油罐碎石樁復(fù)合地基動(dòng)態(tài)加載預(yù)壓方法研究

龔濟(jì)平，王海燕，蔣 健，胡小波（.中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 0003；.上海港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 0003）

?

油罐碎石樁復(fù)合地基動(dòng)態(tài)加載預(yù)壓方法研究

龔濟(jì)平1，王海燕1，蔣 健2，胡小波1
（1.中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032；2.上海港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 200032）

本文介紹了一例長(zhǎng)碎石樁應(yīng)用在低滲透性粘性土油罐地基中的工程案例，根據(jù)完工后充水測(cè)試時(shí)發(fā)生的罐體沉降過(guò)大等問(wèn)題，提出依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正計(jì)算模型，控制加載進(jìn)度的預(yù)壓方法，依據(jù)這種方法設(shè)計(jì)了充水預(yù)壓方案并實(shí)施，最終順利控制罐體沉降，驗(yàn)證了這種動(dòng)態(tài)加載方法的可靠性，同時(shí)對(duì)本工程中碎石樁復(fù)合地基分級(jí)加載預(yù)壓的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了歸納總結(jié)。

碎石樁復(fù)合地基；動(dòng)態(tài)加載預(yù)壓；分級(jí)加載標(biāo)準(zhǔn)

引　言

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沿海沿江地區(qū)新建了許多大中型油儲(chǔ)罐，常使用碎石樁方法進(jìn)行地基加固，該方法可以提高地基承載力、降低工后沉降等。根據(jù)《港口工程碎石樁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程》［1］規(guī)定，加固不排水抗剪強(qiáng)度小于30 kPa的軟基，要求施工前通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性，且樁長(zhǎng)不宜超過(guò)20m。碎石樁效用的發(fā)揮，需要樁周土體提供一定的圍箍力，形成完整的樁體，如何在具有深厚軟粘土的場(chǎng)地中合理地使用碎石樁，是一個(gè)需要面對(duì)的問(wèn)題。

1　動(dòng)態(tài)加載方法

所謂動(dòng)態(tài)加載方法，即根據(jù)工程前期勘察數(shù)據(jù)，模擬工程主體建立數(shù)值模型，采用施工中反饋得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)修正模型，預(yù)測(cè)下一級(jí)加載時(shí)間，控制加載進(jìn)度的方法。動(dòng)態(tài)加載方法的核心是建立合理的數(shù)值模型，對(duì)工程主體進(jìn)行模擬，按照施工工況分步計(jì)算預(yù)測(cè)，同時(shí)參照監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，以提高精度。依據(jù)計(jì)算結(jié)果控制施工進(jìn)度，預(yù)測(cè)出適合的加荷、持荷和卸荷時(shí)間，使每級(jí)加載期間地基土強(qiáng)度得到充分增長(zhǎng)、主固結(jié)沉降大部分完成，做到對(duì)加載預(yù)壓全過(guò)程的數(shù)字化控制。對(duì)具有深厚軟粘土的場(chǎng)地，選用碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行加固，一般需要有一段時(shí)間的預(yù)壓期［2］，動(dòng)態(tài)加載方法可以較好的控制每一級(jí)加載時(shí)間，保證土體強(qiáng)度的增長(zhǎng)，同時(shí)節(jié)省工期，提高加載的安全性，充分發(fā)揮出碎石樁復(fù)合地基的加固效果。

2　工程實(shí)例

2.1工程地質(zhì)概況

某公司在武漢市漢南開發(fā)區(qū)新建鋼質(zhì)油罐 39座，容量500～5 000m3，平面布置如圖1所示。場(chǎng)地整平高程24.0m，處于長(zhǎng)江左岸Ⅰ級(jí)階地，沖積平原區(qū)類型。建筑物工程重要性、場(chǎng)地復(fù)雜程度、地基復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí)，巖土工程勘察、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，抗震設(shè)防類別為丙類。

圖1　油罐平面布置及計(jì)算斷面布置

2.2碎石樁設(shè)計(jì)施工概況

碎石樁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度22m，要求進(jìn)入⑨層砂土，在油罐下均勻布置并外擴(kuò)1排。施工顯示碎石樁施工時(shí)場(chǎng)地整體下沉不明顯，局部有隆起，套管拔出后附帶有很多粘土。碎石樁施工結(jié)束后對(duì)D1號(hào)5 000m3油罐進(jìn)行充水測(cè)試，10天內(nèi)連續(xù)分級(jí)充水加載至180 kPa，監(jiān)測(cè)得到沉降最大值550 mm，差異沉降最大值225 mm，超過(guò)或接近規(guī)范限值，油罐無(wú)法正常使用。

