（环境工程专业论文）大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析.pdf

大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析 学位论文完成同期：冽! ! 生 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特；n d i ：i 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，也不包含未获得( 注： 如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的 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作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：老琊奄签字日期：1 0 口年月己日 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，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将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、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：李拍 签字日期跏c d 年厂月 l , z - h 导师签字： 蚤7 磊亏 签字日期：寂。加年石月a a 日 大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析 捅要 在油罐基础设计过程中，如果对油罐基础变形估计不足，小则造成工程构 筑物开裂影响使用效果，大则引发倾倒等严重工程事故造成巨大的经济损失。不 少实例表明，各种地基处理方法可以成功地解决储罐基础的不均匀沉降问题，其 中，采用振冲碎石桩加固油罐地基，应结合充水预压加固方法进行，以充分发挥 碎石桩排水作用与油灌在使用前可以进行充水预压这一特点，这样既可降低地 基加固处理费用，又能消除地基固结沉降，是一种经济合理的油罐地基加固方 法。因此大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析是既有理论意义又 有工程价值。 本文结合阿尔及利亚s k i k a d a 炼油厂大型储罐软基进行振冲碎石桩与充 水预压联合加固处理的现场试验，以系统控制油罐的变形为主要研究目标，采用 大型有限元p l a x i s 程序，建立大型油罐碎石桩地基的二维有限元模型，利用轴对 称有限元方法进行数值模拟和计算，研究不同桩长的分布范围、长度：置换率不 变时，桩径或桩间距的变化；桩径、桩间距引起的置换率变化；褥垫长度等参数 对差异沉降的影响。横向对比各参数对差异沉降的影响效果，分析负向侧向位移 与差异沉降的关系，藉以探讨减少差异沉降最优办法。同时，对碎石桩破坏变形， 包括刺入、侧向膨胀、整体变形进行有限元数值分析，研究碎石桩复合地基变形 破坏特征。并将有限元数值分析结果与现场监测值对比分析。最后，对加固检测 效果经行评价；通过对油罐地基地表土与深层土变形的长期观测，取得了大量的 原始数据；研究充水预压加固过程中油罐地基的变形特性，论述了地基地表土、 深层土、油罐地基的平面倾斜与非平面倾斜及环墙摇摆下沉特性：并对油罐地基 沉降进行了分析。主要得出以下结论： ( 1 ) 在一般的工程设计中，建议对于二维数值计算，可以采用圆环来简化仿 真油罐碎石桩基础。 ( 2 ) 油罐地基差异沉降随着不同桩长分布范围产生变化，其中，在长桩：0 m - 一 0 3 3 d ，中桩：0 3 3 d - - - 0 3 9 d 或0 3 3 d o 4 2 d ( d 一油罐直径) 处形成一极小值；油 罐中心范围内复合地基，通过固定桩径不变，减小桩间距来增大置换率，可使复 合地基在相对较小的置换率条件下获得更小的差异沉降；油罐中心范围内复合地 基，置换率一定时，桩径越大( 同时桩间距也就越疏) ，碎石桩地基的差异沉降也 就越小；随着桩径越来越大，差异沉降的增幅也越来越小；褥垫层的布置率为油 罐底面积的6 0 时，差异沉降达到最小值；不同差异沉降调整方法对比发现，通 过调整长桩分布、置换率可以很好的降低地基差异沉降，而改变褥挚层的效果不 是十分明显；油罐地基负向侧向位移的出现是差异沉降调整的一个重要特征。 ( 3 ) 在不同挚层模量下，存在碎石桩桩体刺入垫层；并且，随着垫层模量的 增大，碎石桩桩体刺入量也越来越小；距离桩顶以下一定距离内，碎石桩和桩间 土的竖向沉降量趋于一致，不存在沉降差的问题。垫层模量的变化对桩顶上刺量 的影响较大，垫层模量越大，桩顶上刺量越小。随着地基刚度变小、荷载变小或 者置换率变小，产生侧向膨胀的范围会逐渐变大；但是，无论各因素如何变化， 相应侧向膨胀的最大值都位于地面以下恒定深度( 本例深度为2 5 m ) ； ( 4 ) 振动水冲碎石桩施工对于砂土起到振密作用，消除砂土液化，提高地基 土强度；经振冲碎石桩与充水预压处理加固后，复合地基的容许承载力特征值 2 2 5 k p a ，达到设计的要求。该油罐平面倾斜、非平面倾斜满足规范的地基变形 允许值，振冲碎石桩与充水预压联合加固处理软弱地基是合理可行的，有限元数 值模拟可以应用于辅助分析地基变形。 