t o fw u h a ns 小o p e c ，c o n s t n l c t i o nt e c h n i q u e s ，t h ep r o b l e m sa l l ds o l u t i 0 1 l si nt h eg r o u n d t r e a t m e to fo nt a l l k s ，a i l da l s ot h e m p a r i s o na n da n a l y s i so f c a l c u l a t e dv a l u e sa n dr e s u l t s o fs t a t i cl o a dt e s t so f b e a r i n gc a p a c i t yo f c f g p i l ec o m p o s i t eg i d u n d c f g p i l eh a sn o tb e e nw i d e l yu s e di i lg r o l m dt r e a t m e n to fo i lt a n k s ，w h i c hi so n l y a p p l i e di nr e c e n t l yy e a r sb e c a u s eo fl a c k i n go fu n d e r s t a n d i n go ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc f g p i l ec o m p o s i t e 掣o u n db e e a t l lo i 王t a n k b a s e do nt h ep m c t i c a lp r o j e c to fo i lt a n ko fw u h a n s 矾o p e c ，s c l e c t i o no f t h es c h e m e s ，d e s i 弘，c o n s t r u c t i o na n d q u a l i t y c o n t r 0 1a r e i n t r o d u c e dp e r f e c t ly i ti sp r o v e dt 量l a tc f gi sa i le 彘c t i v em e t h o di i ig m u n dt r e a t m e n to f l a r g eo i l t a n k s f i n a l l y ，s e v e r a lp r o b l e m so fc f gp j l ei g r o u n dt r e a t m e n to fo i lt 翘k s ，w h i c hs h o u l d b es t u d i e df 1 1 r 也e rm o r e ，盯ep u tf 0 刑a r d k e yw o r d s ：c o m p o s 沁伊o u n d c f i gp i l e b e a r i n gc a p a c i t y l o a dt e s t i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。埘本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：4 j 年 = ：i 期：2 力易年r 月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借蒯。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属下 保密口，在 不保密回。 ( 请在以卜方框内打“”) 学位论文作者签名：1 了锌 r 期：；加6 年f 月7 同 年解密后适用本授权书。 指导教师签名：锄f 匙岔 h 期：砷z 年卜月9h 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1复合地基发展历史及现状 1 8 3 5 年，法国一工程师，在土质为海湾沉积软土的b a y o n n e 地区建造兵工厂车 间时，由于土质较差，工人们试着在土中打入铁钻，然后拔出，在形成的孔中填入 块石，这样处理之后，发现地基处理效果明显，沉降量比未处理前减少许多，据 h u 曲e s 和w i t h e r s 引用m o f e a u 等的资料，这大概应该算复合地基工程实践的最 早雏形。而真正国外的现代的地基处理技术应从1 9 世纪3 0 年代欧洲应用砂桩算起 ”1 。后来德国的s t e u e r n l a n 在1 9 3 6 年提出利用振动和水力冲切原理加密砂性土的振 冲法。1 9 6 0 年左右英国开始将振冲法应用于粘性土地基。