（油气储运工程专业论文）春晓气田陆上终端岩土工程分析.pdf

a n a l y s i so ng r o u n de n g i n e e r i n g o f t h ec h u n x i a o g a sf i e l dt e r m i n a l g u oq i a n g ( ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iy u - x i n g a b s t r a c t s e c u r i t yl e v e la n dt h ei m p o r t a n c eg r a d eo f t h eg a st r e a t m e n tp l a n t p l a n n e d t ob eb u i l ta r ea l lo fg r a d ea ，w h i c hh o l d sah i g hr e q u i r e m e n t o ns u b s i d e n c ed e f o r m a t i o n t h ee a r t ho ft h es i t eo nw h i c hg a s t r e a t m e n tp l a n ti sg o i n gt ob eb u i l ti sp o o rs u b s o i l b e s i d e s ，n a t u r a l s t r a t u m sa r en o tl a i di nu n i f o r m i t ya n dd r a i nb a r sa r en o td i s t r i b u t e di n r e a s o n a b l ec o n d i t i o n d u et ot h ea b o v er e a s o n s ，d e f o r m a t i o nc a u s e d b yb a c kf i l l i n gs o i ll o a da n db u i l d i n gl o a di sr a t h e rc o m p l e x b a s i n g o na ni n v e s t i g a t i o no fs e t t l e m e n to b s e r v a t i o nd a t ao nt h ea r e aa n dt h e a c t u a ls e t t l e m e n to b s e r v a t i o nd a t a ，s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o ne m p i r i c a l c o e f f i c i e n to ft h ea r e a i sd e t e r m i n e d c o n s o l i d a t i o n t h e o r ya n d f o r m u l ao fs o i lm e c h a n i c sa r eu s e dt oc a l c u l a t ef i n a ls e t t l e m e n t v o l u m e ，p o s ts e t t l e m e n tv o l u m e u n d e rv a r i o u sl o a d sf o r d i f f e r e n ta r e a s o ft h es i t e ，i n c l u d i n gd r a i nb a r sa r e a ，a r e aw i t h o u td r a i nb a r sa n d t r a n s i t i o nd r a i n a g ea r e a d e g r e e so fc o n s o l i d a t i o nf o rd i f f e r e n tp e r i o d s a r ec a l c u l a t e da s w e l l d e p e n d i n g o ns e t t l e m e n td e f o r m a t i o n 1 1 1 r e q u i r e m e n to fd i f f e r e n tb u i l d i n g st h a t f i r ep l a n n e dt ob eb u i l ta n d s e t t l e m e n tv o l u m eo ft h el o c a t i o nw h e r eb u i l d i n g sa r ed e s i g n e dt ob e b u i l t ，d i f f e r e n tf o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d sa n df o u n d a t i o nf o r m sa r e p r o p o s e df o rd i f f e r e n tb u i l d i n g s ，t h u st h ed i f f u s ed e f o r m a t