（岩土工程专业论文）软土地基上储罐的沉降分析及整体可靠度计算.pdf

摘要 储罐基础的沉降是地基设计中要考虑的一个重要方面，储罐地基应在荷载作用后， 不至于产生过大的不均匀沉降和倾斜，不能危及到储罐的正常使用。地基变形计算的内 容主要涉及到土体内的应力分布、土的应力应变关系、变形计算指标的选择、土体的侧 向变形、次固结变形、上部结构与基础的刚度等复杂因素。 由于软土具有强度较低、压缩性较高的特点，使规范方法在应用于软土地基上储罐 基础的沉降计算得不到满意的结果。加之群罐的沉降规律由于储罐相互之间的影响较单 罐更为复杂。为保证储罐的正常使用，进行软土地基上储罐的沉降分析和可靠度计算是 必要的。 将软土地基上储罐的沉降分析和可靠度计算成果推广到储罐的设计部门和建造施 工部门，避免影响储罐寿命的不利因素，将会取得很大的经济效益和社会效益。 论文首先分析了软土地基的主要基本性质和主要的物理力学特性。 采用有限差分法对不同情况下地基附加应力与变形的分布情况进行了研究，分析了 均质与非均质地基土附加应力与变形的分布规律，并与规范计算出的理论值及三维沉降 法、有限元法的计算值进行比较，得出了有限差分法对于分析储罐地基附加应力与变形 有效性。 针对储罐群梅花形布置的情况，用有限差分法对群罐地基沉降进行计算，研究了储 罐之间的相互影响；针对每个储罐底板考虑以下三个问题：中心与边缘的沉降差、平面 倾斜即对径点的沉降差、非平面倾斜，通过数值计算寻求合理的布罐方式和储罐间距。 将储罐结构和地基视为一个系统，结合影响沉降的因素，对储罐的可靠度进行了计 算。首先对一次二阶矩法和蒙特卡罗法进行了比较，确定用蒙特卡罗法，选取地基的压 缩模量、储罐的容积等参数对储罐的失效概率进行了计算和分析。 论文研究成果可为储罐地基沉降规律理论研究和地基基础设计提供基本的理论支 持和数值验证。 关键词：群罐，软土地基，沉降分析，有限差分法，可靠度 s e t t l e m e n ta n a l y s i sa n dr e l i a b i l i t yc a l c u l a t i o n o fs t o r a g et a n ko ns o f tg r o u n d l i ul e i ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y ur a n g a n ga n da s s o c i a t ep r o f c h e n gx u d o n g a b s t r a c t s e t t l e m e n to ft a n kf o u n d a t i o ni sa ni m p o r t a n ta s p e c ti nt h eg r o u n dd e s i g n s t o r a g et a n k g r o u n dr e q u e s t st h a ta f t e rl o a d i n gt h e r ei sn oo v e r s i z e ds e t t l e m e n td i f f e r e n c eo ri n c l i n e sa n d c a nn o te n d a n g e rt ot h es t o r a g et a n kn o r m a lu s e t h eg r o u n dd i s t o r t i o nc o m p u t a t i o nc o n t e n t m a i n l yi n v o l v e st om a n yc o m p l e xf a c t o r ss u c ha st h es o i lb o d yi nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n ，t h e e a r t hs t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s ，t h ed i s t o r t i o nc o m p u t a t i o nt a r g e tc h o i c e ，t h es o i lb o d yl a t e r a l d e f o r m a t i o n ，s o l i d i f y i n gd i s t o r t s ，t h es u p e r s t r u c t u r ea n d t h ef o u n d a t i o nr i g i d i t ya n ds oo n b e c a u s es o f ts o i lh a sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st h el o wi n t e n s i t y ，h i g hc o m p r e s s i b i l i t y ，t h e s t a n d a r dm e t h o dc a n n o to b t a i ns a t i s f a c t i o nr e s u l to ns o f ts o i lg r o u n ds e t t l e m e n tc o m p u t a t i