圖2　D1油罐充水測(cè)試沉降變化

分析其原因，在砂性或粉性土場(chǎng)地中進(jìn)行沉管碎石樁施工，由于土層的滲透系數(shù)較高，施工擠土產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散較快，施工期間便會(huì)產(chǎn)生明顯沉降，而本場(chǎng)地多為厚層粘性土，飽和度高、塑性指數(shù)大、滲透系數(shù)低，施工擠土產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散緩慢，需要一定的預(yù)壓時(shí)間使復(fù)合地基的加固效果充分發(fā)揮［3］，因此需要設(shè)計(jì)一套加載預(yù)壓方案。

2.3場(chǎng)地不均勻性分析

場(chǎng)地模擬計(jì)算所用土層參數(shù)如表1。

表1　模擬計(jì)算所用土層參數(shù)

經(jīng)分析場(chǎng)地各個(gè)土層中對(duì)工程影響最大的為⑦-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，其三維厚度分布見圖3。

圖3　⑦-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層分布

該層土強(qiáng)度低、壓縮性大且分布不均勻，將對(duì)碎石樁復(fù)合地基的整體加固效果產(chǎn)生不利影響，布置計(jì)算斷面時(shí)需對(duì)軟土層厚度差異較大區(qū)域加密。同時(shí)考慮到場(chǎng)地南北較長(zhǎng)東西較短，東西剛度小，是變形需要重點(diǎn)關(guān)注方向，應(yīng)沿東西向布置計(jì)算斷面。

（1）自擬調(diào)查問(wèn)卷評(píng)價(jià)兩組護(hù)理人員的工作能力，包括護(hù)理記錄、模擬病情判斷、基礎(chǔ)操作、急救技能4個(gè)方面，評(píng)分均為100分，評(píng)分越高說(shuō)明護(hù)理人員的綜合工作能力越佳。（2）兩組各隨機(jī)選擇200名患者作為調(diào)查對(duì)象，評(píng)價(jià)兩組護(hù)理期間護(hù)理差錯(cuò)的發(fā)生情況。

2.4動(dòng)態(tài)加載

施工中每級(jí)荷載施加完成后，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到沉降、孔壓等數(shù)據(jù)，分析當(dāng)前級(jí)預(yù)壓效果，判斷各層地基土在該級(jí)荷載下固結(jié)、強(qiáng)度增長(zhǎng)等情況，并計(jì)算預(yù)測(cè)出下級(jí)加載時(shí)間和持荷時(shí)間。同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷校正計(jì)算模型，提高后續(xù)加載預(yù)測(cè)精度。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，典型的油罐充水預(yù)壓加荷見圖4。

圖4　典型的油罐充水預(yù)壓加荷

本次計(jì)算使用Plaxis 2D有限元計(jì)算軟件，對(duì)油罐碎石樁復(fù)合地基各個(gè)加載工況建模進(jìn)行計(jì)算。模型邊界寬度100m、深度60m，采用二維平面應(yīng)變15節(jié)點(diǎn)高精度三角單元，各土層計(jì)算模量根據(jù)勘察報(bào)告中壓縮模量進(jìn)行深度和土性修正［4］，碎石樁根據(jù)環(huán)向剛度等效原則轉(zhuǎn)化為二維計(jì)算模型［5］。充水預(yù)壓施工共分為充水前、充水加載期、滿水恒載期、放水卸載期、放水后等5個(gè)階段。

2.5計(jì)算及監(jiān)測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算，2-2斷面模型滿載時(shí)的網(wǎng)格變形（擴(kuò)大10倍），如圖5所示。

圖5　2-2斷面滿載時(shí)的斷面擴(kuò)大網(wǎng)格變形

由圖5可見油罐基礎(chǔ)沉降呈現(xiàn)“鍋底”型，基礎(chǔ)中心部位沉降最大，與常規(guī)監(jiān)測(cè)得到的油罐基礎(chǔ)沉降規(guī)律一致。圖6為C1油罐東西向兩測(cè)點(diǎn)沉降實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值對(duì)比。

圖6　C1油罐東西向最大沉降

對(duì)比圖6（a）和圖6（b），C1油罐在充水預(yù)壓施工330 d內(nèi)，實(shí)測(cè)最大沉降約為550 mm，最小約400 mm；模型計(jì)算最大沉降約490 mm，最小約430 mm，考慮到實(shí)際施工中的誤差，模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性在工程可以接受的范圍內(nèi)。

