大型油罐軟弱地基CFG樁加固機(jī)制

俞然剛,王 帥,2,周金順,3,王佳玲,王小雪,張旭東

(1.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580；2.煙建集團(tuán)有限公司,山東煙臺 264000； 3.浙江省能源集團(tuán)浙江金衢麗天然氣有限公司,浙江杭州 310016)

大型油罐軟弱地基CFG樁加固機(jī)制

俞然剛1,王 帥1,2,周金順1,3,王佳玲1,王小雪1,張旭東1

(1.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580；2.煙建集團(tuán)有限公司,山東煙臺 264000； 3.浙江省能源集團(tuán)浙江金衢麗天然氣有限公司,浙江杭州 310016)

為研究CFG樁對大型油罐軟弱地基的加固機(jī)制,利用FLAC3D模擬分析CFG樁復(fù)合地基傾斜、沉降和加固特性,并采用單一變量法分析不同參數(shù)對CFG樁復(fù)合地基沉降的影響。結(jié)果表明:CFG樁復(fù)合地基能夠有效地限制罐體的平面傾斜、非平面傾斜、平面沉降和非平面沉降,并有效地限制上部荷載的作用范圍和地基隆起的產(chǎn)生；水平位移的最大值出現(xiàn)在地基底面處；CFG樁復(fù)合地基中,樁長和樁間距是控制豎向沉降和加固效果的主要因素。

大型油罐；CFG樁；加固；軟弱地基

濱海地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,土體含水率高且壓縮性大,在濱海地區(qū)軟弱地基上建造大型儲罐,困難較大。為防止不均勻沉降、罐體傾斜和罐底嚴(yán)重變形等事故,必須進(jìn)行軟弱地基的處理[1-4]。CFG樁全稱為水泥粉煤灰碎石樁(cement fly-ash gravel piles),由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加適量的水?dāng)嚢栊纬筛唣そY(jié)強(qiáng)度的樁體,其與原始土層構(gòu)成了復(fù)合地基。這種加固軟弱地基的方法被證明是加固效果和經(jīng)濟(jì)性兼顧的方法[5-6]。前人對CFG樁復(fù)合地基褥墊層和群樁相互作用進(jìn)行了研究[5-8]。筆者模擬分析CFG樁復(fù)合地基傾斜、沉降和加固特性,考察樁長、樁徑和樁間距3個主要參數(shù)對加固效果的影響。

1 基礎(chǔ)資料

本工程位于青島濱海地區(qū),場地遍布鹽池和溝塘,交通不便,局部地段有積水,地表土質(zhì)軟弱。工程場地土性參數(shù)如表1所示。

分析現(xiàn)場測試以及土工試驗數(shù)據(jù)可知,該油庫軟弱地基的平均承載力約為84 kPa,而105m3原油儲罐的最大荷載可達(dá)210 kPa。因此,選用剛?cè)峒鎮(zhèn)涞腃FG樁復(fù)合地基加固該油庫的油罐地基[9-10]。

依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范[11-13]以及現(xiàn)有的施工條件,該工程加固方案的相應(yīng)設(shè)計參數(shù)如下:墊層厚度為0.3 m,密度為24 kN/m3,壓縮模量為12 GPa,泊松比為0.3,樁徑為0.5 m,黏聚力為260 kPa,內(nèi)摩擦角為25°。

表1 工程場地土性參數(shù)Table 1 Soil parameters of construction site

2 模型的建立

由規(guī)范[11,13]知:CFG樁可只在基礎(chǔ)范圍內(nèi)布置,樁徑取350～600 mm,樁間距宜取3～5倍樁徑。CFG樁復(fù)合地基樁徑現(xiàn)場由施工設(shè)備型號決定,本模型的樁徑暫定0.5 m；樁間距的選擇應(yīng)綜合考慮地基的承載力、土性、施工工藝的各個因素,規(guī)范要求宜取3～5倍樁徑,即1.5～2.5 m,因此初步確定本模型中樁間距為2.0 m。

CFG樁復(fù)合地基,一般是將CFG樁的樁端落在強(qiáng)度高、壓縮小的土層中[5-6]。本工程所處場地的第一和第二層土分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉土,屬于軟弱層,故應(yīng)貫穿這兩層,使CFG樁樁端坐落在粉質(zhì)黏土夾細(xì)粉砂層,以保證樁端土具有足夠的承載力來有效地控制沉降。因此,根據(jù)該工程地質(zhì)資料,初步確定本模型的樁長為17 m。