i o n b e t w e e n d i f f e r e n tb u i l d i n g sc a nm e e to v e r a l ld e f o r m a t i o n 3 dg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o i ； w a r ep l a x i si sa d o p t e di n a n a l o gc o m p u t a t i o n t oc a l c u l a t en e u t r a lp o i n t sf o rd i f f e r e n tp i l et y p e s a n dl e n g t h s n e g a t i v es k i nf r i c t i o no fd i f f e r e n tp i l et y p e sa n ds t a n d a r d v a l u eo fv e r t i c a lu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yf o rs i n g l ep i l ea r eo b t a i n e d a s w e l l k e yw o r d s ：u l t i m a t es e t t l e m e n tv o l u m e ，p o s ts e t t l e m e n tv o l u m e ， d e g r e eo fc o n s o l i d a t i o n ，n e u t r a lp o i n t ，n e g a t i v es k i nf r i c t i o n i v 独创性声明 本人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的研究 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过的研究成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：2 0 0 6 年3 月2 6 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件及电子版，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。 学生签名： 导师签名： 2 0 0 6 年3 月2 6 日 2 0 0 6 年3 月2 6 日 中国石油大学( 华东) 磺士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 绪言 春晓气田群位于上海市东南方向约4 5 0 k i n ，浙江省宁波市东南方向约 3 5 0 k i n 的东海大陆架海域。春晓气田群陆上终端工程拟建于浙江省宁波市围 海造田形成的滩涂之上，其主要功能是接收海上生产的天然气，回收原料气 中c 3 以上的重烃组分，生产干气、商品丙烷、商品丁烷，液化气及稳定轻烃 等产品。占地面积2 9 7 5 3 3 m 2 ，主要由场站区、火炬区和原料气输气管路等三 部分组成。场站区主要建( 构) 筑物为：段塞流捕集器、天然气处理装置、 轻烃回收装置、3 0 0 0 m 3 消防水罐2 座、2 0 0 0 m 3 球罐6 座、1 5 0 0 m 3 球罐1 座、 1 0 0 0 m 3 球罐1 座、生活污水处理系统、综合办公楼( 三层) 、管廊、地下管 网及配套附属设施等。 拟建场地自然地面海拔标高为0 2 o 5 m 。自2 0 0 2 年1 2 月开始，该场地 进行大面积回填，回填土厚度为2 5 3 o m ，竣工时间为2 0 0 3 年7 月1 日，整 个场地回填至标高3 o m 。在回填前，对场区道路、消防水罐、办公区、管廊 等部分建( 构) 筑物位置打设塑料排水板( 排水板厚4 m m ，宽l o c m ) ，正方 形排列，间距1 8 0 m ，长度为1 5 2 5 m 。 1 2 研究课题的提出及国内外研究现状 1 2 1 课题来源 软土系指孔隙比大于或等于1 0 ，且天然含水量大于液限的细粒土，包括 淤泥、淤泥质土，泥炭、泥炭质土等，其成因为在静水或缓慢的流水中沉积， 并经生物化学作用形成。软土地基是系指由软土层构成的地基。其特点是含 水量大、压缩性高、透水性差、强度低、沉降缓慢、次固结及工后沉降大。 为确保工程的安全和正常使用，必须进行地基处理。常见的处理方法有采用 了粉喷桩、碎石桩、c f g 桩、真空联合堆载预压法等快速处理方法；为协调 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 地基的不均匀沉降、增强地基稳定性，有的还采用了一些土工织物加筋法。 但是，最为经济实用的处理方法就是排水固结法。对于对沉降变形要求极为 严格的建筑物，通常采用桩基础。 拟建场区地貌主要属海积平原，南部有少量残丘( 为洋纱山) 。海积平原 区地形平坦，微向海倾，地面标高为o 1 1 6 m 。七十年代围海成陆，成为盐 田。主要持力层为软土地基( 主要为淤泥及淤泥质土) ，由于受洋纱山地形及 海面升降的影响，该区地层在水平向上变化较大，自洋纱山向外逐渐加大， 最大深度大于2 0 m 。