o n a n db e c a u s eo fi n f l u e n c eo ft h et a n k s ，t h eg r o u pt a n k ss e t t l e m e n tr u l ei sm o r ec o m p l e xt h a n t h es e p a r a t e i no r d e rt og u a r a n t e et h es t o r a g et a n k sn o r m a lu s e ，s e t t l e m e n ta n a l y s i sa n d r e l i a b i l i t yc a l c u l a t i o no fs t o r a g et a n ko ns o f tg r o u n da r en e c e s s a r y p r o m o t i n gs e t t l e m e n ta n a l y s i sa n dr e l i a b i l i t yc a l c u l a t i o no fs t o r a g et a n ko ns o f tg r o u n d a c h i e v e m e n tt ot h es t o r a g et a n kd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nd e p a r t m e n ta n da v o i d i n gt h e d i s a d v a n t a g ef a c t o rc a no b t a i ng r e a te c o n o m i ce f f i c i e n c ya n d s o c i a le f f i c i e n c y s o i l t h ep a p e rf i r s ta n a l y z e dm a i nb a s i cn a t u r a la n dp h y s i c a lm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fs o f t f o rt h ef o u n d a t i o no ft a n k ，t h ed i s t r i b u t i n gd i s c i p l i n eo fe x t r as t r e s sa n dd i s t o r t i o no f h o m o g e n e o u ss o i la n di n h o m o g e n e o u ss o i la r es t u d i e di nt h ep a p e rb yu s i n gt h em e t h o do f f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sb yf o r m u l ao fc r i t e r i o n ，m e t h o do f3 一d s e t t l e m e n ta n df o u n d a t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h er e s u l ti l l u m i n a t e st h a tt h ew a yo ff i n i t e e l e m e n ti sd e p e n d a b l ef o ra n a l y z i n ge x t r as t r e s sa n dd i s t o r t i o no fg r o u n d w o r ko fs t o r a g et a n k i nv i e wo ft h es t o r a g et a n kg r o u pq u i n c u n xa r r a n g e m e n ts i t u a t i o n ，s e t t l e m e n t c o m p u t a t i o ni sc a r r i e do nw i t ht h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dt h ep a p e rh a ss t u d i e dm u t u a l i n f l u e n c eb e t w e e nt h es t o r a g et a n k s c o n s i d e r sf o l l o w i n gt h r e eq u e s t i o n si nv i e wo fe a c h s t o r a g et a n kb a s eb o a r d ：c e n t r a la n de d g es e t t l e m e n td i f f e r e n c e ，p l a n ei n c l i n ea n dn o n p l a n e i n c l i n e r e a s o n a b l ew a yo fd i s p o s i n gs t o r a g et a n k sa n