关键词：碎石桩有限元数值分析差异沉降破坏变形 f e m a n a l y s i so fd e f o r m a t i o nt r a i to fg r a v e lp i l ef o u n d a t i o n u n d e rl a r g e s c a l eo i lt a n k a b s t r a c t i nt h ed e s i g np r o c e s so ft h eo i lt a n kf o u n d a t i o n ，i ft h ed e f o r m a t i o ni se s t i m a t e d i n s u f f i c i e n t ，t h es m a l li m p a c tw i l lb ec a u s e db ye n g i n e e r i n gs t r u c t u r e ss p l i t e d ，t h e l a r g ei m p a c tw i l lb et r i g g e r e ds e r i o u sa c c i d e n t ss u c h a sd u m p i n ga n dc o u r s et h eh u g e e c o n o m i cl o s s e s m a n ye x a m p l e ss h o wt h a ta l ls o r t so ff o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d c a nr e s o l v es u c c e s s f u l l yu n e v e ns e t t l e m e n tp r o b l e mo ft h et a n k v i b r o f l u c t u a t i o n c r u s h e ds t o n e ( v c s ) p i l e sf o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n tw a sa p p l i e d ，c o m b i n e dw a t e r f i l l i n gp r e l o a d i n gc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ，s oa st og i v ef u l lp l a yt h i sf e a t u r e ，t h eg r a v e l p i l ed r a i n a g ee f f e c ta n d o i lf o u n d a t i o nb e f o r ew a t e rf i l l i n gp r e l o a d i n gw a su s e d t h u s i tc o u l dr e d u c et h ec o s to ff o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n ta n de l i m i n a t ef o u n d a t i o n c o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t i ti sak i n do fr a t i o n a le c o n o m i cr e i n f o r c e m e n tm e t h o do ft h e t a n kf o u n d a t i o n t h e r e f o r ef e ma n a l y s i so fd e f o r m a t i o nt r a i to fg r a v e lp i l e f o u n d a t i o nu n d e rl a r g e s c a l eo i lt a n ka r eb o t ht h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dv a l u e b a s e do nt h es k i k a d aa l g e r i at ol a r g et a n k sr e f i n e r ys o f tv i b r o r e p l a c e m e n t s t o n ec o l u m nw a t e rf i l l i n gp r e l o a d i n gc o m b i n e dw i n lt h ef i e l dt e s t , c o n t r o l l e d s y s t e m i ct h ed e f o r m a t i o no ft h et a n kw a st h em a i nr e s e a r c ht a r g e t s t h el a r g e s c a l e f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l a n a l y s i s s o f t w a r ep l a x i sw a sa p p l i e dt oe s t a b l i s ha t w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h ef o u n d a t i o nt y p e a x i s y m m e t r i cf e m w a si n t r o d u