场地类别也由洋纱山处的i 类场地向外逐渐过渡到类 场地。 由于拟建场地软土地层的分布不均匀，厚度相差很大，导致在相同荷载 作用下，地层的沉降量相差极大，后由于地基处理方法及处理设计不当( 应 当在回填土回填之前，整个软土地基均匀打设塑料排水板，而实际上只在拟 建场地局部打设塑料排水板) ，这就更加导致在回填土荷载作用下，拟建场地 的不均匀沉降，产生了很大的工后沉降差。回填土竣工时，成片打设塑料排 水板区域地基的沉降量是未打设排水板区域的沉降量的2 3 倍，之间相差 5 0 0 7 0 0 m m 。也就是说，未打排水板区域地基的工后沉降量比打设塑料排水 板区域地基的工后沉降量多5 0 0 7 0 0 m m 。因此，就给整个厂区拟建建( 构) 筑物带来了极大不安全因素。 拟建气体处理厂安全及重要性等级均为级，生产厂区的构筑物之闻均 为刚性法兰连接，自身协调变形的能力很小，故整个生产运行体系对沉降变 形量有极高的要求。因此，必须准确计算拟建场区不同位置不同荷载下的地 基沉降量，确定采用最合理的地基处理方法和基础形式，以保证地基的沉降 量满足生产工艺的要求，是本文研究的重点。 目前关于软土地基的沉降变形规律的研究主要还是针对软基处理期间的 沉降，对于工后沉降则主要都是采用各种理论预测和计算方法。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 计算固结度主要是分析沉降量与时间的关系，常用方法有四种：一是以太 沙基一维固结理论为主框架，建立了各种数学物理模型，采用室内试验或反 分析法得来的参数进行计算，预测沉降一时间曲线。如考虑非线性弹性模型 的有限元法、考虑结构性的损伤模型的有限元法、以及大固结变形固结有限 元法等等。但是由于土的状态和分布复杂多变，理论的假设难于完全被满足， 而土的参数选取上则不可避免的存在较大误差，导致理论计算模型很难普遍 应用于工程实践中。二是采用各种蓝线对实测资料进行拟合，然后建立经验 公式。根据实测资料推算沉降一时阅曲线。如指数曲线法、双曲烤法、高木 俊法、泊松曲线法，分段函数法等等。其中通过对上海一座大厦长达3 0 年的 观测总结出的双曲线法是应用最成功、最广泛的方法，其他各种方法则还需 要进一步验证。因此目前要做的不仅仅是用各种方法进行分析，也需要建立 观测系统，采取大量实践数据，为进一步的研究奠定基础。三是运用各种概 率及数理统计方法对测试数据进行分析，由于地基土的各向异性，人们无法 对地基土及各种工程参数逐点精确地把握，只能通过个别测试点的现场测试 或是内试验堆土性参数做出近视的估计。大量的工程实践表明：土性参数的变 异系数远比一般的材料大。正因为如此，采用概率分析的方法，对不确定或 离散性较大的数据，用一个可能出现的范围而不是一个简单的书去描述显得 更为合理。我国于2 0 世纪8 0 年代才开始这方面的工作，但仅局限于简单的 统计方法，随着计算机的发展，针对工程中的随机因素进行有限元分析成为 了可能。近两年这方面又有一些新的发展，如采用时间序列法、概率分析、 可靠度计算、快速遗传法对观测资料进行反分析，在对工程的定性分析方面 取得了一定的成果。四是采用灰色理论、模糊数学等新方法对观测数据进行 反分析，但预测结果距离实际应用仍然有一定的距离。 本文主要采用太砂基理论的分层总和法计算拟建场地地回填土荷载作用 下的沉降量及工后沉降量，推测沉降与时河的关系；采用( 建筑地基基础设 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 计规范) ( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 的推荐公式计算在建筑物荷载作用下地基的沉 降量；研究桩基的沉降机理，对不同的建( 构) 筑物，根据其对沉降要求的 不同，采用不同的桩基类型，以满足不同的建( 构) 筑物及整个生产工艺对 地基沉降变形的要求。 i 2 2 国内外研究现状 1 2 2 1 固结度及沉降量计算 计算土层在上部荷载作用下的最终沉降量，现在主要是以太沙基的土力 学作为基础，将地层按物理力学性质不同，划分为若干地层，计算每一地层 在上部荷载作用下产生的附加应力大小，计算出每一地层的沉降量，各个地 层沉降量的总和，即为该土层在荷载作用下的总沉降量。国内为了简化计算， 在建筑地基础设计规范( 6 b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 给出了一个简易的计算公式。 其次是根据实际观测资料进行推测。 由于岩土工程具有很强的地域性，就导致了土力学不可能成为很精密的 学科，往往总沉降量的计算结果与实际值相差较大，所以在世界各国，总沉 降量的计算都要在理论计算结果的基础上再乘一个系数。我国的规范中就明 确规定，沉降计算经验系数应根据地区沉降观测资料及经验确定。 1 2 2 2 桩基 桩基是一种历史悠久的基础形式。 木桩来解决软土地基上的基础问题了。 早在古代的建筑活动中，就已有采用 在我国，如隋朝的郑州超化寺塔基和 五代的杭州湾大海堤工程，便是两个著名的例子。到了近代，随着生产水平 的提高和科学技术的发展，桩的种类的桩基形式工、沉桩工具和施工工艺以 及桩基理论和设计方法，都发生了很大的演进。