基于FLAC3D的海南原油商业储备基地工程罐组桩基位移分析

谷家林

摘 要：拟建海南原油商业储备基地工程原有地基不能满足上部结构的承载力，应进行地基处理或采用桩基。上部①层素填土为软弱土层，承载力和变形不能满足拟建罐和附属配套装置，故建议对①层素填土进行强夯处理，以提高浅部地基土的土层强度及压缩性能。拟建6座原油储罐宜采用CFG桩复合地基方案，以④层砂岩为桩端持力层。最后，采用FLAC3D对桩基在不同桩顶附加应力条件下的位移进行数值模拟分析。

关键词：承载力 桩基 FLAC3D

中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0114-02

拟建海南原油商业储备基地工程位于海南洋浦经济开发区化工园区，主要拟建建（构）筑物设计指标：拟建海南原油商业储备基地工程储罐容量约255万m3，主要构筑物为钢储罐，其中10万m3容量储罐25个、5万m3容量储罐1个；附属建（构）筑物包括综合办公楼、35 kV变电站、维修间等。由于每个10万立方米容量储罐平面尺寸为D=80 m，H=21.8 m，上部结构为外浮顶罐，基底附加应力为250 kN/m2，所以现有地基不能满足上部结构的承载力，应进行地基处理或采用桩基。

1 场地环境与工程地质条件

拟建场地位于海南洋浦经济开发区化工园区，场地北侧有施工便道与滨海大道相连，交通较便利。拟建场地原始地貌单位属海岸及海岸阶地，后经过两次回填整平，已完成了填海及开挖工作。整个场地第二次回填整平工作仍在进行中，罐组（一）区域已完成整平。根据野外钻探、原位测试及室内土工试验成果，依据场地岩土的成因、年代、岩性及物理、力学性质，将本场地钻探揭露深度范围内地层划分为12层（含亚层），自上而下分别为：①层素填土（Qml）：②层含珊瑚中砂（Q4m）：②夹层珊瑚岩（Q4m）：④层砂岩（Q2mc）：⑤层粉质黏土（Q1mc）：⑥层粉质黏土（N2m）：⑥1层含黏性土中砂（N2m）：⑦层中砂（N2m）：⑧层生物碎屑岩（N2m）：⑨层砂砾岩（N2m）：⑨1层含黏性土中砂（N2m）：⑩层生物碎屑岩（N2m）：层含砂粉质黏土（N2m）：

2 地基土工程性质评价

根据野外钻探、原位测试及室内土工试验成果，对罐组（一）场地地基土分析评价如下：

（1）素填土层，场地均有分布，土质均匀性较差，承载力较低、压缩模量较小，新近回填，未经过处理不宜作为天然地基基础持力层。（2）含珊瑚中砂层，场地均有分布，经杆长修正后的标准贯入击数N'平均值为11.1击，经杆长修正后重型动力触探击数N63.5平均值为4.4击，承载力较低、压缩模量中等，有轻微液化的可能性，未经过处理不宜作为拟建10万m3储罐天然地基基础持力层。（3）砂岩层，场地均有分布，厚度较大，岩石饱和单轴抗压强度标准值为4.64 MPa，承载力高，是拟建油罐良好的桩端持力层。（4）粉质黏土层，承载力中等、压缩模量相对较大，α1-2=0.095，属低压缩性土，但场地分布区域及厚度较小，不宜作为桩基持力层。（5）粉质黏土层，场地均有分布，厚度较大，承载力高，压缩模量相对较大，α1-2=0.089，属低压缩性土，是拟建油罐良好的桩端持力层。

