關(guān)于罐基礎(chǔ)沉降趨勢預(yù)測中聚類屬性指標(biāo)取值合理性的探討

楊青

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

通常情況，大型儲罐區(qū)的填土場地條件相對復(fù)雜，素填土的平面分布和厚度受原始地形起伏的影響，填料及形成過程有所不同，使素填土的工程性質(zhì)差別很大。

針對上述情況，在填土場地上修建儲罐時(shí)，設(shè)計(jì)中須考慮地基的變形和穩(wěn)定問題，需進(jìn)行地基處理。近年來，強(qiáng)夯地基處理技術(shù)已普遍應(yīng)用于大型儲罐地基處理工程中。但是，夯后地基土分層往往很不規(guī)律[1]。同時(shí)，對于夯后地基處理效果的工程檢測也存在不足之處。一般工程檢測僅給出了土層空間上具體的某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)足夠多，也只能以常規(guī)“經(jīng)驗(yàn)”來評價(jià)，缺乏必要的理論依據(jù)，這就涉及到尋找一種能應(yīng)用于指導(dǎo)工程實(shí)踐的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)理論的問題。

數(shù)學(xué)上有一種按照樣本彼此相近程度進(jìn)行分類的理論稱為模糊聚類。該分析方法在實(shí)際工程中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。田華、尚建麗[2]運(yùn)用模糊聚類分析的數(shù)學(xué)理論與混凝土復(fù)合材料的特點(diǎn)對比分析，得出兩者具有一定適用性，從而可以采用模糊聚類分析法進(jìn)行預(yù)拌混凝土高性能化的質(zhì)量控制工作。

本文也將采用模糊聚類這種方法，以香港洋浦成品油保稅庫工程為例，對儲罐下強(qiáng)夯地基土的指標(biāo)進(jìn)行分類評價(jià)，為儲罐基礎(chǔ)的沉降趨勢預(yù)測提供參考。通過比較實(shí)測的罐基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)與按模糊聚類方法得到的場地土類別，重點(diǎn)討論夯后地基土分類所需的樣本屬性個(gè)數(shù)、以及選取的樣本屬性指標(biāo)對于預(yù)測罐基礎(chǔ)沉降趨勢的合理性。

1 工程實(shí)例

1.1 工程地質(zhì)概述

中石化香港洋浦成品油保稅庫庫區(qū)位于海南省洋浦開發(fā)區(qū)西北側(cè)，擬建建（構(gòu)）筑物為成品油罐區(qū)，包括9個(gè)50 000 m3油罐、15個(gè)30 000 m3油罐，以及相應(yīng)配套設(shè)施。

場地分為挖方區(qū)和填方區(qū)兩大區(qū)域。填方區(qū)素填土采用的挖方區(qū)的土方料，主要以黏性土和中粗砂為主，黏性土的黏聚性已顯著降低甚至完全消失，孔隙比大，還含有少量巖塊，巖塊粒徑約10 ～ 30 cm，巖塊強(qiáng)度較高，偶見植物根系，個(gè)別鉆孔底部夾中風(fēng)化玄武巖塊石。該層素填土的回填時(shí)間短，壓縮性高，承載力低，回填時(shí)未經(jīng)統(tǒng)一壓實(shí)處理，均勻性差，層厚1.20 ～ 11.80 m。素填土下為全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化基巖面，地基處理深度為10 m至基巖。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，決定對填方區(qū)采用8 000 kN·m 能級強(qiáng)夯處理，要求夯后地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到250 kPa，壓縮模量不低于13 MPa。

表1 地基靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.1 Summary table of foundation static load test results

1.2 夯后檢測方法描述

本罐區(qū)強(qiáng)夯地基檢測內(nèi)容：夯后平板靜載試驗(yàn)、鉆孔標(biāo)貫試驗(yàn)、重型動力觸探試驗(yàn)。以120-TK-105罐為例，其對應(yīng)的夯后檢測點(diǎn)的布置情況，見圖1；罐基礎(chǔ)下地基土的勘探點(diǎn)平面布置圖，見圖2；其工程地質(zhì)剖面圖，見圖3。

圖1 檢測點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of test point

圖2 勘探點(diǎn)平面布置圖Fig.2 Layout plan of the exploration points

圖3 工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Engineering geological profile drawing