桩基已成为土质不良地区建 造建筑物，特别是高层建筑和重型厂房以及各种具有特殊要求的构筑物所广 泛采用的基础形式。 桩基的分类很多，从大的方面来分，可分为两类即预制桩和灌注桩。预 制桩按材料的不同可分为钢筋混凝土桩、钢桩和木桩；按所用材料的不同， 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 可分为锤击、振动打入、静压和旋入等方式。国内外的灌注桩不下几十种， 大体可归纳为沉管灌注桩和钻、挖、冲孔灌注桩两类。 每一种桩基均有其适用的范围，优缺点。一般情况下，在软土地区，上 部荷载不太大的情况下，均采用预制桩，在严重液化场地，沉管灌注桩具有 很大的优越性，对于荷载较大的建( 构) 筑物大部分均采用钻、挖、冲孔灌 注桩，对于沉降要求严格的构筑物，尽可能采用嵌岩桩或大直径灌注桩。 1 3 沉降机理与规律综述 1 3 1 软地基固结理论 1 3 1 1 软土地基固结理论发展 渗流固结作用是指饱和土体在外力作用下引起内部应力变化，从而一部 分孔隙水被挤出，土骨架发生变形，土体产生压密的过程。沈珠江院士将土 的力学性质研究发展史归纳为四次飞跃，即：压硬性、排水压密性、剪胀性、 结构性四个阶段。 对软土的固结沉降的研究应该说是开始于2 0 世纪初期。在1 9 1 8 年，瑞典 的工程师和科学家认识到软粘土的固结沉降现象并通过现场取样测试进行验 证“排水固结”现象。也正是在这一时期，著名土力学家t e r z a g h i 在进行他 的团结研究，并予1 9 2 3 年第一次提出有效应力概念：口= 口一帮，1 9 2 4 年在土 力学国际会议上提出其固结理论。它是以单向竖向固结为基础，根据d a r c y 定律和小变形结构的假定及有效应力原理得出固结方程： c v 箬：祟 0 7 ,研 ( 1 3 1 - 1 ) 从上面可以看出，最初的t e r z a g h i - - 维固结理论是非常简单，是经过许 多的条件简化的，如水的渗流只在竖向进行，士的变形也只在竖向发生，渗 透系数为常数，总应力不随时间而变化等。但一维固结可以得出精确解，而 且它是现代土力学的基础，借助它人们可以对土体的稳定性和沉降闫题进行 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 更符合客观实际的定量计算。 在工程实际中，大量遇到的是三维固结的情况，因此，自t e r z a g h i 提出 一维固结理论后，固结理论已有很大的发展，目前，三维固结理论主要有两 种，一种就是n l r e n d u l i c 将t e r z a g h i - - 维固结理论推广而形成的 t e r z a g h i - l r e n d u l i c _ q 维固结理论，也称为拟三维固结理论：另一种就是由 b l o t 根据饱和粘性土的应力一应变关系和渗流连续性条件推导出来的，称为 b i o t 固结理论，也称真三维固结理论。b i o t 固结方程是比较严格的三维固结 理论，它将土骨架的变形同孔隙水的渗流结合起来考虑，推导的基础是有效 应力原理、静力平衡条件、土的应力应变关系、变形协调条件和孔隙水的渗 流连续性条件以及d a r c y 定律。 用位移分量和孔隙水压力表示的b i o t 三维固结方程组： 一6 v 2 旷+ 南去c 芸+ 等+ 誓，+ 詈一。 一g v 2 矿+ 南。专尝+ 等+ 争+ 詈- 。 一g v 2 万+ 南杀+ 詈+ 争+ 警一一y 一专阮害峨a 砂2 u ：峨罟一砉+ 詈+ 争 上式也可以写成如下腻c , 3 v 2 u = 詈丢詈 口为体应力，c ，；鼎为三维固结系数。假设固结过程中总应 力不变，则得至o t e r z a g h i l r e n d u l i c 黼程： c ，v ：u ：掣 优 三维固结理论由于将变形与渗流结合起来，使得固结方程求解变得复杂， 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 至今没有解析解，只有采用数值解。t e r z a g h i l r e n d u l i c 固结理论假定在固 结过程中法向总应力和为常数，而b l o t 固结理论则没有这个假定，它认为总 应力与变形渗流有关，是时间的函数。由t e r z a g h i 方程可知，孔隙的变化不 依赖于位移，而b l o t 理论，自始至终满足土骨架的变形协调条件，l l g - t l 隙压 力的变化与土骨架的变形是联系起来考虑的。用b l o t 理论算出来的是初始沉 降和固结沉降两部分，若考虑土的蠕变性能则算出来的还包括次固结沉降， 而t e r z a g h i 理论算出来的只是固结沉降部分，初始沉降和次固结沉降只能估 算得出。而且用b l o t 理论可以求出土体变形的水平位移。在计算孔隙压力随 时问的变化上，t e r z a g h i 理论不能算出m a n d e l - c r y e r 效应。因此，从理论上 来说，t e r z a g h i 固结理论还存在不少的缺陷，b l o t 固结理论则能正确地反映 客观事实。不过，由于t e r z a g h i 理论计算起来较为简便，在许多情况下都能 满足工程要求，因而仍然广泛应用于工程实践中。 