1 9 7 7 年英国b u r l a n d 教授 等学者根据桩一土相互作用理论研究提出：对于天然地基强度能满足设计荷载要求， 但沉降过大的情况，可以采用少量的桩来减少沉降。b u r l a l l d 、b m m s 和d em e l l o 针 对素混凝土桩等这类高粘结强度桩在复合地基中的应用提出了“减沉桩”的概念。 1 9 8 0 年p o u l o s 提出了减沉桩的沉降计算方法。1 。同年，澳大利亚著名学者g o u l o s h l 教授根据筏一桩一土相互作用的分析，提出了仅用于减少沉降的桩基础的沉降公 式。 我国的现代地基处理技术应从2 0 世纪5 0 年代中期引入苏联阿别列夫教授1 9 3 4 年首创的土挤密桩法开始。2 0 世纪6 0 年代中期，西安地区在土挤密桩法的基础上 成功地应用了灰土挤密桩法0 1 ，并在2 0 世纪7 0 年代起逐步推广应用。 复合地基的概念形成于2 0 世纪6 0 年代，且已经成为很多地基处理方法进行分 析、建立理论公式的基础及根据。如h u 曲e s 和w i t h c r s “。，w o n g 及 体具有较高的抗剪强度，可有效地提高地基的稳定 性，或者说提高地基的承载力。但应注意到较高模量加固区的存在，将对载荷作用 下的应力场和位移场产生较大的影响。对桩体复合地基，通过桩体作用，可将荷载 强，理萋薄象粥珥法线i 震矗名盘淄搜； 蠕型j 姥坠磊缮灌噤烂堆啤晕嶝一瑙涩峪臻翌竖；爨氦；懈圆赫前高杀希 修盏妻孵【烈孥警采躺到笔；蕾霎埔算舞技堙孺镘；刚甏翮e凰鋈蠢淄爿璀瑾每阐霪嘲聊卿擦力百；o ，在极限平衡土体中， 华中科技大学硕士学位论文 b a l a a i i l 和p o u l o s ( 1 9 8 1 、1 9 8 3 ) ”。“、b a y l l k ”1 根据单元体法得到了不同条件下复 合地基承载力的计算公式。 1 9 7 5 年h u 曲e s 。1 提出了基于横压试验应力应变曲线来计算沉降的方法。 1 9 8 9 年n a y a k 提出采用载荷试验所获的的沉降量折算复合地基沉降的经验公 式。金姆教授等人“叫受中国用竹筋和石灰土处理油罐软基实践思想的启发，开展 的高压缩性软弱粘土层地基上油罐土工离心模型试验等等。 我国的许多学者也对复合地基的理论、计算及工程应用方面作过许多大量的分 析及研究。 1 9 世纪8 0 年代中后期，黄绍明“等人在以g e d d e s “2 1 应力解为基础的桩基础 沉降计算方法的基础上，提出了减少沉降量桩基的设计思想和方法，并开始进行工 程实践尝试。并在1 9 9 1 年第六届全国土力学及基础工程学术会议上，将自己的研 究成果向与会代表宣布，并进行了总结。 盛崇文n ”( 1 9 8 0 ) 以b r a u n s 单桩计算公式为基础，推导出了碎石桩复合地基 的计算公式并应用于实际工程中 张定( 1 9 8 6 ) “”提出了碎石桩复合地基的沉降计算方法。 龚晓南“朝( 1 9 9 0 ) 在一定假设条件下，采用v e s i c 圆孔扩张理论“6 3 求得了单桩的 极限承载力计算公式。 袁内镇“7 1 对石灰桩复合地基的承载特性进行了研究，并介绍了承载力的计算方 法。 韩杰、叶书麟( 1 9 9 2 ) 根据b i o t 固结理论，采用有限元法对复合地基的孔隙 水压力进行计算，分析复合地基的固结特性和变形特性o “”1 。 汤国璋通过对碎石桩在软土中的鼓胀破坏特征，并通过力学分析，提出碎石桩 承载能力的计算方法”。 傅景辉推导出在荷载作用下当桩端土层为w i n l 【l e r 地基时复合地基桩土应力比 的设计计算公式，并对影响桩土应力比的因素进行了探讨。 1 9 5 9 年，联邦德国j o h a i l nk e l l e r 地基公司在n u r e m b r e g 的一项地基工程中， 用振冲器在粘性土中制造了2 m 深的孔，填入块石，再用振冲器使块石密实，经这 样处理后，地基承载力有了很大的提高。1 9 6 0 年，英国c e m e n t a t i o n 地基工程公司 在尼日利亚首都拉格斯建造了一幢六层房屋，在开挖基槽时意外地发现地基中有 层厚2 m 的有机质粉土，强度很低。最后采用振冲造孔，回填碎石的方法处理，效 华中科技大学硕士学位论文 果很好。后来，这两家公司有意识地把这一方法用于加固软粘土地基，逐渐演变出 一种新的加固方法振冲置换法。由于使用的桩身材料为碎石，也称为振冲碎石 桩法嘲3 。 对于复合地基的固结变形研究，直到2 0 世纪6 0 年代后才逐渐增多池2 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”4 剐。 我国从加世纪7 0 年代起就开始利用碎石桩加固地基，在砂土、粉土中消除地 基液化和提高地基承载力方面取得了令人满意的效果。