油罐碎石桩复合地基动态加载预压方法研究

龚济平，王海燕，蒋 健，胡小波（.中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海 0003；.上海港湾工程质量检测有限公司，上海 0003）



油罐碎石桩复合地基动态加载预压方法研究

龚济平1，王海燕1，蒋 健2，胡小波1
（1.中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海 200032；2.上海港湾工程质量检测有限公司，上海 200032）

本文介绍了一例长碎石桩应用在低渗透性粘性土油罐地基中的工程案例，根据完工后充水测试时发生的罐体沉降过大等问题，提出依据监测数据实时修正计算模型，控制加载进度的预压方法，依据这种方法设计了充水预压方案并实施，最终顺利控制罐体沉降，验证了这种动态加载方法的可靠性，同时对本工程中碎石桩复合地基分级加载预压的标准进行了归纳总结。

碎石桩复合地基；动态加载预压；分级加载标准

引　言

近年来随着我国经济的发展，沿海沿江地区新建了许多大中型油储罐，常使用碎石桩方法进行地基加固，该方法可以提高地基承载力、降低工后沉降等。根据《港口工程碎石桩设计与施工技术规程》［1］规定，加固不排水抗剪强度小于30 kPa的软基，要求施工前通过现场试验确定其适用性，且桩长不宜超过20m。碎石桩效用的发挥，需要桩周土体提供一定的围箍力，形成完整的桩体，如何在具有深厚软粘土的场地中合理地使用碎石桩，是一个需要面对的问题。

1　动态加载方法

所谓动态加载方法，即根据工程前期勘察数据，模拟工程主体建立数值模型，采用施工中反馈得到的监测数据，实时修正模型，预测下一级加载时间，控制加载进度的方法。动态加载方法的核心是建立合理的数值模型，对工程主体进行模拟，按照施工工况分步计算预测，同时参照监测数据对模型进行实时修正，以提高精度。依据计算结果控制施工进度，预测出适合的加荷、持荷和卸荷时间，使每级加载期间地基土强度得到充分增长、主固结沉降大部分完成，做到对加载预压全过程的数字化控制。对具有深厚软粘土的场地，选用碎石桩复合地基进行加固，一般需要有一段时间的预压期［2］，动态加载方法可以较好的控制每一级加载时间，保证土体强度的增长，同时节省工期，提高加载的安全性，充分发挥出碎石桩复合地基的加固效果。

2　工程实例

2.1工程地质概况

某公司在武汉市汉南开发区新建钢质油罐 39座，容量500～5 000m3，平面布置如图1所示。场地整平高程24.0m，处于长江左岸Ⅰ级阶地，冲积平原区类型。建筑物工程重要性、场地复杂程度、地基复杂程度等级为二级，岩土工程勘察、地基基础设计等级为乙级，抗震设防类别为丙类。

图1　油罐平面布置及计算断面布置

2.2碎石桩设计施工概况

碎石桩设计长度22m，要求进入⑨层砂土，在油罐下均匀布置并外扩1排。施工显示碎石桩施工时场地整体下沉不明显，局部有隆起，套管拔出后附带有很多粘土。碎石桩施工结束后对D1号5 000m3油罐进行充水测试，10天内连续分级充水加载至180 kPa，监测得到沉降最大值550 mm，差异沉降最大值225 mm，超过或接近规范限值，油罐无法正常使用。

图2　D1油罐充水测试沉降变化

分析其原因，在砂性或粉性土场地中进行沉管碎石桩施工，由于土层的渗透系数较高，施工挤土产生的超孔隙水压力消散较快，施工期间便会产生明显沉降，而本场地多为厚层粘性土，饱和度高、塑性指数大、渗透系数低，施工挤土产生的超孔隙水压力消散缓慢，需要一定的预压时间使复合地基的加固效果充分发挥［3］，因此需要设计一套加载预压方案。

2.3场地不均匀性分析

场地模拟计算所用土层参数如表1。

表1　模拟计算所用土层参数

经分析场地各个土层中对工程影响最大的为⑦-1淤泥质粉质粘土层，其三维厚度分布见图3。

图3　⑦-1淤泥质粉质粘土层分布

该层土强度低、压缩性大且分布不均匀，将对碎石桩复合地基的整体加固效果产生不利影响，布置计算断面时需对软土层厚度差异较大区域加密。同时考虑到场地南北较长东西较短，东西刚度小，是变形需要重点关注方向，应沿东西向布置计算断面。

（1）自拟调查问卷评价两组护理人员的工作能力，包括护理记录、模拟病情判断、基础操作、急救技能4个方面，评分均为100分，评分越高说明护理人员的综合工作能力越佳。（2）两组各随机选择200名患者作为调查对象，评价两组护理期间护理差错的发生情况。