1 3 1 2 软土地区固结度计算 ( i ) 固结度计算 地基土的沉降过程也就是地基土固结完成的过程，饱和粘土在压力作用 下，孔隙水将随时间的迁延而逐渐被排出，同时孔隙体积也随之缩小，这一 过程称为饱和上的渗透固结；渗透固结所需的时间长短与土的渗透性与土的 厚度有关。土的渗透性越小，土的厚度越大。孔隙水被挤出所需的时间越长。 为了求出土在任一时刻t 的沉降量，就必须求得该时刻士的固结度。固结度计 算公式如下： 西。= l 一0 一万。x l 一万。) 式中；脚标，一只考虑径向排水固结： ：一只考虑竖向排水固结； 肪一同时考虑径向和竖向固结； 卜隶示时间；在公式1 3 i - 4 中 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 孑。：1 一。一南 = 髻 荆= 篙- n 一事 出一一根塑料排水板的有效排水圆柱体的直径， 为姻料排永桶的闻踬ir m ) ! d e = 1 1 3 s ( j n _ 井径比，胛5 老( 彩为塑料排水板的当量换算直径，7 c m ) ； 竖向排水的固结度( 孑。) ，近似地按“o ”型计算，即 瓦：l 一姜。卑 7 。 正= 睾 ( 2 ) 抗剪强度计算 土体在沉降固结的过程中，其抗剪强度也在随土体的固结面增长，即土 体的承载能力也随之增长，沉降量也就随之减小。抗剪强度计算公式如下： 。8 = 田妊f o a r i 。) 其中：为加载历时t 时地基的抗剪强度；7 ，o 为地基天然抗剪强度； 为在荷载压力增量作用下，地基固结引起的强度增长值； 7 丘= 盯：u tt a n q ( 1 3 1 11 ) 式中：吒为预压荷载引起地基中该点的竖向附加应力； q 为地基某一深度处历时t 时的固结度： 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 伊。为三轴固结不排水剪切试验测定的土的内摩擦角； 1 1 为折减系数，取o 9 0 。 1 ，3 2 软土地基沉降且计算与预测 1 3 2 1 沉降量的组成殛计算方法 地基土层在建筑物付载作用下，不断地产生乐缩，至压缩稳定后地基表 面的沉降虽称为地基的最终沉降量。通常认为，地基土层在自重作用下的压 缩已稳定，因此，地基沉降的外因主要是建筑物荷载在地基小产生附加应力， 其内因是土由二相组成，只有碎散性，在附加应力作用下土层的孔隙发生压 缩变形，引起地基沉降。预知建筑物建成之后将产生的最终沉降量，可以判 断地基变形值是否超过允许的范围，以便在建筑物设计和施工时。采取相应 的工程措施来保证建筑物的安全。 经典土力学认为软土沉降量由三部分组成。即外荷载施加后由于剪切 变形而产生的附加沉降，此所谓瞬时沉降( s 。) ；加荷后土体内孔隙水压力 逐步消散而产生的体积压缩变形，此所谓主固结沉降( s 。) ；由于土骨架蠕 变而产生的次固结沉降 ) 。因此，地基沉降计算的理论公式可表示为：s ( t ) 二s d + s 。( t ) + s 。( t ) 。 ( 1 ) 瞬时沉降量的计算 瞬时沉降的大小与加载方式和加载速率有很大的关系，目前，其计算理 论还很不成熟，一般按半理论半经验计算，不少人按经验关系式直接估算。 国内通常是在地基固结沉降的基础上，用经验系数修正，以便考虑瞬时 沉降及其它因素的影响。对于这种方法，虽然已经积累不少经验，但存在的 问题是显而易见的。 ( 2 )次固结沉降量的计算 通常只有高塑性粘土、有机质土及泥炭的次固结系数较大，会产生次固 结沉降，对其他土类可以不计次固结沉降。和瞬时沉降一样，次固结沉降的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 计算理论也不成熟，采用的仍然是估算公式，常用的估算公式为： 墨= 喜南c o n 蔓t l 川2 式中：鬼为软土厚度( c 皿) ，最是主固结结束后产生次固结前的孔隙比，玉 为需要计算次固结沉降的时间，可取5 0 年，t z 为相当于固结度达1 0 0 的时间。 ( 3 )主固结沉降量的计算 由于s 一和s s 尚无成熟的计算方法，大多采用半理论半经验的方法，所以往 往用主固结沉降量推求总沉降量，即s ：m 。s 。式中m 。为综合修正系数。由于 地很难准确选取，地基的沉降量也很难估算。 目前对于地基的最终沉降量计算一般采用分层总和法、建筑地基基础 设计规范( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 推荐法及实测资料推测法。建筑地基基础设 计规范( g b5 0 0 0 7 - 2 0 0 2 ) 推荐法是对分层总和法进行简化得化，更加利于 实际工程计算。 1 3 2 2 分层总和法沉降量计算 分层总和法沉降量计算，即是在地基压缩层范围内划分为若干水平土层， 分层计算各层的压缩量，然后求其总和。计算时，应先按基础荷载、基底形 状和尺寸、以及土的有关指标求得土中应力的分布( 包括基底附加压力、地 基中的自重应力和附加应力) 。 计算地基最终沉降量的分层总和法，通常假定地基土压缩时不允许侧身 变形( 膨胀) ，即采用完全侧限条件下的压缩性指标。为了弥补这样得到的 沉降量偏小的缺点，通常取基底中心点下的附加应力进行计算。计算公式如 下： 2 喀鼍她 。彦。