后来逐渐把碎石桩的应用范 围扩大，用到塑性指数较大、挤密效果不明显的粘性土中，以期提高地基的承载能 力。然而大量的工程实践表明：对这类土采用碎石桩加固，承载力提高幅度不大。 其根本原因在于：碎石桩属散体材料桩，本身没有粘结强度，主要靠周围土的约束 来抵抗基础传来的竖向荷载。土体越软，对桩的约束作用越差，桩传递竖向荷载的 能力越弱。 从分析碎石桩复合地基存在的缺陷不难发现，要想有效地提高复合地基承载 力，显著地改善变形特征，重点应放在提高桩体材料强度及刚度上，使得上部荷载 能有效地传递到下部土层中去，同时在基础与桩之间设置一定厚度的碎石垫层，将 有效地降低桩体应力集中程度，从而可合理地采用较低的桩身强度，不配置钢筋， 并利用垫层材料的流动补偿作用，使地基土在承荷初期就承受较大份额的上部荷 载，充分发挥地基士的承载力。 于是，人们将碎石桩加以改进，使其具有半刚性桩或刚性桩的某些性状，这样 桩的作用不但得到了加强，复合地基的承载力也将会大大提高。刚性桩复合地基就 是在这种条件下诞生的。 刚性桩复合地基的设计思想由中国建筑科学研究院黄熙龄院士首先提出，中国 建筑科学研究院地基基础研究所1 9 9 2 年开发成功的c f g 桩复合地基即是最早的刚 性桩复合地基。为了提高复合地基承载力、减小沉降，人们将碎石桩中掺入水泥、 粉煤灰和石屑，于是形成了粘结强度较高的c f g 桩，使其具有刚性桩的性状。 c f g ( c e m e n tf l v a s hg r a v e lp i l e ) 桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、 粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和，用各种成桩机具，在地基中制成的强度等级为 c 5 c 2 5 的高粘结强度的桩。c f g 桩和桩日j 土、褥垫层一起形成复合地基。 c f g 桩复合地基成套技术是在2 0 世纪8 0 年代由中国建筑科学研究院研究开发 1 华中科技大学硕士学位论文 成功的。其中尤以阎明礼、吴春林、杨军、刘国安、张东刚瞳”1 等对c f g 桩复合 地基进行的研究较为系统，较为丰富和全面。 齐宏伟、王印b ”通过工程实例分析，采用公式法计算c f g 桩复合地基承载力 的可行性与存在的问题，为工程技术人员准确计算复合地基承载力，提供了丰富的 实测资料。 董必昌、王靖涛0 4 1 通过对某工程实例进行沉降计算，并进一步对其进行数字 仿真，利用在桩与周围介质之间设置接触面来处理桩的刺入变形，得到的模拟值与 计算值较为一致，结果证明：通过选取适当的参数，采用c f g 桩的沉降计算公式 是可行的。 邓飞、王琏”探讨了褥垫层技术在c f g 桩复合地基中的应用。 唐彤芝、詹云刚0 8 1 对c f 6 桩加固软基复合地基中桩间距的设计计算方法进行 了研究。 张建伟、戴自航口7 1 采用有限元法对c f o 桩复合地基褥垫层的效用进行了分析 与研究。 张小敏、郑俊杰。叩结合工程实例对c f g 桩复合地基承载力的可靠性进行了研 究，并分析了随机变量对承载力可靠度的影响。 王步云、越秀芹州对挤密碎石桩与c f g 桩组合处理软土地基的设计理论进行 了研究并应用于工程实践。 王仙芝“”对由c f g 桩与水泥土搅拌桩组成的多元复合地基进行了研究。 王旭“”通过采用国际通用的f l a c 岩土工程分析软件，对某一采用c f g 桩进 行地基处理的工程进行了分析，数值模拟值与实测值的对比分析表明了f l a c 用于 模拟c f g 桩沉降分析的可行性。 郑俊杰等“2 ”1 曾将c f g 桩与石灰桩联合处理不均匀地基，将粉煤灰混凝土桩 与石灰桩联合应用于新回填土下卧深厚软土的复杂地质条件。 武锦钢“胡将石灰与c f g 桩联合应用加固软土地基。 葛忻声、张小朋n 朝等运用有限元法对c f g 桩复合地基进行了研究分析。 1 9 9 2 年，c f g 桩复合地基技术通过了建设部鉴定，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 g j 7 9 2 0 0 2 ，j 2 2 0 一2 0 0 2 ) 。 华中科技大学硕士学位论文 c f g 桩复合地基法自推广以来，由于其具有承载力提高幅度大、地基变形小， 消除不均匀变形以及具有很好的适应性的特点，经过十余年的科研和工程实践，已 有许多成功的工程应用实例。如：c f g 桩及砂桩复合地基法处理广东梅河高速公路 的软土地基”“；北京当代万国城住宅楼( 1 号楼、6 号楼) 采用c f g 桩进行地基加 固工程“：沧州炼油厂2 5 0 0 0 0 m 3 原油罐的软弱地基采用c f g 桩复合地基处理m 1 ； 天津某钢管公司第二套轧管机工程采用c f g 桩复合地基处理深厚软土；广东湛江 新建不久的目前我国容量最大的4 个1 2 5 万m 3 原油储油罐，采用c f g 桩与振冲碎 石桩联合进行地基处理等“。 