3 地基基础方案分析

3.1 天然地基方案

浅部①层素填土为相对软弱层，承载力和变形不能满足拟建油罐和附属配套设施的要求，故不能直接采用天然地基方案。

3.2 强夯地基

浅部①层素填土回填时间较短，且第一次回填时未经过处理，其厚度较大、均匀性较差，未完成自重固结，整体工程性质较差。为消除工程不利影响，根据拟建场地的地层特点，结合当地经验，建议进行强夯处理，以提高其的土层强度及压缩性能，并能较大改善②层含珊瑚中砂的性状。经处理后满足设计（强度及变形要求）的①层素填土，可以作为拟建雨水监控池、污水收集池、泡沫站、初期雨水池及管廊的基础持力层。

3.3 CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）复合地基

根据场地地层情况及地区施工经验，拟建6座原油储罐宜采用CFG桩复合地基方案。CFG桩复合地基处理方法具有桩身强度高、变形小、施工简单、施工工期较短、工程造价相对较低、低噪音、无振动、无泥浆排放等特点。本场地CFG桩宜选择④层砂岩（层厚3.00～11.50 m，层顶深度9.60～15.70 m）作为桩端持力层，桩端全断面应进入持力层顶面，桩径选择500 mm，桩间距可选择3～5倍桩径，桩长一般约10～16 m。有关CFG桩复合地基设计参数建议值见表1。

CFG桩单桩竖向承载力特征值可依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002）估算，以6个钻孔为例，进行单桩承载力特征值估算，估算结果见表2。

3.4 FLAC3D数值模拟

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美国Itasca公司开发的，能够进行土质和岩石的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。

本次模拟以钻孔A080为例，采用莫尔-库仑破坏准则，桩和砂岩的体积模量13.9e9 Pa，剪切模量10.4e9 Pa，填土的体积模量8.5e7 Pa，剪切模量4e7 Pa，重度1700 kN/m3，粘聚力8 kPa，内摩擦角10°，含珊瑚中砂重度1600 kN/m3，粘聚力1 kPa，内摩擦角35 °。

图1桩顶受力为桩顶受力为200 kPa，400 kPa，800 kPa和1000 kPa时的轴向位移云图。表4为桩顶受力为200 kPa，400 kPa，800 kPa和1000 kPa时达到稳定的位移值。在对10万m3原油储罐及附属建设物进行地基设计时，应注意加载的边界条件和桩顶轴向位移极限（见图1）。

5 结语

（1）本场地上部①层素填土为本场地软弱土层，承载力和变形不能满足拟建罐和附属配套装置，故不宜采用天然地基方案。建议对①层素填土进行强夯处理，以提高浅部地基土的土层强度及压缩性能。

（2）拟建6座原油储罐宜采用CFG桩复合地基方案，成桩方法选用长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，以④层砂岩作为桩端持力层。

参考文献

[1] 北京东方新星石化工程股份有限公司.海南原油商业储备基地工程-罐组（一）岩土工程勘察报告.2013.endprint

摘 要：拟建海南原油商业储备基地工程原有地基不能满足上部结构的承载力，应进行地基处理或采用桩基。上部①层素填土为软弱土层，承载力和变形不能满足拟建罐和附属配套装置，故建议对①层素填土进行强夯处理，以提高浅部地基土的土层强度及压缩性能。拟建6座原油储罐宜采用CFG桩复合地基方案，以④层砂岩为桩端持力层。最后，采用FLAC3D对桩基在不同桩顶附加应力条件下的位移进行数值模拟分析。

关键词：承载力 桩基 FLAC3D

中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0114-02

拟建海南原油商业储备基地工程位于海南洋浦经济开发区化工园区，主要拟建建（构）筑物设计指标：拟建海南原油商业储备基地工程储罐容量约255万m3，主要构筑物为钢储罐，其中10万m3容量储罐25个、5万m3容量储罐1个；附属建（构）筑物包括综合办公楼、35 kV变电站、维修间等。由于每个10万立方米容量储罐平面尺寸为D=80 m，H=21.8 m，上部结构为外浮顶罐，基底附加应力为250 kN/m2，所以现有地基不能满足上部结构的承载力，应进行地基处理或采用桩基。