， 式中：e o 在瑰土层的压缩曲线上，相应于土层自重应力下的孔隙比； 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 p l 在丘土层的压缩曲线上，相应于土层自重应力与附加应力下 的孔隙比： 肌经验系数( 为了使计算结果与实际结果更加接近，本文计算时 增加了一个经验系数) 。 地基变形计算深度的确定：一般取地基附加应力等于自重应力的2 0 处， 如在该深度以下仍有高压缩性土，则应继续向下计算至地基附加应力等于自 重应力的10 处。 1 3 2 3 建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 - 2 0 0 2 ) 推荐法 为使分居总和法沉降计算结果在软弱地基都坚实地基情况，都与实测沉 降量相符合，建筑地基基础设计规范法引入一个沉降计算经验系数帆， 此经验系数儿由大量建筑物沉降观测数值与分层总和法计算值进行对比总 结所得。对于软弱地基虮 1 0 、别于坚实地基眈 0 9 5 。 ( 2 ) 施工分析 预应力管桩应通过现场试验确定施工工艺的可行性及桩身强度能否 满足要求。该方法可在回填土面层上直接进行施工。 深层搅拌桩由于受设备性能的影响，无法穿透回填土中的“塘碴层”， 粉喷深层搅拌桩连工前必须将回填的“塘碴层”挖除或采用套管先将碎 石层打穿。 ( 3 ) 方案分析 优点：能解决管基的不均匀变形：保证各种管道的安全运行，减少 4 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章单项工程岩土工程分析 地下管道的维修，维修费用少； 3 1 2 条款分析的管道运行隐患可得到基本控制。 缺点：工期相对较长、投资大。 难点：由于岩土工程离散性等特征，复合地基区域的沉降量与排水 板区域的沉降量匹配计算存在着差异。 费用：深层搅拌桩7 0 0 8 0 0 万元；打入桩9 0 0 1 0 0 0 万元。 ( 4 ) 管道布置建议 各种管道应尽量并行布置，汇聚在一起，并减少管道的间距，以减 少地基处理的范围及费用。 3 1 4 地下管网沉降监测 因地下管道为隐蔽工程，应对地下管网的沉降进行监控，宜在地下 管道穿越排水板区域和无排水板区域地带以及在场地总沉降量变化较大 的地带设置地下管道沉降观测点。观测点的间距和数量宜根据地下管道 所采用管材的变形参数及场地的差异沉降量综合确定。 地下管道沉降观测点的埋设方法：在设置沉降观测点位置的地下管 道上加设长0 5 m 的套管，管道与套管之间应充填密实，在套管上焊接直 径由 的无缝钢管作为地下管道沉降观测管，观测管的长度应-80 l o o m m 达到场地地面设计标高。 3 1 5 结论与建议 ( 1 ) 采用结构措施调整管道地基的不均匀变形若能满足管道设计要 求，则可选择方案一。该方案应加设管道的沉降观测点，以便对地下管 道的安全运行进行监测。管道施工竣工后，应在地面上设置明显标志， 在管道的上方不应堆放建筑材料或设备，以减少上述荷载对管道引起不 均匀沉降变形。 4 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章单项工程岩土工程分析 ( 2 ) 若方案一不能满足设计要求，则建议采用方案二，对地下管道 穿越的无排水板区域补打排水板，有效地控制地下管网地基不均匀沉降 在较小的范围内，以确保地下管网的安全运行，管道施i n 需要安排在 整个工程施工的后期进行。 ( 3 ) 方案三工期长，造价高，非特殊要求不宜采用。 3 2 球罐0 3 2 1 球罐设计参数 球罐设计参数见表3 2 1 。 球罐设计参数表3 2 1 基础基础 基础 罐体直径最大质量支柱数量 单柱荷载整体沉基础 球罐类型线荷载设计值降量沉降差 底标高形式 ( m )( i ( 个) ( k n m )o ( m m )( m m ) 2 0 0 0 m 4 8 21 5 73 0 1 7 71 0 3 0 1 8 4 0 1 5 柱下 1 5 0 0 m 32 1 0 m环墙 3 6 91 4 2 2 0 8 9 5 8 2 6 1 2 4 0 1 4 基础 1 0 0 0 m 2 8 31 2 3 1 3 8 8 181 7 3 54 01 2 3 2 2 地质条件 3 2 2 1 地层条件 该处上部淤泥质土分布较均匀，埋深为1 3 4 1 4 3 m ，而下部中等压 缩的粘性土层在水平向上分布变化较大( 见详勘报告的1 9 、2 0 、2 l 剖面) ， 尤其是详细勘察报告中推荐的可作为为桩尖持力层的第l 层的层顶标 高( 2 0 9 3 2 8 3 3 m ) 及厚度( 2 8 - 1 0 8 m ) 变化大，各相邻勘探点之间 第l 层的层顶坡度为9 6 - - 3 8 7 。 该区2 层层顶标高为- 5 7 5 6 9 6 m ，南北向变化小，东西向变化较 大，从东向西埋深逐渐加大。 3 2 2 2 沉降情况 4 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章单项工程岩土工程分析 该区未打设塑料排水板。根据基底观测资料，2 0 0 3 年1 0 月l1 日该 区中心的沉降量约为4 4 0 r a m ，四周由于拟建道路打设塑料排水板的原因， 沉降量为5 4 0 6 3 0 m m 。 该区在回填土荷载作用下的总沉降量约为：7 5 0 m m ，截止2 0 0 3 年 1 2 月未完成的沉降量约为4 5 0 - 5 0 0 m m 。 