本儲罐位于基巖突變處（陸海域交界處），為消除儲罐基礎(chǔ)的不均勻沉降及傾斜，將罐底部地基強(qiáng)夯處理范圍（φ72 m）內(nèi)標(biāo)高3.500 m以上的巖石挖除，用場地同類型填土分層（1 mm厚）機(jī)械碾壓或動力夯實(shí)至場地標(biāo)高。

平板靜載荷試驗(yàn)的結(jié)果顯示4 個(gè)點(diǎn)地基承載力特征值均≥250 kPa，壓縮模量≥13 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步對深部土體的承載力特性進(jìn)行評價(jià)，本次檢測中還采用動力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的方法。

重型動力觸探曲線顯示：在素填土層深度范圍內(nèi)動探擊數(shù)變化較大，2.0 ～ 22.5 擊。夯后有4 個(gè)動探點(diǎn)（D2、D3、D10、D13）在不同深度段存在較低動探擊數(shù)。表明這4個(gè)檢測點(diǎn)在不同深度存在相對松軟段，各點(diǎn)具體松軟段的深度范圍和檢測數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 強(qiáng)夯后存在較低動探擊數(shù)檢測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Tab.2 There is a statistical table of low dynamic detection points after strong compaction

在動探軟弱點(diǎn)附近進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擴(kuò)檢（3個(gè)點(diǎn)），鉆孔深度為 5.0 ～ 9.0 m，每米標(biāo)貫1次。擴(kuò)檢有4個(gè)標(biāo)貫試驗(yàn)點(diǎn)在不同深度存在較低標(biāo)貫擊數(shù)，B2試驗(yàn)點(diǎn) 3.0 ～ 5.0 m平均標(biāo)貫擊數(shù)為11擊，B3 試驗(yàn)點(diǎn)1.0 ～ 5.0 m標(biāo)貫擊數(shù)為10.7擊，B7 試驗(yàn)點(diǎn)4.0 ～ 5.0 m平均標(biāo)貫擊數(shù)為 9.7擊。

除存在相對松軟段的檢測點(diǎn)以外，其他區(qū)域的原位測試結(jié)果分段匯總?cè)绫?所示。

表3 夯后整體(相對松軟區(qū)除外) 動探結(jié)果匯總Tab.3 Summary table of foundation static load test results after strong compaction

綜上所述，罐基礎(chǔ)下地基土分布存在不均勻的現(xiàn)象。傳統(tǒng)檢測結(jié)果有一定的分散性，故采用模糊聚類方法，對獲得的所有測點(diǎn)土性指標(biāo)和分布區(qū)域進(jìn)行聚類歸并后，得出按不同平面區(qū)域分布的場地土類別。

1.3 樣本指標(biāo)屬性確定

模糊聚類分析的關(guān)鍵是根據(jù)研究對象本身的各種性質(zhì)確定樣本指標(biāo)屬性，樣本指標(biāo)屬性的確定應(yīng)能充分反映對象屬性特征[3]。

針對罐體結(jié)構(gòu)自重輕、剛度小，對地基基礎(chǔ)沉降變形比較敏感的特點(diǎn)，檢測結(jié)果指標(biāo)的應(yīng)用最終需要反映到地基基礎(chǔ)的變形上面。

由《鋼制儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，地基沉降量可采用分層總和法進(jìn)行計(jì)算，由于各測點(diǎn)至下伏硬層的深度范圍內(nèi)只有素填土一種土，故與地基變形相關(guān)的參數(shù)主要有罐基礎(chǔ)下第①層素填土的平均附加壓力p01、罐基礎(chǔ)下第①層素填土的壓縮模量Es1和第①層素填土的厚度H1。由于本工程中罐基礎(chǔ)直徑要遠(yuǎn)大于壓縮土層厚度，應(yīng)力擴(kuò)散作用幾乎可以忽略，則第①層素填土層的平均附加壓力p01、罐基礎(chǔ)下第①層素填土的壓縮模量Es1和第①層素填土的厚度H1。由于本工程中罐基礎(chǔ)直徑要遠(yuǎn)大于壓縮土層厚度，應(yīng)力擴(kuò)散作用幾乎可以忽略，則第①層素填土層的平均附加應(yīng)力即為基地壓力P0，而罐基礎(chǔ)內(nèi)部大部分點(diǎn)的基地壓力P0是相同的。所以，素填土層壓縮模量Es1和素填土層的厚度H1可直接作為土性指標(biāo)進(jìn)行劃分。

本工程在采用重型動力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行檢測時(shí)，檢測深度H在進(jìn)入下伏基巖層則停止，故可通過檢測深度H直接得到素填土層的厚度H1。于是，檢測深度H可代替素填土層的厚度H1作為一個(gè)樣本指標(biāo)。