2.4动态加载

施工中每级荷载施加完成后，根据监测得到沉降、孔压等数据，分析当前级预压效果，判断各层地基土在该级荷载下固结、强度增长等情况，并计算预测出下级加载时间和持荷时间。同时根据监测数据不断校正计算模型，提高后续加载预测精度。经过模拟计算，典型的油罐充水预压加荷见图4。

图4　典型的油罐充水预压加荷

本次计算使用Plaxis 2D有限元计算软件，对油罐碎石桩复合地基各个加载工况建模进行计算。模型边界宽度100m、深度60m，采用二维平面应变15节点高精度三角单元，各土层计算模量根据勘察报告中压缩模量进行深度和土性修正［4］，碎石桩根据环向刚度等效原则转化为二维计算模型［5］。充水预压施工共分为充水前、充水加载期、满水恒载期、放水卸载期、放水后等5个阶段。

2.5计算及监测结果

经过计算，2-2断面模型满载时的网格变形（扩大10倍），如图5所示。

图5　2-2断面满载时的断面扩大网格变形

由图5可见油罐基础沉降呈现“锅底”型，基础中心部位沉降最大，与常规监测得到的油罐基础沉降规律一致。图6为C1油罐东西向两测点沉降实测值与模型计算值对比。

图6　C1油罐东西向最大沉降

对比图6（a）和图6（b），C1油罐在充水预压施工330 d内，实测最大沉降约为550 mm，最小约400 mm；模型计算最大沉降约490 mm，最小约430 mm，考虑到实际施工中的误差，模型计算结果准确性在工程可以接受的范围内。

通常砂性、粉性土中碎石桩复合地基加载沉降发展具有明显的阶梯形特点，即加荷期沉降发展快，持荷期沉降逐步变缓，本工程中软弱粘性土实测沉降曲线较为平滑，呈现轻微阶梯形特点，原因在于粘性土渗透系数较小，每级加载其桩间土排水固结都需要相当的时间，同时碎石桩与桩间土发生协调变形，桩土应力比与复合地基刚度亦随时间而逐渐变化，故沉降曲线呈现较平滑的轻微阶梯形。

2.6分级加载标准

规范［1］规定的监测日变形量限值较宽，在具有深厚粘性土的油罐地基中，由于油罐的荷载较大，原状土的抗剪强度低，加载过快易造成地基土发生剪切破坏。本次施工根据实际情况调整了控制标准。根据模型计算结果和现场监测资料，场地堆载日均沉降量控制在5 mm，水平位移控制在2 mm，每级加载超孔压消散至80%，单级持荷时间20～30 d，如表2。

表2　规范与实际使用监测项目限值对比

2.7加固效果

油罐复合地基加固效果的核心是罐体差异沉降，因此施工完成后差异沉降的大小可以反映出施工的具体效果。充水预压完成后整个场地各种油罐的平均加固效果见表3。

表3　场地加固效果

经过动态加载方法充水预压后的油罐地基，其差异沉降值远小于规范规定的限值，因此使用动态加载方法，配合经调整的监测限值，可以充分提升施工的质量和速度。

3　结　论

本文通过一例长碎石桩用于粘性土油罐复合地基的工程实例，提出了动态加载方法的概念，推出了一套使用于粘性土油罐复合地基的加载控制标准，具体如下：

1）依据实时监测数据修正数值模型控制加载速度，将这一动态加载方法应用于粘性土油罐复合地基施工，可以系统地对整个场地土层的加载情况进行控制，具有一定的直观性和可靠性，能够为施工提供合理的指导意见。

2）加载时日均沉降量控制在5 mm以内、水平位移控制在2 mm以内、每级加载时各土层超孔压消散完成80%、单级持荷时间20～30 d。按照该标准进行有深厚粘性土的油罐复合地基的充水预压加载施工，可以得到较好的效果。

该方法在武汉油罐碎石桩复合地基项目投入应用后，缩短了工期、节约了投资、降低了工程造价、提高了工程质量，圆满完成了预期的加固指标，取得了良好的经济效益和社会效益。

［1］JTJ246-2004 港口工程碎石桩设计与施工技术规程［S］.

［2］李志斌.沉管碎石桩加固软弱路基效果及其影响因素的分析［J］.建筑科学，2015.

［3］赵丽明.储罐软土地基的处理与其数值分析［D］.中国石油大学，2012.

［4］龚济平.人工岛全尺寸三维有限元沉降计算模量修正研究［J］.中国港湾建设，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

龚济平（1986-），男，工程师，主要从事岩土工程的地基处理、基坑支护等方面的设计与研究工作。