据不完全统计，该技术已在全国2 3 个省、市的数千个工程中推广使用。和桩 基础相比，由于c f 6 桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配钢筋以及充分发 挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基础的1 3 1 2 ，经济效益和社会效益非 常显著。由于该项技术在施工工艺上具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工 程造价低的特点，目前已经成为许多地区应用最普遍的地基处理技术之一。 随着我国现代化进程的快速发展，规模宏大的工业及民用建筑、水利工程、环 境工程、港口工程、高速铁路、高速公路、机场跑道、大型油罐群等，一个个如雨 后春笋般地在兴建，不可避免地在不良地基上建造。这些建( 构) 筑物对地基的要 求也越来越高，不但要求承受较大而复杂的荷载，而且对沉降和变形的要求也越来 越严格，使原来可作天然地基的场地，也要进行相应的处理。所以，几乎每一项工 程都要考虑地基处理问题，只是简单或复杂的程度不同而已油3 。随着工程建设的迅 速发展，c f g 桩复合地基将以其特有的优势得到越来越广泛的应用晴“。 近几年来，c f g 桩复合地基在处理许多大型油罐地基处理上的成功应用，所带 来的明显的社会效益和经济效益，使工程技术人员加深了对c f g 桩复合地基应用 于油罐地基的认识，c f g 桩法在油罐地基中的应用已越来越普遍。尤其是c f g 桩 法与其他地基处理方法组成的多元复合型地基处理方法，在我国的某些地方处理特 大型油罐地基方面，取得了很大的成功。可以看到：工程建设的需要正使得各种新 的地基处理方法不断应运而生，相信随着研究的深入，c f g 桩复合地基技术会日趋 成熟，c f g 桩复合地基作为地基处理的一种方法，其应用的前景将会更加广阔。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 2 油罐地基处理的常用方法 近年来，由于我国石油化工工业的快速发展，为了满足生产需要，在不少地区兴 建了一大批不同容量的储油罐。一方面人们对油罐的建造技术趋于成熟，但另一方 面，生产规模的扩大，对油罐的容量提出了新的要求。 本文所讨论的油罐为立式圆筒形钢贮罐，这种形式的油罐为大型油罐所广泛采 用的形式。从油罐顶结构形式上，立式油罐又可分为：圆锥顶式、圆拱顶式、浮顶 式、内浮顶式等类型。其中浮顶式油罐在使用功能上有着其他类型油罐所不能比拟 的众多优点，在新建工程中广为采用。其罐顶悬浮于存贮液体上，具有防止液体气 化的功能，为保持罐壁板和浮顶间的气密性，其间装有密封结构。 油罐工程大体上可以按照油罐的构成进行分类，它包括罐体工程、辅助设施工 程及基础工程几大板块。罐体包括罐顶、罐壁、罐底板和密封结构等四大部分，辅 助设置包括各种管线以及其他功能设施。油罐的基础工程一般包括环墙基础、基础 内设置碎石垫层及地基三部分组成。从地基加固角度以及人们现有技术水平来看， 环墙基础的设计相对来说其设计及建造水平要成熟得多，在工程中必须结合罐体型 式、工程地质条件、建筑材料、环境保护和工艺要求等因素，进行基础设计“。但 是人们更加关心的问题是碎石垫层及地基的性状对整个油罐工程的影响。因此油罐 地基加固处理是整个油罐工程的关键技术之一，从油罐工程各项技术的比较来看， 油罐地基是影响整个工程成败的关键。 从工程角度来看，油罐地基加固与一般地基加固相比既有共性又有个性。先将 油罐工程的特殊性抛在一边，单从改善地基的稳定性和土的压缩性的角度来审视油 罐基础工程，人们几乎可以使用所有的方法来加固油罐地基，从大类上来说，地基 处理方法包括：垫层抬高法、堆载预压法、砂井预压法、深层搅拌法和其他种类的 方法，以及深基础( 即沉井、桩等) 法。深基础不失为一种有效的方法，但人们从 工程造价、工期以及对周围环境的影响等因素出发，一般都避免使用这种类型的方 法，因为这类方法给人们带来工程造价高以及施工中的噪音污染周边环境等问题， 所以人们在选择地基加固方法上，一般优先考虑地基处理方法能否符合要求。 从发展的时间来看，地基处理方法的时间并不长，而地基处理的方法却很多， 并且新的地基处理方法还在不断涌现。从基本原理上大体可以分为两类：第一类是 望塾壁查笠立塞壅尘圭史塾堕：焦焦蜜塞丛面埕匠盟强应塑越尘土曲压缩性丘_ 一 华中科技大学硕士学位论文 这类方法主要包括有：堆载预压法、砂井预压法、强夯法、振冲法等。第二类方法 是胶结法，即采取化学添加物质将分散的土颗粒胶结起来，以提高土体的强度并减 少其压缩性。这类方法主要包括有：深层搅拌桩法、高压旋喷桩法、生石灰桩、电 硅化法等。