通過動力觸探試驗(yàn)可獲得地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，經(jīng)過試驗(yàn)對比和相關(guān)分析，可獲得變形指標(biāo)參數(shù)Es1。同時(shí)，動力觸探試驗(yàn)是一種在地層中可以從上至下連續(xù)貫入的測試方法，每個(gè)觸探點(diǎn)的試驗(yàn)曲線可反映出地層在豎向上的變化規(guī)律，故可直接取各測點(diǎn)下動力觸探擊數(shù)平均值N63.5來代替素填土層壓縮模量Es1作為一個(gè)樣本指標(biāo)。同理，也可取各測點(diǎn)下標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)平均值N作為另一個(gè)樣本指標(biāo)。下面列出以全部8個(gè)檢測點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行聚類的樣本數(shù)據(jù)，見表4。

表4 樣本數(shù)據(jù)列Tab.4 List with sample data

2 聚類歸并

根據(jù)表1數(shù)據(jù)列表可以構(gòu)造出樣本數(shù)n= 8、屬性指標(biāo)數(shù)m= 2的數(shù)據(jù)矩陣[X]8×2，經(jīng)正規(guī)化處理和相似性定義，得到模糊相似矩陣R～，由模糊相似矩陣可構(gòu)造出模糊等價(jià)矩陣R～2k。有了模糊等價(jià)矩陣，就可以根據(jù)不同的置信度λ截取模糊等價(jià)關(guān)系，對樣本進(jìn)行合理歸并。以不同的λ進(jìn)行試算，可得到各檢測點(diǎn)樣本的聚類結(jié)果，見表5。

表5 不同λ下樣本聚類結(jié)果Tab.5 Clustering results of sample in different λ

3 結(jié)果分析

從表5可以看出，λ的大小反映了樣本間的相似程度。隨著置信度λ取值的不斷增大，所有檢測點(diǎn)反映出的土性變形特性差異越來越大。具體地說，當(dāng)置信度λ取值小于0.70時(shí)，所有檢測點(diǎn)反映出的土性變形特性趨于相似；當(dāng)置信度λ取不小于0.90時(shí)，則8個(gè)樣本代表了6種完全不相似的土性變形特性，故選取了λ= 0.85對土性指標(biāo)做出分類，根據(jù)檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)按測點(diǎn)位置分類歸并后的結(jié)果見圖4。

圖4 地基變形特性分類歸并示意Fig.4 Classification and merge for foundation deformation

在置信度λ= 0.85的水平上，分類歸并數(shù)為五類。五個(gè)類別分別對應(yīng)觸探深度H內(nèi)重型動力觸探平均擊數(shù)N63.5的加權(quán)平均值，分別為12.4、8.4、10.4、18.8、19.0。從局部范圍地基變形的角度來看，可能發(fā)生的地基壓縮變形量從大到小依次為：類別2→類別3→類別1→類別4→類別5。

120-TK-105罐建成后進(jìn)行了充水預(yù)壓，充水加載高度為18.17米，歷時(shí)15天，罐基礎(chǔ)環(huán)墻圓周按24個(gè)等距（中心夾角θ= 360°/24 = 15°）實(shí)測沉降S分別按Sx=S·Sinθ、Sy=S·Cosθ在X軸和Y軸平面展開，見圖5。

圖5 罐基礎(chǔ)實(shí)測沉降Fig.5 The measured settlement for storage tanks subgrade

4 結(jié)束語

本文結(jié)合工程實(shí)例，對在素填土場地上采用強(qiáng)夯地基處理后，夯后地基土分層很不規(guī)律，工程檢測數(shù)據(jù)之間比較離散，難以合理評價(jià)地基處理效果和預(yù)測罐基礎(chǔ)沉降趨勢這一問題，采用模糊聚類方法對夯后地基土做了分類，預(yù)測罐基礎(chǔ)沉降趨勢。

通過比較實(shí)測的罐基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)與按模糊聚類方法得到的場地土類別，可以看到選取合理的樣本屬性指標(biāo)對于準(zhǔn)確預(yù)測罐基礎(chǔ)沉降趨勢的重要性。本文以揭示罐基礎(chǔ)沉降變形趨勢為目的，選取了具有一定代表性的土性指標(biāo)作為樣本屬性，找到具有一定相似變形特性的土的分布規(guī)律，合理預(yù)測了罐基礎(chǔ)沉降。