ds p a c i n ga r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h es e t t l e m e n to ft h et a n k ，t h ef u n c t i o no ft h et a n ki se s t a b l i s h e d t h e r e l i a b i l i t yo ft h et a n ki sc a l c u l a t e db yt h ef i r s t o r d e rs e c o n d m o m e n tm e t h o da n dt h em o n t e c a r l om e t h o d ，a n dt h er e s u l t so ft h eb o t hm e t h o d sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h ep a p e rr e s e a r c hr e s u l t sm a yp r o v i d eb a s i ct h e o r ys u p p o r ta n dv a l u ec o n f i r m a t i o nf o r s t o r a g et a n ks e t t l e m e n tf u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n dg r o u n df o u n d a t i o nd e s i g n k e yw o r d s ：g r o u pt a n k s ，s o f tg r o u n d ，s e t t l e m e n ta n a l y s i s ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ， r e l i a b i l i t y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 卜 蹶土i ) 培年占月艿日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 同期：上舶年 p t 期：) 蝴年 岁月2 5 同 f 月2 5 - 同 中困“油人学( 1 - 匕东) f 吹i - q ：位论义 1 1研究的目的与意义 第一章绪论 能源是推动社会经济发展的物质原动力，能源供应不足或供应来源受到威胁都将直 接影响国民经济发展和国家安全。立式储罐是油田化工及其相关企业应用多而广的储液 容器，是能源利用、再生产和供给的重要措施。随着经济综合实力的提高，石油石化行 业出于能源储备的战略需要，原油储运系统建设的步伐f 在加快。有效的进行储罐的安 全性研究，是延长储罐寿命、加快石油储备、保证能源供用的关键。 储罐基础的沉降是地基设计中要考虑的一个重要方面，储罐地基要求在荷载作用以 后，不至于产生过大的沉降和倾斜，不能危及到储罐的f 常使用。地基变形计算的内容 涉及到土体内的应力分布、土的应力应变关系、变形计算指标的选择、土体的侧向变形、 次固结变形、上部结构与基础的刚度等复杂因素，已经有不少学者作过许多有意义的研 究，并提出了一些有实用价值的计算方法和计算经验。实际使用时，是采取简化的手法， 即忽略一些次要因素，采取实测资料加以分析和总结出理论和经验相结合的变形计算方 法。 近3 0 年来，储罐向大型化迅速发展，储罐的大型化可以减少总图布置的占地面积、 节省罐区的管网和配件、节省钢材、便于生产管理等等。但随着储罐的大型化，也必然 产生一些问题，如对地基沉降控制、抗震、防火要求等更高，大型储罐的危险性增大， 一旦储罐发生破坏，损失惨重，如果没有相应的预防措施和技术措施，则容易出现危险。 因此，若进一步将储罐可靠性研究和软土地基的研究技术推广到储罐的设计部门、储罐 建造施工部门，避免影响储罐寿命的不利因素，将会取得更大的经济效益和社会效益。 由于储罐一旦遭到地震而破坏，往往造成火灾、爆炸、环境污染、燃油短缺等严重 次生灾害，带来巨大的直接和间接经济损失。由于储油罐地震灾害后果的严重性，储油 罐的抗震问题也备受关注。通过抗震设防可以在一定的程度上减少储油罐破坏的几率： 而通过事前的抗震防灾规划，即使储油罐遭到地震破坏，也可以根据事前的规划进行震 后的应急救灾工作，以使灾害降至最低。所以对处于地震区的新建储油罐，必须进行抗 震验算，并根据设防的要求采用相应的抗震减震措施。只有这样，爿。能做到经济合理， 技术可行。所以，作为重大危险源的储油罐，对其进行可靠性研究具有十分重要的现实 意义 1 6 1 。 第一章绪论 1 。2 国内外研究现状 1 2 1 沉降计算 计算储罐地基沉降，首先应知道地基土层在储罐荷载作用下引起的应力，其次必须 掌握地基土层的分布情况及其应力一应变关系特征。地基的沉降计算包括地基中的应力 分布、地基沉降计算、地基允许变形值以及减少地基不均匀沉降措施。地基中存在的应 力，除自重应力之外，还有储罐载荷引起的应力，这部分新增加的应力称为附加应力， 正是由于附加应力才引起地基变形。 ( 1 ) 规范方法 关于地基沉降的计算，建筑地基基础设计规范g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 中的分层总和法是 普遍应用的一种方法，在一般的工程中应用能获得一定的效果。