褥墊層的模量對樁與樁間土的應(yīng)力分配起到?jīng)Q定性作用。隨褥墊層模量的增加,樁土應(yīng)力比增大,樁間土所受應(yīng)力減小,樁體刺入墊層的深度也隨之減小。綜合已有的研究成果[6-8]和地基處理規(guī)范的規(guī)定,暫定本工程油罐下褥墊層的厚度為0.3 m,壓縮模量為80 MPa。由于褥墊層多選用中粗砂,因此將褥墊層模型設(shè)置為各向同性的彈性體。

建立長100 m、寬100 m、厚20.5 m的CFG樁基本模型。由于大型油罐的安全等級較高,且油罐對于水平向變形的要求較高,因此將CFG樁體的布置范圍外延了6～46 m,以控制罐體的水平向位移。平面布置見圖1。

完成模型參數(shù)的選擇后,對模型進(jìn)行簡化。在材料的選擇中,CFG樁樁體以及褥墊層的本構(gòu)模型為各項同性的彈性體單元；對于儲罐下的土體,本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。網(wǎng)格劃分時,考慮到大型油罐下地基的沉降和傾斜特性,綜合考慮計算的規(guī)模以及計算的準(zhǔn)確性,在罐區(qū)模型沿徑向均勻劃分網(wǎng)格；而對于罐周土體,網(wǎng)格密度沿罐體的徑向由內(nèi)到外逐漸減小。所形成的FLAC3D模型如圖2所示。

圖1 CFG樁平面布樁示意圖Fig.1 Layout of CFG piles

圖2 CFG樁復(fù)合地基數(shù)值模型Fig.2 Finite element model of CFG pile composite foundation

加載過程中荷載采用分級加載的方式進(jìn)行,荷載共分5級,其中第一級載荷為總荷載的1/ 3；其余荷載分4級加載,各荷載分別為總荷載的1/6。

對于105m3的儲罐,所應(yīng)設(shè)置的觀測點的數(shù)量為32個,且應(yīng)沿罐體均勻布置,則模型中監(jiān)測點的數(shù)量為9個。罐周豎向沉降觀測點的布置如圖3所示。儲罐豎向位移觀測點A、B、C、D、E、F、G、H、I的沉降值分別為-40.1、-46.3、-51.2、-52.8、-47.9、-52.3、-51.1、-46.8、-40.1 mm。

圖3 儲罐豎向位移觀測點位布置圖Fig.3 Layout of observation points of vertical settlement

3 結(jié)果分析

3.1 沉降和傾斜

大型油罐遭破壞的主要因素是罐基整體傾斜(平面傾斜)和罐周地基的不均勻沉降(非平面傾斜)。

CFG復(fù)合地基沉降后的形狀呈盤型,罐基正中間以及罐基邊緣沉降較小。罐基沉降量最大值出現(xiàn)在距離罐基中心位置稍遠(yuǎn)的區(qū)域,為225 mm；罐基中間位置沉降量約為150 mm；罐邊緣處沉降值為75 mm。規(guī)范[11]規(guī)定,對于105m3的儲罐,平面傾斜的最大累計沉降差的限值為0.005D(D為油罐直徑)。某一直徑方向的極限沉降值為2×(150～75)mm＜0.005D=400 mm,因此油罐的平面傾斜符合規(guī)范的要求。與內(nèi)環(huán)梁基礎(chǔ)和外環(huán)梁基礎(chǔ)相比,內(nèi)環(huán)梁基礎(chǔ)中,罐體的平面傾斜的最大累計沉降差為150 mm[10]；外環(huán)梁基礎(chǔ)中,罐體平面傾斜的最大沉降差為180 mm[10]。對比可知,CFG樁復(fù)合地基能夠有效地限制罐體的平面傾斜。

規(guī)范[11]規(guī)定,油罐的非平面傾斜必須控制在某一范圍之內(nèi)。其中,對于浮頂罐和內(nèi)浮頂罐而言,規(guī)定有:ΔS/l＜0.002 5。其中,ΔS為罐周邊相鄰觀測點的沉降差,l為罐周邊相鄰觀測點的周長。