c e di nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n c o m p a r e dw i t l l d i f f e r e n tl e n g t hd i s t r i b u t i o n ，l e n g t h , e x c h a n g er a t eu n c h a n g e d , t h ed i a m e t e ro rc h a n g e o fp i l es p a c i n g ，p i l ed i a m e t e r , p i l es p a c i n go fe x c h a n g er a t ec h a n g e s ，t h el e n g t ho ft h e c u s h i o nc o u r s eo ft h et a n kf o u n d a t i o nw e r ea n a l y z e do nt h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to f g r a v e lp i l ef o u n d a t i o nu n d e rl a r g e - s c a l e o i lt a n k s ；t h ee f f e c t so fd i m i n i s h i n gt h e d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb yc o m p a r e dw i t he a c hp a r a m e t e r ；c o m p a r e dw i t ht h er e l a t i o n o fl a t e r a l d i s p l a c e m e n ta n d d i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t , t h eo p t i m a l s o l u t i o no f d i m i n i s h i n g t h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tw e r e e v a l u a t e d f i n a l l y , t h e r e s u l to f a x i s y m m e t r i cf e mc o m p a r e dw i t ht h ef i e l dd a t a a tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c to f i i i s t r e n g t h e n i n gw a se v a l u a t e d ；t h r o u g ht h el o n g t e r mm o n i t o r i n go fd e f o r m a t i o no ft h e d e e ps o i la n ds u r f a c es o i l ，ag r e a tn u m b e ro fp r i m i t i v ed a t aw e r eo b t a i n e d i nt h i s p a p e r , t h ep l a n ei n c l i n a t i o na n dn o n - p l a n ei n c l i n a t i o no ft h es u r f a c ea n dd e e ps o i l ，a n d t h es w a ys e t t l e m e n to ft h er o u n dw a l la r ed i s c u s s e d t h es e t t l e m e n to ft h eo i lt a n k f o u n d a t i o ni sa n a l y z e da n de v a l u a t e d m a i nc o n c l u d e d ： ( 1 ) i nt h eg e n e r a le n g i n e e r i n g d e s i g n ，t h eg r a v e lp i l ef o u n d a t i o nc o u l db e s i m p l i f i e db yt h ec i r c l et os i m u l a t et a n kf o r2 - dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ( 2 ) d i f f e r e n c e s e t t l e m e n to f f o u n d a t i o n c h a n g e sw i 血d i f f e r e n tp i l el e n g t h d i s t r i b u t i o ns c o p e ，w h i c h , 晰t hl o n gp i l e ：0 m - v 0 3 3 d ，0 3 3 d - - 0 3 9 do r0 3 3 d - 0 4 2 d ( d - t a n kd i a m e t e r ) i sam i n i m u m ；i nt h ec e n t e rs c o p eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n , t h r o u g hf i x e dp i l ed i a m e t e r , r e d u c e dp i l es p a c i n gt oi n c r e a s er e p l a c e m e n tr a t e ，c o u l d m a k et h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni nr e l a t i v e l ys m a l l e rc o n d i t i o n sf o rd i s p l a c e m e n tr a t e o b t a i n e dd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ；i nt h ec e n t e r s c o p eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，k e p t e x c h a n g er a t e ，p i l ed i a m e t e ri s m o r eb i g g e r ( a n dt h e p i l es p a c i n g ，g r a v e lp i l e f o u n d a t i o ni sl o o s e r ) t h ed i f f e r e n c es e t t l e m e n ti sm o r es m l l e r , w i t ht h ei n c r e a s i n gp i l e d i a m e t e ri n c r e a s e d ，d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to fc h a n g i n gi sl e s s e r ；w h e nm a t t r e s sl e v e l a r r a n g e m e n tr a t ef o ro i lp o tf l o o rs p a c e6 0 ，t h eu n e q u a ls e t t l e m e n ta c h i e v e si s s m a l l e s t ；d i f f e r e n t 删u s t m e n tm e t h o d so fd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb ya d j u s t i n gt h e l e n g t hd i s c o v e d ，t h r o u g ha d j u s t e dt h el o n gp i l ed i s t r i b u t i o n ，t h er a t eo fd i s p l a c e m e n t c o u l dr e d u c ed i f f e r e n ts e t t l e m e n t , b u tc h a n g e st h em a t t r e s sl e v e lt h ee f f e c ti sn o tv e r y o b v i o u s ；t h ef o u n d a t i o no fl a t e r a l d i s p l a c e m e n to fn e g a t i v ed i f f e r e n t i a ls u b s i d e n c e a p p e a r st ob eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r e so fa d j u s t m e n t ( 3 ) u n d e rt h ed i f f e r e n tb r e a k e rs t r i pm o d u l e ，g r a v e lp i l et h r u s tp a dg r a v e ll a y e r ， a n d ，w i t ht h ei n c r e a s eo fc u s h i o nm o d u l u s ，t h ea m o u n to fg r a v e lp i l ei ss m a l l e r , b e l o wd i s t a n c eh e a do fp i l ei nc e r t a i nd i s t a n c e ，t h e r ei sn os e t t l e m e n td i f f e r e n c e p r o b l e m t h eb r e a k e rs t r i pm o d u l e sc h a n g ep u n c t u r e st h eq u a n t i t yt ot h eh e a do fp i l e o nt h ei n f l u e n c et ob eb i g ，t h eb r e a k e rs t r i pm o d u l ei sb i g g e r , o nt h eh e a do fp i l e p u n c t u r e st h eq u a n t i t yt ob es m a l l e r ；a sf o u n d a t i o ns