工程实践表明：在大型油罐基础工程中，胶结方法在造价及工期上相对 深基础有一定的优势，但与第一类方法相比仍然有很大的差距。 在软土地基上建造大型油罐，地基处理是关系到油罐工程成败的一项关键技术 问题，它直接影响到油罐的安全和正常使用、抗震和抗灾性能及工程造价等。如果 地基处理不善，就有可能出现地基失稳而造成罐体倾倒、倾斜、底板挠曲、凹褶、 开裂、漏油，甚至造成严重的灾害性事故，以及失去其使用效能，最后造成管理维 护上的麻烦。在地震荷载的作用下，还可能引起地震波振动力的扩大，使罐体振动 破坏等等。我国许多学者和工程技术人员在油罐地基处理方面进行了许多的研究和 探索，这其中尤以上海高桥石化设计院贾庆山口”叫对大型油罐的地基处理技术的 研究较为全面，其中包括油罐工程的事故分析、纠偏技术、油罐基础的设计与选型 等。 北京圣洁明有限公司的詹玉顺介绍和探讨了防止在软土地基上建造油罐产生 地基失稳问题的技术处理措施瞄1 。 应宏伟、杨晓钢等对我国目前已建成的容量最大的两座1 2 5 0 0 0 m 3 的原油罐进 行了地基现场的试验分析口”。 赵同顺、周波对已建的5 0 0 0 0 | i n 3 油罐在深厚液化地基中的地基变形特性进行了 研究旧1 。 黄左坚探讨了振冲法处理油罐地基的适用性与优越性，并介绍了设计方法和工 程实例”“。 田庆育。叼介绍了运用排水固结法处理大型油罐软土地基的特点和处理方法。 贾庆山哺“3 采用塑料排水板与碎石桩综合处理大型油罐软基的设计方法。 王颖光叩”对组合型复合地基处理大型储油罐在软土地基上的设计进行了探讨。 每一种地基处理方法都不是万能的，都有一定适用条件和优缺点。所以油罐地 基处理方案的比较分析和选用，是油罐工程设计的一项重要工作。以浮顶式油罐为 例，说明地基处理在油罐工程中的重要性。对于浮顶式油罐，其密封结构在径向间 隙的允许范围为1 0 0 m m ，这就使得对地基下不均匀沉降的控制标准相对提高不少， 地基的不均匀沉降会造成罐壁板向油罐内、外部倾斜，过大的倾斜便会导致这种密 7 华中科技大学硕士学位论文 从油罐工程的特点可以看到：为了保证油罐工程的安全，人们在选择地基加固 处理方法时，不可能一味求新，对大型油罐这种重大工程，首先要考虑的是应用广 泛且技术成熟的方法，以增加工程的可靠性及安全性，从这个角度出发，众多的地 基处理加固方法中，能够用来加固软土地基的方法只有寥寥几种。但同时应该看到 一种新的地基处理方法一c f g 桩法，在油罐地基处理工程中已得到了越来越广泛 的应用。 近年来，随着我国经济的快速发展，大型油罐在我国石化行业大量建造。甚至 超大型油罐( 公称容积1 0 0 0 0 0 m 3 储罐，直径d = 8 0 m ；公称容积1 2 5 0 0 0 m 3 储罐，直 径d = 8 4 5 m ) 也不断兴建，其地基处理方法在原有常用方法的基础上，不断更新、 改进和完善。例如上海高桥石化设计院贾庆山采用塑料排水板与碎石桩综合处理大 型油罐软基的设计方法；干振碎石桩法；土工格栅钢筋笼碎石桩法；塑料排水板进 行堆土预压处理法；搅拌桩复合地基处理法；土工织物加筋垫层处理法；真空联合 堆载加固大型油罐在超软地基上的处理法；孔内深层超强夯( s d d c ) 石料混土桩 处理法，如：1 9 9 9 年北京。 表1 2 国内外标准( 手册) 中通常采用储罐地基处理方法( 用“”表示) 日本基础工程s h 0 8 3 1 9 9 7 美国a p i 工程标 手册( 包括中日化工部储罐石油化工钢储罐 地基处理方法准( 包括国际会 软土地基会议设计手册地基处理技术规 议资料) 资料)范 充水预压法 垫层法 排水同结法 振冲法 强夯法 灰土挤密桩法 砂石桩法 桩基 9 华中科技大学硕士学位论文 燕山石化公司在房山区牛口峪村建造的4 个1 0 力m 3 原油储罐的地基处理法。 尤其是在2 0 世纪8 0 年代末发展起来的c f g 桩地基处理技术，自从被纳入国家行 业标准建筑地基处理技术规范( j g j7 9 2 0 0 2 ) 以来，c f g 桩复合地基法在工 程实践中已得到了越来越广泛的应用。例如：李风琴和奚进泉对c f g 桩复合地基在 沧州炼油厂5 0 0 0 0 m 3 油罐中地基处理的设计与施工方法进行了探讨。狄峰与张红在 处理5 0 0 0 0 m 3 油罐的地基工程中，对c f g 桩处理油罐地基的适用性进行了初步的 分析印。由于其设计理论先进独特、造价经济合理、处理效果良好、适用地层广泛、 施工工期短、质量易于保证等优势，已经在在许多大、中、小型油罐地基处理工程 中，得到了广泛的应用。 1 3 本文的主要研究工作 本文的工作分为以下几个部分： 本文第一章对c f g 桩复合地基的概念、发展状况及特点、使用范围进行了简 要介绍，尤其重点介绍了油罐地基处理的常用方法。 c f g 桩复合地基法是近几年来在工程界得到许多工程设计人员和施工人员越 来越认同的一种地基处理方法。 