1 场地环境与工程地质条件

拟建场地位于海南洋浦经济开发区化工园区，场地北侧有施工便道与滨海大道相连，交通较便利。拟建场地原始地貌单位属海岸及海岸阶地，后经过两次回填整平，已完成了填海及开挖工作。整个场地第二次回填整平工作仍在进行中，罐组（一）区域已完成整平。根据野外钻探、原位测试及室内土工试验成果，依据场地岩土的成因、年代、岩性及物理、力学性质，将本场地钻探揭露深度范围内地层划分为12层（含亚层），自上而下分别为：①层素填土（Qml）：②层含珊瑚中砂（Q4m）：②夹层珊瑚岩（Q4m）：④层砂岩（Q2mc）：⑤层粉质黏土（Q1mc）：⑥层粉质黏土（N2m）：⑥1层含黏性土中砂（N2m）：⑦层中砂（N2m）：⑧层生物碎屑岩（N2m）：⑨层砂砾岩（N2m）：⑨1层含黏性土中砂（N2m）：⑩层生物碎屑岩（N2m）：层含砂粉质黏土（N2m）：

2 地基土工程性质评价

根据野外钻探、原位测试及室内土工试验成果，对罐组（一）场地地基土分析评价如下：

（1）素填土层，场地均有分布，土质均匀性较差，承载力较低、压缩模量较小，新近回填，未经过处理不宜作为天然地基基础持力层。（2）含珊瑚中砂层，场地均有分布，经杆长修正后的标准贯入击数N'平均值为11.1击，经杆长修正后重型动力触探击数N63.5平均值为4.4击，承载力较低、压缩模量中等，有轻微液化的可能性，未经过处理不宜作为拟建10万m3储罐天然地基基础持力层。（3）砂岩层，场地均有分布，厚度较大，岩石饱和单轴抗压强度标准值为4.64 MPa，承载力高，是拟建油罐良好的桩端持力层。（4）粉质黏土层，承载力中等、压缩模量相对较大，α1-2=0.095，属低压缩性土，但场地分布区域及厚度较小，不宜作为桩基持力层。（5）粉质黏土层，场地均有分布，厚度较大，承载力高，压缩模量相对较大，α1-2=0.089，属低压缩性土，是拟建油罐良好的桩端持力层。

3 地基基础方案分析

3.1 天然地基方案

浅部①层素填土为相对软弱层，承载力和变形不能满足拟建油罐和附属配套设施的要求，故不能直接采用天然地基方案。

3.2 强夯地基

浅部①层素填土回填时间较短，且第一次回填时未经过处理，其厚度较大、均匀性较差，未完成自重固结，整体工程性质较差。为消除工程不利影响，根据拟建场地的地层特点，结合当地经验，建议进行强夯处理，以提高其的土层强度及压缩性能，并能较大改善②层含珊瑚中砂的性状。经处理后满足设计（强度及变形要求）的①层素填土，可以作为拟建雨水监控池、污水收集池、泡沫站、初期雨水池及管廊的基础持力层。

3.3 CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）复合地基

根据场地地层情况及地区施工经验，拟建6座原油储罐宜采用CFG桩复合地基方案。CFG桩复合地基处理方法具有桩身强度高、变形小、施工简单、施工工期较短、工程造价相对较低、低噪音、无振动、无泥浆排放等特点。本场地CFG桩宜选择④层砂岩（层厚3.00～11.50 m，层顶深度9.60～15.70 m）作为桩端持力层，桩端全断面应进入持力层顶面，桩径选择500 mm，桩间距可选择3～5倍桩径，桩长一般约10～16 m。有关CFG桩复合地基设计参数建议值见表1。

CFG桩单桩竖向承载力特征值可依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002）估算，以6个钻孔为例，进行单桩承载力特征值估算，估算结果见表2。

3.4 FLAC3D数值模拟

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美国Itasca公司开发的，能够进行土质和岩石的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。