CFG樁復(fù)合地基中,當(dāng)樁長為17 m時,相鄰觀測點的最大沉降差ΔS為6.7 mm,罐周邊相鄰觀測點的周長l=7.85 m,ΔS/l=0.000 85＜0.002 5,即CFG樁復(fù)合地基中非平面沉降值可以較好地滿足規(guī)范要求,油罐的非平面變形較小,油罐不易發(fā)生非平面傾斜而導(dǎo)致罐壁受力過大破壞。與此相對應(yīng),在天然地基中,非平面沉降值為21.4 mm；在內(nèi)環(huán)墻、外環(huán)墻基礎(chǔ)中,非平面沉降值分別為18.7和19.4 mm[10]。由此可知,CFG樁復(fù)合地基的加固效果在防止平面及非平面沉降方面較其他基礎(chǔ)形式及加固方式具有較大的優(yōu)勢。

3.2 加固特性

CFG樁復(fù)合地基中的樁體是通過成樁機(jī)械在地基中攪拌地層土,以及外加的碎石、石屑、粉煤灰和適量的水泥制成的。由于其材料和制作的特殊性使得CFG樁具有某些剛性樁的特點。其中最主要的特點為樁身強(qiáng)度高,排水和擠土的效果明顯。

在豎向荷載的作用下,由于CFG樁體的剛度較大,樁身的橫向變形很小,可以較好地限制土體的側(cè)向位移的產(chǎn)生。這一點明顯區(qū)別于碎石樁等散體材料樁,它們在豎向荷載作用下會出現(xiàn)鼓脹破壞。

圖4為CFG樁復(fù)合地基的剖面豎向沉降曲線。

圖4 CFG樁復(fù)合地基的剖面豎向沉降曲線Fig.4 Vertical settlement curve of cross-section of CFG pile composite foundation

由圖4可知:CFG樁能夠較好地限制上部荷載的作用范圍。由圖4可知,上部荷載的影響范圍只存在于0～40 m內(nèi),距儲罐中心的距離R≥40 m時,荷載的影響幾乎為0。豎向沉降的最大值出現(xiàn)在距罐體中心14 m處,即距罐中心處0.35R(R為油罐半徑),這與天然地基以及環(huán)墻基礎(chǔ)的最大沉降值出現(xiàn)在距罐體中心0.75R處的現(xiàn)象[10]有區(qū)別。究其原因,環(huán)墻基礎(chǔ)及天然地基的地基強(qiáng)度較低,而CFG樁復(fù)合地基中,樁體的強(qiáng)度高,使得土中應(yīng)力大部分由樁體承擔(dān),土中應(yīng)力難以傳遞到離罐中心較遠(yuǎn)的距離。

CFG樁復(fù)合地基能夠較好地限制隆起的產(chǎn)生。由圖4可知,在R=48 m時,土體出現(xiàn)輕微的隆起現(xiàn)象,隆起值約為1 mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于天然地基中以及環(huán)墻基礎(chǔ)上的10 mm[10]的隆起值。

圖5為CFG樁復(fù)合地基模型的剖面變形矢量圖。水平向位移最大值出現(xiàn)在底層土。在CFG復(fù)合地基中,水平向位移的最大值出現(xiàn)在地基底面處。究其原因主要是:對于CFG復(fù)合地基而言,由于CFG樁體的剛性較大,在樁長的分布范圍內(nèi),樁體承擔(dān)了絕大部分的水平應(yīng)力,而在沒有樁體加固的底層土體,由于水平向的模量較小,因此在底層土產(chǎn)生了水平向位移的最大值。

圖5 CFG樁復(fù)合地基模型的剖面變形矢量圖Fig.5 Vector of section of CFG pile compositefoundation deformation

另外,當(dāng)離罐基中心距離16 m≤R≤24 m時,在深度為H=12 m的土層中,土層的沉降量較周圍土層的沉降量降低很多。這種現(xiàn)象的出現(xiàn),一部分是由于CFG樁的樁身強(qiáng)度較大且樁的擠土效果明顯,而另一方面則是由于上部土層的壓縮較大,使得下部土層的密實度增大。從而使得此部分土體的強(qiáng)度相對于周圍土層提高,提高值約為50%。在天然地基和環(huán)梁基礎(chǔ)中沒有此種作用的產(chǎn)生。