3 2 3 基础方案初步分析 3 2 3 1 天然地基分析 该区在回填土荷载作用下于2 0 0 3 年1 2 月未完成的沉降量约为 4 5 0 5 0 0 m m ，无法满足球罐基础对地基变形的要求，故采用天然地基不 可行。 3 2 3 2 复合地基分析 复合地基主要是通过在软弱土层中加设竖向增强体，提高地基的承 载力及压缩模量，减少地基的沉降及不均匀沉降。虽然复合地基能满足 球罐基础对地基承载力的要求，但复合地基在回填土荷载的作用下，仍 有约为3 0 0 m m 的沉降量，显然不能满足设备工艺对地基变形的要求，故 复合地基方案也不可行。 3 2 3 3 桩基方案分析 桩基础可以有效地控制基础的沉降变形量，是可行的方案。 3 2 4 桩身设计参数 3 2 4 1 桩身设计参数取值 根据桩身范围之内各个土层的压缩性，采用三维岩土工程有限元分 析软件p l a x i s 计算，中性点深度在0 6 0 0 7 0 倍桩长处，随着地基沉 降的发展而变化。采用摩擦端承型桩计算，不考虑中性点以上土的承载 力，负摩阻力的桩群效应系数取0 8 。 计算的桩侧负摩阻力鲒大于正摩阻力，按详勘报告中提供的桩的极 - 5 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章单项工程岩土工程分析 限侧阻力标准值q s i k 采用。 3 2 4 2 桩基计算 球罐拟采用桩型的单桩竖向极限承载力标准值纵及由负摩阻力引 起的下拉荷载计算结果见表3 2 4 1 。 表3 2 4 1 成桩桩长桩径 计算各点( k 删哪 各点下拉荷载1 2 7 鲜 ( 1 0 0 工艺 ( m )( m m ) c k 3 1c k 2 4c k 3 0平均c k 3 ic k 2 4c k 3 0平均 8 0 0 3 1 8 6 2 1 2 43 0 3 32 7 8 i3 2 1 2 3 3 1 2 3 0 4 33 1 8 9 钻 5 0 0 孔 9 0 03 6 5 52 4 6 03 4 8 33 2 0 03 6 1 43 7 2 63 4 2 3 3 5 8 8 灌注 8 0 08 5 7 68 6 2 96 6 l o7 9 3 84 2 0 83 6 9 53 7 8 33 8 9 5 桩 嵌岩 9 0 01 0 1 4 31 0 2 0 37 9 3 l9 6 8 04 7 3 4 4 1 5 74 2 5 64 5 4 7 由以上计算可知，由于负摩阻力引起的下拉荷载较大，非端承桩难 以满足设计要求，建议采用端承桩，采用直径9 0 0 的钻孔灌注桩并且以 2 层作为持力层，要求桩身进入持力层不小于1 倍桩径。 单桩极限承载力为9 6 8 0k n ，单桩承载力设计值取为5 8 7 0k n ，采用 单柱单桩由负摩擦力引起的下拉荷载鲜为4 5 4 7 k n 。单桩承载力验算 如下： 2 0 0 0 m 3 ：y o ( n + 1 2 7 9 ) 2 1 1 ( 3 0 1 8 + 1 2 7 x 4 5 4 7 ) = 9 6 7 1 _ 1 6 r = 9 6 8 0k n 1 5 0 0 m 3 ：7 0 ( n + 1 2 7 蛾) 5 1 1 ( 2 6 1 2 + 1 2 7 x 4 5 4 7 ) - - 9 2 2 5 _ _ 1 6 r = 9 6 8 0l 【n l o o o m 3 ：y o ( n + 1 2 7 鲜) 2 1 1 ( 1 7 3 5 + 1 2 7 x 4 5 4 7 ) = 8 2 6 0 _ 1 6 r = 9 6 8 0k n 5 l 一 中国石油大学( 华东) 顶士论文第3 章单项工程岩土工程分析 满足要求。 在荷载作用下，钻孔桩的桩底沉渣仍然会使桩端产生一定的压缩， 因此对每一根桩进行孑l 底注浆，使得沉渣密实，减小桩顶沉降。 3 2 4 3 布桩形式及桩长确定 由于该区2 层层顶标高变化较大，各球罐甚至同一个球罐基础下 2 层层顶标高均不相同，故桩底标高应随2 层层顶标高变化，表3 2 4 2 中的数值可作为设计标注尺寸，实际施工桩长以桩身进行入2 层中不小 于l 倍桩径作为终孔标准。灌注混凝土之前，孔底沉渣厚度小于5 0 m m 。 表3 2 4 - 2 球罐类型2 0 0 0 m 3 球罐 1 5 0 0 m 1 0 0 0 r n 球罐球罐 编号 l23 4 56 桩底标高 6 6 6 76 2 6 3 5 8 5 6 06 8 7 06 3 - 6 5 5 9 5 - 6 07 0 6 3 5 ( m ) 6 5 布桩数量 1 01 0 1 0l o l o1 088 ( 根) 桩位应布置在支柱中心，施工时要严格控制桩位偏差。 桩底标高：桩位在球罐西部选小值，在东边选大值。 表3 2 4 1 给出的单桩竖向极限承载力标准值( k 为根据详细勘察报 告中提供的桩身设计参数计算所得，施工前应进行试桩，以试桩结果为 准。 球罐间的管架可采用打入式预应力管桩，桩长宜为4 0 m ，桩基最终 沉降量为8 0 r a m ，若不能满足变形要求，可采用嵌岩桩。 3 2 5 球罐基础沉降和受力分析 利用有限元计算球罐位置设置单桩巾8 0 0 混凝土桩，压缩模量e _ 2 5 g p a 。泊松比v = 0 1 2 ，容重w = 2 5k n m 3 。桩打入持力层。 