通常砂性、粉性土中碎石樁復(fù)合地基加載沉降發(fā)展具有明顯的階梯形特點(diǎn)，即加荷期沉降發(fā)展快，持荷期沉降逐步變緩，本工程中軟弱粘性土實(shí)測(cè)沉降曲線較為平滑，呈現(xiàn)輕微階梯形特點(diǎn)，原因在于粘性土滲透系數(shù)較小，每級(jí)加載其樁間土排水固結(jié)都需要相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，同時(shí)碎石樁與樁間土發(fā)生協(xié)調(diào)變形，樁土應(yīng)力比與復(fù)合地基剛度亦隨時(shí)間而逐漸變化，故沉降曲線呈現(xiàn)較平滑的輕微階梯形。

2.6分級(jí)加載標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)范［1］規(guī)定的監(jiān)測(cè)日變形量限值較寬，在具有深厚粘性土的油罐地基中，由于油罐的荷載較大，原狀土的抗剪強(qiáng)度低，加載過(guò)快易造成地基土發(fā)生剪切破壞。本次施工根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整了控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，場(chǎng)地堆載日均沉降量控制在5 mm，水平位移控制在2 mm，每級(jí)加載超孔壓消散至80%，單級(jí)持荷時(shí)間20～30 d，如表2。

表2　規(guī)范與實(shí)際使用監(jiān)測(cè)項(xiàng)目限值對(duì)比

2.7加固效果

油罐復(fù)合地基加固效果的核心是罐體差異沉降，因此施工完成后差異沉降的大小可以反映出施工的具體效果。充水預(yù)壓完成后整個(gè)場(chǎng)地各種油罐的平均加固效果見表3。

表3　場(chǎng)地加固效果

經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)加載方法充水預(yù)壓后的油罐地基，其差異沉降值遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限值，因此使用動(dòng)態(tài)加載方法，配合經(jīng)調(diào)整的監(jiān)測(cè)限值，可以充分提升施工的質(zhì)量和速度。

3　結(jié)　論

本文通過(guò)一例長(zhǎng)碎石樁用于粘性土油罐復(fù)合地基的工程實(shí)例，提出了動(dòng)態(tài)加載方法的概念，推出了一套使用于粘性土油罐復(fù)合地基的加載控制標(biāo)準(zhǔn)，具體如下：

1）依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正數(shù)值模型控制加載速度，將這一動(dòng)態(tài)加載方法應(yīng)用于粘性土油罐復(fù)合地基施工，可以系統(tǒng)地對(duì)整個(gè)場(chǎng)地土層的加載情況進(jìn)行控制，具有一定的直觀性和可靠性，能夠?yàn)槭┕ぬ峁┖侠淼闹笇?dǎo)意見。

2）加載時(shí)日均沉降量控制在5 mm以內(nèi)、水平位移控制在2 mm以內(nèi)、每級(jí)加載時(shí)各土層超孔壓消散完成80%、單級(jí)持荷時(shí)間20～30 d。按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有深厚粘性土的油罐復(fù)合地基的充水預(yù)壓加載施工，可以得到較好的效果。

該方法在武漢油罐碎石樁復(fù)合地基項(xiàng)目投入應(yīng)用后，縮短了工期、節(jié)約了投資、降低了工程造價(jià)、提高了工程質(zhì)量，圓滿完成了預(yù)期的加固指標(biāo)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］JTJ246-2004 港口工程碎石樁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］李志斌.沉管碎石樁加固軟弱路基效果及其影響因素的分析［J］.建筑科學(xué)，2015.

［3］趙麗明.儲(chǔ)罐軟土地基的處理與其數(shù)值分析［D］.中國(guó)石油大學(xué)，2012.

［4］龔濟(jì)平.人工島全尺寸三維有限元沉降計(jì)算模量修正研究［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2016.

［5］Jie Han.A simplified method for consolidation rate of stonecolumn［J］.JournalofGeotechnicaland Geoenvironmental Engineering，2001.

Study on Dynamic Heavy Preload Method Applying to Gravel Pile Composite Foundation Supporting Oil Tanks

Gong Jiping1，Wang Haiyan1，Jiang Jian2，Hu Xiaobo1
（1.CCCC Shanghai Harbour Engineering Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China； 2.Shanghai Harbor Quality Control & Testing Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China）

Long gravel piles have been used in the treatment of low-permeability clay soil foundation supporting oil tanks.Since the tested oil tank filled with water causes large settlement after the completion of construction，a preloading method is proposed，which can correct the calculation model in real-time and control the loading progress on the basis of the monitoring data.This method is adopted to design the water-filling preloading plan.The effective control of oil tank settlement verifies the reliability of dynamic loading method.In addition，the grading heavy preload standard is summarized，which applies to the gravel pile composite foundation.

gravel pile composite foundation； dynamic heavy preload； grading load standard

TU472.3+3

A

1004-9592（2016）04-0094-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160423

2016-05-18

龔濟(jì)平（1986-），男，工程師，主要從事巖土工程的地基處理、基坑支護(hù)等方面的設(shè)計(jì)與研究工作。