本文第二章介绍了复合地基的基本理论；第三章主要介绍了c f g 桩复合地基 的作用机理、设计方法及质量检测方法；第四章提出了对油罐地基处理方法的若干 思考问题：第五章介绍了采用c f g 桩法对某大型油罐进行地基处理的工程实例， 对检测数据进行了仔细分析，并探讨了c f g 桩法在应用于油罐地基处理时应注意 的问题。 最后通过以上的工作得到一些结论，并对c f g 桩在处理大型油罐地基处理方 面提出了一些建议。 - 一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 1 复合地基的定义 2 复合地基基本理论 复合地基( c o m p o s i t e 掣o u n d ，c o m p o s i t cf o u n d a t i o n ，c o m p o s i t es u b 铲a d e ) 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，然后在天然地基中设置加筋 材料，加固区由基体( 天然地基土体或被改良的天然地基土体) 和增强体两部分组 成的人工地基。上部结构的荷载由基体和增强体共同承担。 根据增强体设置方向的不同，复合地基可以分为竖向增强体复合地基和水平向 增强体复合地基。 根据桩体材料、桩体强度与承载力，复合地基可分为：散体材料桩复合地基， 如振冲桩复合地基、砂石桩复合地基、强夯置换墩复合地基；低粘结强度桩复合地 基，如石灰桩复合地基、灰土挤密桩复合地基、水泥搅拌桩复合地基：中等粘结强 度桩复合地基，如夯实水泥土桩复合地基：高粘结强度桩复合地基，如c f g 桩( 水 泥粉煤灰碎石桩) 复合地基、素混凝土桩复合地基等。 桩体复合地基具有两个基本的特点：加固区是由基体和增强体两部分组成， 是非匀质的和各向异性的；在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。 前一特征使复合地基区别于匀质地基，后一特征使复合地基区别于桩基础。从某种 意义上讲，复合地基介于匀质地基和桩基之间。 形成复合地基的条件是基体与增强体在荷载作用下，通过两者变形协调，共同 分担荷载。 c f g 桩复合地基属于高粘结强度桩复合地基，由于其构造上的特殊性，c f g 桩复合地基与其他类型的复合地基有着不同的原理与设计方法。 2 2 复合地基的常用型式 复合地基的常用型式分为以下几种类型： 根据增强体设置方向分为：竖向：水平向；斜向。 根据增强体的材料种类分为：土工合成材料，如土工格栅、土工织物等； 一 1 1 华中科技大学硕士学位论文 叫 坠 i d 图3 2 不加褥垫层时桩、土受力时程分析曲线 这就好像是褥垫层的厚度为0 时的状况，当桩端落在坚硬的土层上时( 端承桩) ， 基础承受荷载后，桩顶沉降变形很小，绝大部分荷载由桩承担，桩间土承载力很难 发挥。当桩端落在一般粘土层上时( 摩擦桩) ，基础承受荷载后，开始时绝大部分 荷载仍由桩承担，但随着时间的增加，见图中曲线，基础和桩的沉降不断增加，基 础下土分担的荷载不断增加，也就是说，桩承担的荷载有一个逐渐向承台下的土转 移的过程。 对于c f g 桩复合地基，如图3 3 所示，当基础承受竖向荷载时，桩和桩问土 都要发生沉降变形。 喜 1 2 0 b 1 0 n 图3 3 加褥垫屡时不同桩长桩、土受力时程分析曲线 1 一边桩 2 边中桩 3 一中心桩 4 桩间土 华中科技大学硕士学位论文 由于桩的模量远比土的模量大，故桩比土的变形小，同时因基础下面设置了一 定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，垫层材料不断调整补充到 桩间土上，以保证在任一荷载作用下桩和桩间土始终参与工作。从图中可以看到， 由于褥垫层的设置，随着时间的变化，桩间土表面的变形不断增加，但桩和土的荷 载分担接近一常值( 此值不论边桩和中心桩) ，即它随时间的变化几乎没什么改变。 这都是因为基础传来的荷载，先传给褥垫层，再通过褥垫层传给桩和桩间土。基础 和桩之间设置了一定厚度的褥垫层后，随着荷载的作用，桩间土的抗压剐度小于桩 的抗压刚度，桩顶出现应力集中，由于级配砂石组成的褥垫层在受压时具有塑性， 当桩顶压应力超过褥垫层的局部抗压强度时，褥垫层局部( 与桩接触部分) 会产生 压缩量，同时基础和褥垫层整体也会产生向下的位移，压缩桩问土。此时，桩间土 承载力开始发挥作用，并产生沉降，直至应力平衡，见图中瞌线所示。可见，设置 褥垫层后基础可以通过褥垫层的调节作用，把一部分荷载传到桩间土上，从而达到 桩土共同承担荷载的目的。 2 、桩与桩间土之间荷载的分担比 图3 4 分别给出了桩基和c f g 桩复合地基两者在竖向荷载作用下桩、土荷载分 担比随荷载水平的变化曲线。 