t i f f n e s sb e c o m e ss m a l l e ra n d s m a l l e rl o a do rr e p l a c e m e n tr a t eo rt h es c o p eo ft h el a t e r a li n f l a t i o nw i l lb e c o m e t h em a x i m u ml a t e r a li n f l a t i o ni sb e l o wg r o u n dc o n s t a n td e p t h ( i nt h i sc a s ed e p t hf o r 2 5m ) ， ( 4 ) t h ew a t e rg r a v e lp i l ec o n s t r u c t i o np l a y e da r o l eo fv i b r a t i o n ，e l i m i n a t e ds a n d s o i ll i q u e f a c t i o n ，e l i m i n a t i o no ff o u n d a t i o ns o i l ，i m p r o v et h ei n t e n s i t y , t h e v i b r o r e p l a c e m e n ts t o n ec o l u m na n dw a t e rf i l l i n gp r e l o a d i n gt r e a t m e n ta f t e r r e i n f o r c e m e n t ，t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fc o m p o u n df o u n d a t i o n2 2 5 k p ae i g e n v a l u e ， a l l o wt od e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ep l a n ei n c l i n a t i o na n dn o n - p l a n ei n c l i n a t i o no ft h e s u r f a c em e tt h es t a n d a r dv a l u eo fd e f o r m a t i o no ff o u n d a t i o n ，t h es o f ts o i lc a nb e i m p r o v e dr e a s o n a b l yb yt h ev c sp i l e sc o m b i n e dw i t hp r e l o a d i n g ，f i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o u l db ea p p l i e dt oh e l pe x p l a i nt h ea c t u a l l y m e a s u r e dd a t a k e yw o r d s ：v i b r o f l u c t u a t i o nc r u s h e ds t o n e ( v c s ) p ii e 。f e m ，n u r n e ri c a i a n aly sis ，dif f e r e n ts e t tie m e n t d e s t r u c t io nd e f o r m a tio n v 目录 1 绪论1 1 1 选题依据及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 碎石桩复合地基研究现状2 1 2 2 碎石桩复合地基变形研究现状5 1 2 3 碎石桩的有限元分析研究现状6 1 3 研究思路和内容8 1 3 1 研究思路。8 1 3 2 论文主要研究内容9 2 碎石桩复合地基作用机理与沉降计算理论研究1 1 2 1 碎石桩复合地基的作用机理1 1 2 1 1 碎石桩复合地基的加固机理11 2 1 2 碎石桩复合地基的破坏形式1 2 2 1 3 碎石桩复合地基的桩土共同作用机理分析1 2 2 2 碎石桩复合地基的沉降计算理论研究1 3 2 2 1 加固区土层压缩量s 1 的计算方法1 4 2 2 2 下卧层土层压缩量s 2 的计算方法1 7 2 2 3 碎石桩复合地基沉降计算数值算法2 2 2 3 本章小结2 4 3 大型储油罐碎石桩复合地基有限元模型的建立。2 5 3 1 模型设计参数2 5 3 1 1 荷载。2 5 3 1 2 几何模型2 5 3 2 有限元仿真分析的基本理论2 6 3 2 1 土体本构模型2 6 3 2 2 接触面性状的模拟31 3 3 反分析方法确定其他参数3 2 3 3 1 方法介绍3 2 3 3 2 基本原理3 2 3 3 3 参数反分析3 4 3 4 有限元模型建立及模拟方法3 5 3 4 1 桩的等效处理3 6 3 4 2 模型建立一3 7 3 4 3 有限元网格的划分3 8 3 5 本章小结3 8 4 碎石桩地基差异沉降有限元数值分析3 9 4 1 桩长对差异沉降的控制影响3 9 4 1 1 分布范围3 9 4 1 2 桩体长度4 2 4 2 置换率对差异沉降的控制影响4 3 4 2 1 置换率不变4 4 4 2 2 改变置换率4 4 v l 4 3 褥垫对差异沉降的控制影响4 6 4 4 不同差异沉降调整方法的对比4 8 4 5 本章小结4 9 5 碎石桩破坏变形有限元数值分析5 1 5 1 刺入变形5 2 5 2 侧向膨胀变形5 3 5 3 整体变形5 5 5 4 有限元计算结果与实测值对比5 7 5 5 本章小结5 8 6 振冲碎石桩与充水预压加固油罐软土地基现场试验研究5 9 6 1 工程介绍5 9 6 1 1 工程概况5 9 6 1 2 工程地质条件。