3.3 沉降主要影響因素

在CFG復(fù)合地基中,一般認(rèn)為對軟土地基加固效果起決定性作用的兩個因素為樁長和樁土面積置換率[6],通過控制這兩個因素可以達(dá)到優(yōu)化地基加固方法的目的。因此對樁長、樁徑和樁間距進(jìn)行單一變量法系統(tǒng)分析。

3.3.1 樁 長

圖6為不同樁長時罐基正中心處沉降的監(jiān)測值。其中,13、15、17 m中的荷載通過分級加載施加,而對于樁長為18和19 m的情況,荷載一次性施加。

圖6 樁長對沉降的影響Fig.6 Effects of pile length on vertical settlement

當(dāng)樁長為13m:荷載施加第一級時,沉降值約為70 mm；當(dāng)施加到第二級時,沉降值增加至84 mm,增加幅度約為1.2倍,與荷載的增加值不成正比；當(dāng)施加第三級后,沉降值為118 mm；而當(dāng)施加至第四級荷載時,沉降值出現(xiàn)劇增現(xiàn)象,從118 mm驟增至540 mm,這說明在本次荷載的施加過程中,復(fù)合地基達(dá)到其承載能力極限,發(fā)生了較大的塑性變形,使得沉降驟增,此時的荷載值約為181.7 kPa；當(dāng)荷載施加第五級時,土體完成固結(jié),沉降達(dá)到650 mm。

當(dāng)樁長為15 m:施加第一級荷載時,沉降值約為50 mm,較樁長為13 m時的該級沉降明顯變小；當(dāng)施加第二級、第三級、第四級荷載時,沉降值分別為75、110、140 mm。前四級荷載的作用下,沉降都較為均勻,沉降的產(chǎn)生主要是因為土體的壓縮固結(jié)所引起的。但當(dāng)施加第五級荷載時,沉降出現(xiàn)突變,沉降值從140 mm增大至450 mm。這說明,當(dāng)CFG樁體為15 m時,在本次荷載的施加過程中,復(fù)合地基達(dá)到其承載能力極限,發(fā)生了較大的塑性變形,使得沉降驟增,此時沉降主要是由于土體中塑性區(qū)的產(chǎn)生而導(dǎo)致的。此級荷載值約為218 kPa。

當(dāng)樁長為17 m:施加第一級荷載時,沉降值約為40 mm,與樁長為15 m時的該級沉降相差不大；當(dāng)施加第二級、第三級、第四級、第五級荷載時,沉降值分別為50、68、105、150 mm。即在每個荷載步沉降的變化值都較為均勻,地基的承載力較大,沒有發(fā)生劇烈的變形。

當(dāng)樁長為18 m時,荷載為一次性施加,沉降急劇增加,然后隨著土體固結(jié)的進(jìn)行,沉降值趨于平穩(wěn),最終穩(wěn)定在170 mm。

當(dāng)樁長為19 m時,荷載同樣為一次性施加,但沉降極為緩慢,全過程曲線近似于平滑曲線,終值為90 mm。

由圖6可知:在樁長較短時,樁長的增大可以大大減小地基的沉降值,增強(qiáng)地基加固效果。不同樁長時地基出現(xiàn)塑性變形的臨界荷載值也不同。在CFG復(fù)合地基中地基強(qiáng)度的主要控制因素為CFG樁體的樁長。端承樁對于地基的加固效果比摩擦樁更為直接和有效。19 m的樁長已經(jīng)接近硬土層,發(fā)揮了近似端承樁的作用。

3.3.2 樁 徑

樁徑對沉降的影響見圖7。

圖7 樁徑對沉降的影響Fig.7 Effects of pile diameter on vertical settlement

由圖7可知:CFG復(fù)合地基中單樁直徑的增大有利于減小豎向沉降和增強(qiáng)地基的穩(wěn)定。當(dāng)樁徑從400 mm增大到600 mm時,罐底中心的沉降值分別為150、140和120 mm。在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi),適當(dāng)?shù)卦龃髽稄娇梢暂p微減小豎向沉降。但是抑制豎向沉降的作用不如樁長的作用明顯。