本次模拟以钻孔A080为例，采用莫尔-库仑破坏准则，桩和砂岩的体积模量13.9e9 Pa，剪切模量10.4e9 Pa，填土的体积模量8.5e7 Pa，剪切模量4e7 Pa，重度1700 kN/m3，粘聚力8 kPa，内摩擦角10°，含珊瑚中砂重度1600 kN/m3，粘聚力1 kPa，内摩擦角35 °。

图1桩顶受力为桩顶受力为200 kPa，400 kPa，800 kPa和1000 kPa时的轴向位移云图。表4为桩顶受力为200 kPa，400 kPa，800 kPa和1000 kPa时达到稳定的位移值。在对10万m3原油储罐及附属建设物进行地基设计时，应注意加载的边界条件和桩顶轴向位移极限（见图1）。

5 结语

（1）本场地上部①层素填土为本场地软弱土层，承载力和变形不能满足拟建罐和附属配套装置，故不宜采用天然地基方案。建议对①层素填土进行强夯处理，以提高浅部地基土的土层强度及压缩性能。

（2）拟建6座原油储罐宜采用CFG桩复合地基方案，成桩方法选用长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，以④层砂岩作为桩端持力层。

参考文献

[1] 北京东方新星石化工程股份有限公司.海南原油商业储备基地工程-罐组（一）岩土工程勘察报告.2013.endprint

摘 要：拟建海南原油商业储备基地工程原有地基不能满足上部结构的承载力，应进行地基处理或采用桩基。上部①层素填土为软弱土层，承载力和变形不能满足拟建罐和附属配套装置，故建议对①层素填土进行强夯处理，以提高浅部地基土的土层强度及压缩性能。拟建6座原油储罐宜采用CFG桩复合地基方案，以④层砂岩为桩端持力层。最后，采用FLAC3D对桩基在不同桩顶附加应力条件下的位移进行数值模拟分析。

关键词：承载力 桩基 FLAC3D

中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0114-02

拟建海南原油商业储备基地工程位于海南洋浦经济开发区化工园区，主要拟建建（构）筑物设计指标：拟建海南原油商业储备基地工程储罐容量约255万m3，主要构筑物为钢储罐，其中10万m3容量储罐25个、5万m3容量储罐1个；附属建（构）筑物包括综合办公楼、35 kV变电站、维修间等。由于每个10万立方米容量储罐平面尺寸为D=80 m，H=21.8 m，上部结构为外浮顶罐，基底附加应力为250 kN/m2，所以现有地基不能满足上部结构的承载力，应进行地基处理或采用桩基。

1 场地环境与工程地质条件

拟建场地位于海南洋浦经济开发区化工园区，场地北侧有施工便道与滨海大道相连，交通较便利。拟建场地原始地貌单位属海岸及海岸阶地，后经过两次回填整平，已完成了填海及开挖工作。整个场地第二次回填整平工作仍在进行中，罐组（一）区域已完成整平。根据野外钻探、原位测试及室内土工试验成果，依据场地岩土的成因、年代、岩性及物理、力学性质，将本场地钻探揭露深度范围内地层划分为12层（含亚层），自上而下分别为：①层素填土（Qml）：②层含珊瑚中砂（Q4m）：②夹层珊瑚岩（Q4m）：④层砂岩（Q2mc）：⑤层粉质黏土（Q1mc）：⑥层粉质黏土（N2m）：⑥1层含黏性土中砂（N2m）：⑦层中砂（N2m）：⑧层生物碎屑岩（N2m）：⑨层砂砾岩（N2m）：⑨1层含黏性土中砂（N2m）：⑩层生物碎屑岩（N2m）：层含砂粉质黏土（N2m）：