卦必 奔垫b 犀度加e a ， 眷垫1 4 度夫f 0 时 b ) 上 图3 4 桩基、c f g 桩复合地基桩土荷载分担示意图 a ) 桩基( 不加褥垫层) b ) c f g 桩复合地基( 加设褥垫层) 1 7 2 ，l 华中科技大学硕士学位论文 就摩擦桩构成的桩基而言，从图3 _ 4 a 中可以看出，随着荷载的增加，土承担 的荷载占总荷载的百分比，逐渐增加，而桩承担的荷载占总荷载的百分比 ，则逐渐减小。 c f g 桩复合地基与桩基正好相反，从图3 4 b 中可以看到，随着荷载的增加， 桩承担的荷载占总荷载的百分比| v ，逐渐增加，土承担的荷载占总荷载的百分比 。逐渐减小。 图3 5 给出了刚性基础下桩长分别为3 2 m 和1 m 的c f g 桩复合地基中桩、土 荷载分担比随荷载水平的变化。 从图中可以看到，荷载比较小时，土所承担的荷载远远大于桩承担的荷载，随 着荷载的增加，桩间土上承担的荷载占全部荷载的百分比。慢慢减小，桩承担 的荷载占全部荷载的百分比，慢慢增大，当荷载p = a 时，桩和土承担的荷载 各占全部荷载的一半。当p ) n 后，桩承担的荷载超过桩间土承担的荷载。当其他 条件相同时，以随着桩长的增大而逐渐减小。试验结果如图3 5 所示，当桩长3 2 m 时，仇t 1 2 0 k p a ；桩长1 2 m 时，桩承担的荷载恒小于桩间土承担的荷载。 在其他条件相同，荷载一定时，会随桩长的增加而增大；随桩距的减小 ( 置换率m 增大) 而增大；当土的强度越低，也越大；当褥垫层越薄，j v 也越大。 萎i 引 坐塑盛 4 0 ? ，一一一雨丽 2 0i l l l j _ 旦些。 0 10 02 0 03 。 4 。c a )b ) 图3 5 桩土荷载分担比随荷载的变化 a ) 桩长3 2 mb ) 桩长1 2 m 荷载板：1 ，5 7 5 m x l5 7 5 m 桩径d = 1 6 m ；桩距s 35 d 1 8 华中科技大学硕士学位论文 而且，刚性基础下群桩复合地基中，桩所处的位置不同，受力的大小也不同， 如图3 3 所示。一般是角桩受力最大，边中桩次之，中心桩最小。 4 、荷载传递特性 在正常情况下，桩基中桩与承台刚性连接，受竖向荷载后桩顶的沉降、桩问土 表面的沉降以及承台的沉降都相等。但c f g 桩复合地基则不同，任一荷载下桩顶 的沉降、桩问土表面的沉降以及基础的沉降均不相同，如图3 6 所示。 图3 6 桩、土及基础p 一5 曲线 从图3 7 可以看出，在某一深度z 。范围内，土的位移大于桩的位移，土对桩产 生的摩阻力方向是与桩沉降方向一致的，即所谓的负摩阻力，z 。处桩的位移和土的 位移相等，该断面所处位置为中性点。当z ，时，桩的位移大于土的位移，土对 桩产生的是正摩阻力。 0 。 土 桩 j 图3 7 加褥垫层时桩土位移及桩的轴力随深度的变化示意圈 华中科技大学硕士学位论文 从图中可以看到：中性点以上，桩的轴向应力随着深度的增加而增大，中性点 以下桩的轴向应力随着深度的增加而减小。桩的最大轴向应力在中性点处。 在桩基工程中，负摩擦对桩的承载能力产生不利的影响。可是对于c f g 桩复 合地基，土对桩的负摩擦作用有时并非有害，它对提高桩间土的承载力、减少复合 土层的变形起着有益的作用。 5 、桩间土应力的分布状况 图3 8 为刚性基础下桩问土的应力分布。从图上可以看到，基础边缘应力较大， 基础中间部分比较小。如按图3 8 将桩间土的应力分为内外区，用仃。表示外区的平 均应力，盯。表示内区的平均应力，则d 。盯。多在1 2 5 1 4 5 之间变化。 n n 1 1 。； j l _ j - 1 j l ! l ! l _ 上 图3 8 刚l 生基础下桩间土应力分布示意图 3 2 2 复合地基的变形特点 1 、变形模式 图3 - 9 给出了c f g 桩复合地基变形示意图。图3 - 9 a 为荷载p o 时的状态。 p = 0 侈多多， 7z 。4 可一一：一 | ， ， f 。，二， ，?，7|，+ 瞎 一 j j f 7 7 目， 一夕孑， ，?，一 7 j 。i ，j ，j 7 ， i ，7 t 。= j 7 ：一 土 图 一 意 一 示 一 形 一 变 一 。|!| 一 对 一 相 一 土 一 桩 一 。 基 一 地 一 合 一 复 一 桩 一 盯 一 伯卜 一 华中科技大学硕士学位论文 图3 9 b 表示加荷后( p ，o ) 桩顶发生沉降s ，桩间土表面发生沉降s 。，桩端处 桩的沉降为s ：。由于桩体的模量较大，在通常荷载水平下，轴向力引起桩的压缩变 形很小，可咀忽略不计。这样，桩任一断面处的位移可认为与桩顶的位移相等，便 有s ：= s 。桩端处土的位移用s ：表示。 这样由图可得到： 上刺入变形 r ：t = s 。