3.3.3 樁間距

在其他建模參數(shù)不變的情況下,通過改變CFG樁復(fù)合地基中樁間距,分別研究其加固效果(圖8)。

由圖8可知:當(dāng)樁間距為2.5 m時,在第一級荷載的作用下,沉降約為70 mm；當(dāng)施加第二級后,沉降變?yōu)?0 mm；當(dāng)施加第三級后,此時的荷載值為145 kPa,由于此時的荷載值超過了復(fù)合地基的承載力,因此在此級荷載中,沉降出現(xiàn)突變,沉降值變?yōu)?50 mm；當(dāng)施加第四級和第五級荷載時,沉降的變化趨于穩(wěn)定,最終沉降值為450 mm。

圖8 樁間距對沉降的影響Fig.8 Effects of spacing on vertical settlement

當(dāng)樁間距為2.0 m時,在第一級荷載的作用下,沉降約為60 mm；當(dāng)施加第二級、第三級、第四級后,沉降變?yōu)?0、90、130 mm；前四級荷載的沉降變化都較為均勻。但當(dāng)施加第五級荷載時,此時的荷載值為218 kPa,超過了復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值,土體發(fā)生巨大的沉降,沉降值急速增加至460 mm。

當(dāng)樁間距為1.5 m時,CFG復(fù)合地基的加固效果很好,此時的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為367.13 kPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于施加荷載的最大值218 kPa。因此,當(dāng)樁間距為1.5 m時,沉降變化很小:當(dāng)施加第一級、第二級、第三級、第四級和第五級荷載時,沉降值分別為40、60、80、110、150 mm。

由此可見,地基土的沉降隨樁間距的增大迅速增大。樁間距是影響復(fù)合地基的承載力的最主要因素,因為它的改變會使得樁土置換率發(fā)生較大的變化,而樁土置換率又是決定復(fù)合地基承載力的最主要因素。作為影響油罐地基的加固效果的重要因素,應(yīng)慎重選擇樁間距。

4 結(jié) 論

(1)CFG復(fù)合地基對于軟弱土層上的油罐地基能起到很好的加固效果,能夠有效地限制罐體的平面和非平面傾斜、控制平面和非平面沉降,較好地限制上部荷載的作用范圍。

(2)在豎向荷載的作用下,由于CFG樁體的剛度較大,樁身橫向變形很小,限制土體側(cè)向位移的效果較好?？梢暂^好地限制上部荷載的作用范圍和地基隆起的產(chǎn)生。

(3)在CFG復(fù)合地基中,水平向位移的最大值出現(xiàn)在地基底面處。

(4)CFG樁復(fù)合地基中,樁長和樁間距是控制豎向沉降和加固效果的主要因素。

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(編輯 沈玉英)

Reinforcement mechanism of CFG pile used in large oil tank soft foundation

YU Ran-gang1,WANG Shuai1,2,ZHOU Jin-shun1,3, WANG Jia-ling1,WANG Xiao-xue1,ZHANG Xu-dong1
(1.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China；
2.Yanjian Group Company Limited,Yantai 264000,China；
3.Zhejiang Jinquli Natural Gas Company Limited,Zhejiang Provincial Energy Group Company Limited, Hangzhou 310016,China)

To study the soft foundation reinforcing of the large oil tank,the inclination,settlement and reinforcement characteristics of CFG pile composite foundation were studied by FLAC3D.The effects of different parameters on the settlement of CFG pile composite foundation were studied using single variable method.The results show that CFG pile composite foundation can effectively restrict the plane tilt,non-plane tilt,plane settlement and non-plane settlement of tanks,and it can effectively reduce sphere of action of upper loads and restrict ground swell.The maximum horizontal displacement is at the bottom surface of the foundation.Pile length and spacing are the main factors controling the vertical settlement and reinforcement effect.

large oil tank；CFG pile；reinforcement；soft foundation

TE 85；TU 472

A

1673-5005(2013)03-0131-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.03.023

2012-10-28

中國石油大學(xué)(華東)研究生創(chuàng)新工程項目(CXZD11-14)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項(10CX04032A)

俞然剛(1967-),男,教授,博士,博士生導(dǎo)師,從事巖土工程研究。E-mail:yrangang@upc.edu.cn。