根据地质报告，计算模型如图3 2 5 1 所示，计算时单桩作为轴对称 5 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章单项工程岩土工程分析 问题处理，计算半径为1 0 米。地基土采用莫尔库仑模型，6 结点三角形 单元。计算深度取深度为6 5 m 处，即打穿第9 层含碎石粉质粘土层，进 入第1 0 层基岩。 计算中，桩周土堆载5 4 k p a ，计算桩顶施加荷载2 0 0 0 k n 条件下，桩 的最终轴力和桩侧摩阻力。如图3 2 5 2 所示。轴力以向下为正。 从图中可以看出，中性点位置为4 2 5 m 处，最大轴力为8 1 1 0 k n ，桩 底轴力为1 8 0 8 k n 。 图3 2 5 1球罐单桩计算模型 5 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章单项工程岩土工程分析 3 2 6 结论 由于球罐对变形的要求很严格，天然地基、复合地基及非端承桩基 础均不能满足设计对变形的要求，建议采用端承桩，为直径吐 9 0 0 的钻 孔灌注桩，并且以2 层作为持力层，桩身进入持力层不小于l 倍桩径。 为了控制桩底沉渣对沉降的影响，应对桩端进行后注浆处理。 表3 2 4 1 给出的单桩竖向极限承载力标准值g t 为根据详细勘察报 告中提供的桩身设计参数计算所得，施工前应进行试桩，以试桩结果为 准。 3 3 消防水罐 3 3 1 设计参数 消防水罐参数表表3 3 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章单项工程岩土工程分析 3 3 2 地层条件 消防水罐区第l 层及以上( 深度约1 8 m 以上) 土层分布相对较均 匀，第l 层及以下土层在纵向上变化较大。淤泥质土层层底埋深为 1 3 4 1 4 3 m ( 见详勘报告3 号剖面c k 7 、c k 8 、c k 9 资料) 。 该区消防水罐基础下打设了塑料排水板，排水板深度约为1 5 5 m ， 排水板底标高约为1 4 0 m ，排水板深度均超过了淤泥质土层的厚度。 3 3 3 沉降分析 3 3 3 1 沉降观测资料 根据2 0 0 3 年1 2 月5 日的基底沉降观测资料，该区在回填土荷载作 用下的沉降量约为8 7 6 n u n 。 根据浙江省工程勘察院2 0 0 3 年1 1 月对拟建场地地面的测量成果知： 该区的地面标高约为2 7 5 m 。 3 3 3 2 填土荷载作用下的最终沉降量 该区地基土在填土荷载作用下的最终沉降量为7 5 0 - 8 0 0 m m ，主要由 上部淤泥质土层形成( 占总沉降量的7 3 ) 。2 0 0 3 年1 2 月排水板深度内 土层的固结度约为9 0 ，排水板深度下部土层的固结度约为2 5 。 3 3 3 3 回填土荷载作用下未完成的沉降量 假设消防水罐的施工开工时间为2 0 0 3 年1 2 月，回填土荷载作用下 未完成的沉降量约为1 0 0 - 1 5 0 m m 。 3 3 4 消防水罐地基基础方案分析 3 3 4 1 充水预压方案 采用充水预压加法固地基，主要是利用排水板“加速固结”的作用， 即加速地基固结及地基强度的增长，使得在消防水罐荷载作用下，地基 大部分沉降在充水预压过程中完成，使罐体投入运行后不至于产生较大 5 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章单项工程岩土工程分析 的沉降。根据c k 7 、c k 9 勘探孔提供的地层资料和罐体的设计参数，计 算在消防水罐荷载作用下的最终沉降量，c k 7 号孔为1 2 2 5 m m ，c k 9 孔 沉降量达1 0 2 5 m m 。 优点；地基处理费用低，技术上不复杂。 缺点：充水预压工期较长，在消防水罐投入运行后，仍存在较大的 工后沉降。 过大的工后沉降量及不均匀沉降可能使罐体产生整体倾斜或环形基 础的挠曲、罐体失稳、罐底产生凹陷( 形成锅底) 甚至凹折拉裂，可能 导致装置无法使用。 3 3 4 2 堆载预压方案 堆载预压，先在拟建消防水罐的地基上进行堆载加荷，加荷值可同 消防水罐运行期间荷载基本相同，使地基预先产生固结，在罐基础施工 前完成大部分沉降。待沉降稳定后卸去堆载建罐。该方法可以缩短罐体 充水预压时间和减小罐基础过大的沉降量及不均匀沉降，比充水预压方 案更安全。 优点：可以消除大部分罐基础施工后沉降和不均匀沉降；技术不复 杂；罐体基础的预抬高量容易计算。 缺点：预压工期( 约1 年) 长，在设备投入运行后，排水板加固深 度以下的地层固结非常缓慢，仍存在较大的工后沉降；费用相对较高。 3 3 4 3 桩基础方案 优点：能有效地控制消防水罐的总沉降量，总沉降量及不均匀沉降 量均很小，能满足设计或工艺要求；工期较短。 缺点：投资较高。 3 3 4 4 复合地基方案 采用深层搅拌桩复合地基，以提高淤泥质土层的压缩模量，减少罐 一5 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章单项工程岩土工程分析 基础的沉降及不均匀沉降。 优点：可以减少罐基的工后沉降及不均匀沉降；造价中等； 缺点：罐基仍存在相对较大的工后沉降量； 由于该区打设了塑料排水板及填土层中有厚约2 m 的碎石层，深层 搅拌桩施工较困难。 3 3 4 5 综合分