5 9 6 1 3 监测概况6 0 6 2 加同效果检测6 2 6 2 1 静力触探试验结果分析。6 3 6 2 2 静载试验结果分析6 3 6 3 现场试验结果分析6 4 6 3 1 油罐边缘环墙沉降6 4 6 3 2 油罐地基地表土沉降6 6 6 3 3 油罐外深层增量位移和分层沉降6 6 6 3 4 孔隙水压力6 9 6 3 5 环墙侧向土压力分析一6 9 6 4 本章小结7 0 7 结论与建议。7 1 7 1 主要结论7 l 7 2 建议7 2 参考文献一7 3 附录7 7 致谢。9 9 在学期间发表的学术论文与研究成果1 0 0 v i l 大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析 1 绪论 1 1 选题依据及研究意义 随着世界能源的日益紧张，石油储备是各国发展的重要战略目标。而要得以 完成这一重要战略，重要的设施就是立式储罐。随着科学技术进步和石油储备战 略的需要，立式储罐向着大型化发展。伴随着大型化而来的是荷载日益增大，技 术条件日益复杂，基础沉降和不均匀沉降限制日益严格。地基的不均匀沉降和底 板的较大变形是大型储罐的产生破坏的主要因素之一。不少实例表明，各种地基 处理方法可以成功地解决储罐基础的不均匀沉降问题 应当意识到，我国仍属于发展中国家，经济实力有限，与石油发展的建设相 对应的是资金的缺乏，我们必须处理好高速建设与有限资金的合理协调关系。在 进行人工地基加固时，选择一种投资少、见效快的方法是至关重要的。 实践已经证明大型储罐如果采用钢筋混凝土桩和刚性承台方案，肯定是很不 经济的，甚至是基础的工程造价要比钢储罐本身的工程造价还高，这种方案目前 很少采用。对于大型储罐基础的地基处理，目前比较成熟的方案是复合地基和柔 性基础。而振冲碎石桩是一种多快好省加固软土地基的方法。与预制混凝土桩相 比，碎石桩不需钢筋、水泥和木材，施工简单，造价低廉。碎石桩复合地基能够 充分利用原土体的功能，结合构筑于其中的碎石桩体，共同承担其上的荷载。既 发挥了土的负荷能力，又加入了强度高的碎石桩体来分担土体所不能承受的部分 荷载，所以碎石桩复合地基能产生较好的经济效益和社会效益，是一种适合我国 国情的可靠的人工地基。 采用振冲碎石桩加固油罐地基，应结合充水预压加固方法进行，以充分发挥 碎石桩排水作用与油灌在使用前可以进行充水预压这一特点，这样既可降低地 基加固处理费用，又能消除地基固结沉降，是一种经济合理的油罐地基加固方 法。 实践表明，上述方案在地基中会产生较大的碟形不均匀沉掣1 1 ，当罐底板出现 锅底状时：( 1 ) 在拉力的作用下可能产生底板的弯曲变形程度不断加剧，底板应力 也随之增大，出现裂纹，使底板拉断，造成漏油，甚至罐体倒塌。( 2 ) 焊缝出现 大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析 破裂造成事故，开始时可能是由于罐底角焊缝的破裂而导致罐内产品漏出， 漏出的物料冲走罐底的土壤或使土壤充液而失去支承；罐底裂缝继续发展，漏失 量和含水的土壤体积也会相继增加：最后，在罐荷载作用下，部分罐基础及其下 面的材料受到侧向剪切而破坏，部分罐底部就由于失去支承而破裂，罐内储液也 就更加大量泄出。因此，通过对油罐碎石桩复合地基的变形控制显得十分必要。 本文结合阿尔及利亚s k i k a d a 炼油厂大型储罐软基进行的振冲碎石桩与 充水预压联合加固处理监测数据，在全面分析研究加固检测效果和监测结果的基 础之上，利用有限元方法分析桩长、桩间距、置换率、褥垫层等各因素对差异沉 降的影响，研究碎石桩破坏变形的特征，以指导工程实践，不仅为油罐基础设计 提供了技术支持，而且得到一些对类似工程有参考价值的结论。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 碎石桩复合地基研究现状 碎石桩最早应用于欧洲。1 8 3 5 年，法国用碎石桩来加固海湾沉积软土上兵 一工厂的地基口1 。此后相当长的时间内发展缓慢。二战以后该方法在前苏联得到广 泛应用。上世纪5 0 年代该方法引入我国，在工民建、水利、交通等领域得到广 泛的应用。碎石桩最初是用来加固处理松散的砂土地基，后来逐步发展到处理软 弱粘性土地基。我国在1 9 5 9 年首次在上海重型机器厂采用锤击沉管挤密砂桩法 处理地基，1 9 7 8 年又在宝山钢铁厂采用振动重复压拔管砂桩施工法处理原料堆 场地基。这两项工程为我国在饱和软弱粘性土中采用砂石桩地基处理方法取得了 丰富的经验。 上世纪3 0 年代，德国的s t e u e r m a n 设计构思了利用振动和压力水。冲切原 理的振冲器，1 9 3 7 年，s t e u e r m a n 供职的德国公司j o h a n nk e l l e r 首先制造了一台 具有现代振冲器雏形的振冲器，并用于处理柏林一幢建筑物的松砂地基，处理深 度为7 5 m ，地基承载力提高了一倍，相对密度由原来的4 5 提高到8 0 ，处理效 果十分显掣引。其后，j o h a n nk e l l e r 公司利用这种方法在国内外完成了一大批砂 基挤密工程。1 9 4 8 年，s t e u e r m a n 使用振冲法处理美国e n d e r s 大坝松砂地基，有 效提高了砂基的密实度。