一s ，( 3 - 1 ) 在桩端处，桩的沉降大于土的沉降，即产生下刺入变形，用- 表示： 下刺入变形 a f ：下= s ，一s ， ( 3 2 ) 桩长范围内土的压缩量等于上刺入量与下刺入量之和，即 = 上+ o 3 1 下卧层的压缩变形s ，为： s 2 = s s s 1 ( 3 4 ) 褥垫层的压缩变形3 。为： 毛2 h 。一h r ( 3 5 ) 则基础总的沉降量为 s = s 1 + s 2 + 5 3 ( 3 6 、 即基础总沉降s 由三部分组成：桩范围土层的压缩量s ，：下卧层的压缩量 s ：；褥垫层的压缩量屯。 2 、桩长及基础宽度对变形的影响 ( 1 ) 有些学者曾经做过不同的桩长对沉降变形影响这方面的试验。试验结果 表明：地质条件相同，荷载一定的条件下，桩越长，上刺入量。和下刺入量。会 越小，桩长范围内土的压缩变形量毛也就越小；而桩越短， 、下、墨也就越犬。 对于不同桩长，在同一荷载水平下，若桩、土荷载分担比不同，桩越短，则桩间土 荷载分担比越高；若桩问土受的荷载越大，则桩间土的压缩变形就越大，桩长范围 内上的压缩变形也就越大，反之亦然。 尽管设置了褥垫层，但由于褥垫层的厚度不大，压缩变形量很小，通常可以忽 华中科技大学硕士学位论文 若其他条件不变，当增加褥垫层厚度时，根据前面的原理，在桩顶应力不变的 情况下，可以使褥垫层与桩顶接触的局部产生更大的压缩，基础和褥挚层整体向下 的位移量会加大，桩间土压缩模量便会加大，从而提高了桩间土的竖向荷载分担比 例。反之，减小褥垫层的厚度时，会提高桩的竖向荷载分担比例。 当褥垫厚度为0 时，桩土应力比很大，此时受力状态与桩基相同，当褥垫厚度 很大时，桩土应力比接近1 ，此时受力状态接近于无桩时的受力状态，见图3 1 0 。 基础 o ：各量ke ：_ 矗二i j _ _ ： 口： 盯。口-o jul u 上j 上_ 图3 1 0c f g 桩复合地基工作机理( 桩土竖向荷载分担比) 当褥垫层厚度为o 时，水平荷载在桩与桩间土之间的传力方式为接触传力， 基底水平荷载几乎全部由桩承担。当褥垫层厚度很大时，水平传力方式改为摩擦传 力，且有极限状态时， y = k + k v s ；u ；一； 式中己，基础和土之间的摩擦系数，一般取o 2 5 0 4 5 ； 匕桩分担的水平荷载大小( k n ) ； ( 3 8 ) ( 3 9 ) 华中科技大学硕士学位论文 旷桩间土分担的水平荷载大小( k n ) ： 。桩间土分担的竖向荷载大小( k n ) ； 矿基底总水平荷载( k n ) 。 由于桩间土分担的竖向荷载的大小。可以通过褥垫层的厚度调整，故桩土分 担的水平荷载的比例( 。k ) 也可以通过改变褥垫层的厚度进行调整，当褥垫层 厚度越小时，桩承担的水平荷载越大；当褥垫层厚度越大时，桩间土承担的水平荷 载越大。见图3 1 1 。设计时应适当调整褥垫层的厚度，以控制c f g 桩承担的水平 荷载，以保证无筋桩在水平荷载作用下的安全工作。 t 口 ) t s j !j !j ! t snt sto _ 。_ 。一 谭垫层厚度* o 时 一基。础 ! ? ：j 童：增生e ：矗二j o ： 露垫l 厚度大干o8 - 1 图3 1 1桩土野应力示惹图( 桩土水平荷载分担比) ( 3 ) 减小基础底面的应力集中 当褥垫层厚度a 日= 0 时，桩对基础的应力集中很显著，和桩基础一样，需要考 虑桩对基础的冲切破坏。 当h 大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。 桩顶对应的基础底面测得的反力与桩间土对应的基础底面测得的反力之比用 卢表示，p 值随褥垫层厚度h 的变化如图3 1 2 所示。当褥垫层厚度大于1 0 0 m m 时，桩对基础底面产生的应力集中已显著降低，当a h 为3 0 0 l i l l m 时，芦值已经很 小。 华中科技大学硕士学位论文 嚣 黎 q o 图3 1 2 基础底面应力集中与褥垫层厚度关系图 当褥垫层厚度h ；0 时，基础受竖向荷载和水平荷载y 。在竖向荷载作 用下桩的荷载分担比6 。很大，而士的荷载分担比6 ，很小。 当褥垫层厚度a h 增大到一定数值时，作用在桩顶和桩间土上的剪应力f 。和t 不 大，桩顶受的剪力q p = ，础，( 肌为置换率；4 为基础面积；f ，为桩顶剪应力) 占水 平荷载的比例大体与面积置换率相当，即此时桩受的水平荷载很小，水平荷载主要 由桩间土承担。 试验表明，褥垫层厚度越大，桩顶水平位移越小，即桩顶承受的水平荷载越小。 大量工程实践和室内外试验表明，褥垫层厚度不小于1 0 锄，桩体不会发生水平折 断，桩在复合地基中不会失去工作能力。 2 、褥垫层的合理厚度 首先，褥垫层厚度过小，桩对基础会产生明显的应力集中，同时还要考虑桩对 基础的冲切，这样势必导致基础加厚。如果基础承受水平荷载过大，很可能会造成 复合地基中桩发生断裂。其次，若褥垫层厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，