2 地基土工程性质评价

根据野外钻探、原位测试及室内土工试验成果，对罐组（一）场地地基土分析评价如下：

（1）素填土层，场地均有分布，土质均匀性较差，承载力较低、压缩模量较小，新近回填，未经过处理不宜作为天然地基基础持力层。（2）含珊瑚中砂层，场地均有分布，经杆长修正后的标准贯入击数N'平均值为11.1击，经杆长修正后重型动力触探击数N63.5平均值为4.4击，承载力较低、压缩模量中等，有轻微液化的可能性，未经过处理不宜作为拟建10万m3储罐天然地基基础持力层。（3）砂岩层，场地均有分布，厚度较大，岩石饱和单轴抗压强度标准值为4.64 MPa，承载力高，是拟建油罐良好的桩端持力层。（4）粉质黏土层，承载力中等、压缩模量相对较大，α1-2=0.095，属低压缩性土，但场地分布区域及厚度较小，不宜作为桩基持力层。（5）粉质黏土层，场地均有分布，厚度较大，承载力高，压缩模量相对较大，α1-2=0.089，属低压缩性土，是拟建油罐良好的桩端持力层。

3 地基基础方案分析

3.1 天然地基方案

浅部①层素填土为相对软弱层，承载力和变形不能满足拟建油罐和附属配套设施的要求，故不能直接采用天然地基方案。

3.2 强夯地基

浅部①层素填土回填时间较短，且第一次回填时未经过处理，其厚度较大、均匀性较差，未完成自重固结，整体工程性质较差。为消除工程不利影响，根据拟建场地的地层特点，结合当地经验，建议进行强夯处理，以提高其的土层强度及压缩性能，并能较大改善②层含珊瑚中砂的性状。经处理后满足设计（强度及变形要求）的①层素填土，可以作为拟建雨水监控池、污水收集池、泡沫站、初期雨水池及管廊的基础持力层。

3.3 CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）复合地基

根据场地地层情况及地区施工经验，拟建6座原油储罐宜采用CFG桩复合地基方案。CFG桩复合地基处理方法具有桩身强度高、变形小、施工简单、施工工期较短、工程造价相对较低、低噪音、无振动、无泥浆排放等特点。本场地CFG桩宜选择④层砂岩（层厚3.00～11.50 m，层顶深度9.60～15.70 m）作为桩端持力层，桩端全断面应进入持力层顶面，桩径选择500 mm，桩间距可选择3～5倍桩径，桩长一般约10～16 m。有关CFG桩复合地基设计参数建议值见表1。

CFG桩单桩竖向承载力特征值可依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002）估算，以6个钻孔为例，进行单桩承载力特征值估算，估算结果见表2。

3.4 FLAC3D数值模拟

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美国Itasca公司开发的，能够进行土质和岩石的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。

本次模拟以钻孔A080为例，采用莫尔-库仑破坏准则，桩和砂岩的体积模量13.9e9 Pa，剪切模量10.4e9 Pa，填土的体积模量8.5e7 Pa，剪切模量4e7 Pa，重度1700 kN/m3，粘聚力8 kPa，内摩擦角10°，含珊瑚中砂重度1600 kN/m3，粘聚力1 kPa，内摩擦角35 °。

图1桩顶受力为桩顶受力为200 kPa，400 kPa，800 kPa和1000 kPa时的轴向位移云图。表4为桩顶受力为200 kPa，400 kPa，800 kPa和1000 kPa时达到稳定的位移值。在对10万m3原油储罐及附属建设物进行地基设计时，应注意加载的边界条件和桩顶轴向位移极限（见图1）。

5 结语

（1）本场地上部①层素填土为本场地软弱土层，承载力和变形不能满足拟建罐和附属配套装置，故不宜采用天然地基方案。建议对①层素填土进行强夯处理，以提高浅部地基土的土层强度及压缩性能。

（2）拟建6座原油储罐宜采用CFG桩复合地基方案，成桩方法选用长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩，以④层砂岩作为桩端持力层。

参考文献

[1] 北京东方新星石化工程股份有限公司.海南原油商业储备基地工程-罐组（一）岩土工程勘察报告.2013.endprint