1 9 5 0 年以后，振冲法在美国得到广泛使用，振冲法的 挤密功效得到普遍的承认。1 9 5 7 年，振冲法被引入英国，英国工程师把电动振 2 大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析 冲器改为水力驱动，用其加固垃圾、碎砖瓦、粉煤灰。上世纪5 0 年代末、6 0 年 代初，联邦德国和英国相继将振冲法应用于软弱粘性土地基。德国j o h a n nk e l l e r 公司在纽伦堡( n u r e m b e r g ) 的一个工程中使用振冲器在粘性土中造2 m 深的孔，填 入石块，然后使用振冲器振密块石，经处理后，地基承载力得到明显提高；1 9 6 0 年英国c e m e n t a t i o n 公司在非洲尼日利亚首都拉各斯建造一幢六层楼房，在基坑 开挖时，发现地基中有一层2 m 厚的有机粉土，强度很低，最后采用振冲法造孔， 回填碎石，处理后效果较好。振冲法在软弱粘性土中的应用，逐渐演化出振冲置 换处理方法。日本多火山地震，上世纪5 0 年代引进振冲法加固松砂地基，提高 地基抗液化能力，效果显著。 振冲法在我国的应用始于上个世纪7 0 年代，1 9 7 6 年南京水利科学研究所与 交通部水运规划设计院共同研制出我国第一台1 3 k w 振冲器，1 9 7 7 年振冲法在我 国首次应用于南京船厂船体车间软粘土地基加固，处理加固深度为1 3 1 8 m h 3 。其 后振冲法在工民建、水利、交通等工程中得到广泛的使用。大量的工程实践也促 进了振冲法施工机具设备的发展，电力部北京勘测设计院研制了7 5 k w 大功率振 冲器，1 9 8 5 年在四川省铜街子水电站工地应用该振冲器穿过厚度达8 m 的漂卵石 层对下部的细砂层进行了成功的加固，取得了明显的效果瞄1 。目前国内引进的单 个振冲器功率最大已经达1 5 0 k w 。 伴随振冲法地基处理项目的实施，对振冲法地基加固机理的研究也取得了较 快的发展。张永钧、王余庆等研究了碎石桩排水减压、抗液化影响范围，布桩范 围及深度对加固区抗液化的影响；南京水利科学研究院对碎石桩的压溃破坏情况 进行了研究；高国瑞、段光贤采用电子显微镜对地基振冲前后土层结构的变化情 况进行了对比研究f 6 j 。 国外学者h u g h e s & w i t h e r s ，w o n g 先后提出了碎石桩单桩承载力的计算公 式m 】。b r a u n s 基于鼓胀破坏模式和极限平衡理论给出了碎石桩承载力的计算方 法【9 】。 盛崇文将b r a u n s 的方法推广到复合地基中，得到满堂加固碎石桩复合地基 承载力，通过试验研究提出利用桩体和土的载荷试验资料、置换率、按经验估算 桩土应力比来推算复合地基的变形模量，计算复合地基承载力和沉降【1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 林孔锚建议用圆弧滑动法计算复合地基极限承载力1 1 钔。 大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析 郭蔚东、钱鸿络给提出了塑性能量法和广义b m u n s 法求解柔性碎石桩发生 鼓胀破坏和整体剪切破坏及相应破坏形式下的复合地基承载力【l 引。 王余庆利用现场静载荷试验资料对圆筒形孔扩张理论、被动土压力理论、极 限平衡理论等进行了可行性验证u 6 j 。 何广钠提出了考虑桩材、土体自重作用的修正b r a u n s 方法计算桩的极限承 载力1 1 7 1 。 碎石桩用来处理强震区可液化砂土和粉土地基的效果得到学术界和工程界 的一致公认，成功的工程事例很多。林本海在分析砂土碎石桩复合地基的抗液 化工程机理、各种加固效应和现有碎石桩复合地基液化评定方法的基础上，首先 把复合地基视为水土( 碎石桩) 两相介质，从动荷载作用过程中各个时刻应力、应 变、孔压的动力平衡实际特征出发，将动力平衡视为动、静荷载共同作用下与土 性变化相联系的瞬态平衡，将复合地基的动力反应与渗流固结相祸合，建立在动 荷载作用下反映砂土碎石桩复合地基的孔压产生、扩散、消散的三维微分控制 方程组，这个方程组与按极限平衡原理及土体内实际孔压发展特点所建立的土体 失效和液化评判标准一起，构成了复合地基的液化检验理论【1 8 , 1 9 , 2 0 。 在碎石桩工程实践和理论研究取得进展的同时，对碎石桩复合地基的检测方 法也得到发展，对桩体本身的质量检测的最常见方法仍首推重型动力触探，而对 桩间土的检测则经常采用钻探、土工试验、静力触探等在工程勘察中的常规手段。 谷晓阳【2 1 1 、朱小友2 2 1 、周建安【2 3 】等在这方面进行了有益的探索。陈云敏还采用 表面波频谱分析法检测碎石桩复合地基，取得良好效果阱】。 随着碎石桩复合地基理论研究和工程实践经验的积累，相关技术标准的制定 也取得了进展。1 9 8 7 年由中国建筑科学研究院地基基础研究所主编了中国人民 共和国行业标准建筑地基处理技术规范( j g j7 9 9 1 ) 。许多地方还制定了更加 适应区域条件的地方标准，例如：上海市标准地基处理技术规范( o b j 0 8 4 0 9 4 ) 、深圳市标准深圳地区地基处理技术规范( s j g0 4 9 6 ) 。这些技术标 准的制定是对大量工程实际案例总结的基础之上完成的，技术标准的实施又大力 的促进了工程实践。 4 大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析 1 2 2 碎石桩复合地基变形研究现状 随着工程实践的大量应用