该法是假定地基土是均 质，连续，各向同性的弹性半空间体。计算地基最终沉降量s 的分层总和法为： s = 蝇= 6 , - , ( 1 1 ) 其中蝇为第f 分层的压缩量：q 为第f 分层土的压缩模量；q 为第f 分层土的厚度。 ( 2 ) 三维沉降计算法 建筑地基基础设计规范g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 中的分层总和法是国内普遍应用的一种 方法，在一般的工程中应用能获得一定的效果。但是应用于软土地基上特大型储罐基础 的沉降计算时，却不能得到满意的结果。 目前储罐地基沉降计算的几种方法为：单向压缩分层总和法、耶戈罗夫法、等值层 法、三向变形分层总和法( 黄文熙法) 、三维沉降计算法。通过实际验证【3 】，三维沉降计 算法比前四种计算方法更为准确。 三维沉降计算为： s = ( 如) 鹪) ，( 1 - 2 ) 其中( 包) ，为由单维沉降化为三维沉降的转换系数； ( k 3 卜嵩旷寿半】( 驴( m o - ，a z ) 表示土层中的单维勰m 伪土 的体积压缩系数，可由m ，：尘二孕丛生丛e 来求出；为柏松比，a z 为土层厚度。 j 一“ 2 中国油人学【仁东) 坝i ：学位论义 ( 3 ) 有限元法 结构和地基是一个整体，结构物上的荷载最终由地基承载，当结构物上的荷载作用 于地基上时，地基对结构物将产生反作用力。由于反作用力的存在，会使地基与结构物 之间的内力、变形等方面产生相互影响和相互制约的现象，这就是通常所说的结构与地 基的相互作用。在常规分析方法中，结构与地基是分别计算的，不考虑两者之间的相互 作用。 从1 9 7 3 年河海大学和南京水利科学研究院丌始把有限元法用于岩土工程的研究以 来，有限元法在大坝围堰的高边坡受力及变形，模拟地基填土和丌挖时周围应力场的变 化及发生变形的方面显示出了强大生命力。 近些年来，随着复合地基技术在地基处理领域的广泛应用，虽然对复合地基的研究 已经积累了一些试验资料，但是理论分析方面却碰到了数学上的困难。有限单元法能较 全面地反映复合地基中桩和桩间土的相互耦合作用及它们的非线性特性，并可考虑桩、 桩间土和基础等不同介质各种分布情况，在分析各种因素对复合地基力学性状的影响时 具有较大的优越性。 利用有限元法对复合地基力学性状进行分析研究，许多学者已经作出了种种努力， 取得了相应的研究成果，使得有限元法在复合地基理论研究方面发挥着重要作用。利用 有限元法来模拟复合地基受力、变形状态，并作为复合地基设计施工的辅助工具具有很 好的应用前景。 b r a n s b y m f 和s p r i n g m a n s m 利用非线性三维有限元法对桩土类复合地基在附加 应力作用下的桩土相互作用特性、荷载传递特性和桩间土的变形情况作了深入的研究， 并将数值分析的结果和离心机模型试验结果作了对比。 秦建伟，孟杰武考虑土体非线性特性，利用大型有限元分析软件a l g o r 对水泥土 单桩复合地基基本特性进行了分析。 周建民采用d u c a n c h a n g 模型编制了非线性有限元程序对大板基础下深层搅拌桩 复合地基进行三维数值模拟分析，就荷载水平、桩长、桩土置换率、不同土层分布、不 同桩身模量等诸因素对复合地基沉降、桩端应力、桩的承载率的影响规律进行了研究， 并在此基础上对深层搅拌桩复合地基工作机制、应力和变形分布特点进行了分析。 段继伟，龚小南，曾国熙通过单桩带台的有限元分析模型对复合地基桩土应力比的 影响因素进行了有限元分析。 陆贻杰和周国钧通过搅拌桩复合地基三维有限元分析指出搅拌桩复合地基在低荷 第一章绪论 载阶段荷载主要由桩体承担，在荷载较大时桩问土应力发挥爿比较明显，搅拌桩复合地 基基底应力明显低于天然地基基底应力，达到破坏时基底应力彳。趋向一致。 张忠坤利用二维平面有限元程序对复合地基临界桩长进行了分析研究，结果表明复 合地基临界桩长应视荷载分布情况、桩土模量比、桩径、桩间距大小而定，荷载分布不 同对临界桩长影响程度不同。 韩煊，李宁用奥地利引进的大型岩土工程数值分析软件包f i n a l 作为数值试验工 具对群桩复合地基的承载与变形进行了系统深入的分析【7 8 】。 储罐复合地基也属以上研究内容的范畴，以上研究成果也适用。 1 2 2 结构可靠度理论 目前在建筑结构设计中我国己采用以概率理论为基础并通过分项系数表达的极限 状态设计方法。地基基础设计与上部结构设计在这一点尚未统一。 由于岩土工程的特殊性，岩土工程应用概率极限状态设计在技术上还有许多有待解 决的问题，但应用概率理论为基础的极限状态设计方法是岩土工程设计计算的发展方 向。目前要根据岩土工程特点积极开展岩土工程问题可靠度分析理论研究，使上部结构 和地基基础设计方法尽早统一起来。 目前国内外结构可靠性基本分析方法对于单一失效模式有中心点法、验算点法( j c 法) 、实用分析法、映射变换法、蒙特卡罗法等，对于结构体系有点估计法、区间估计 法、积分法、界限法、p n e t 法、弹塑性分析法等。 1 9 5 6 年，a c a s a g r a n d e 提出了土工和基础工程中的计算风险问题。到七十年代，许 多岩土工作者在这方面做了大量的工作( l u m b ，1 9 7 1 ；a l o n s o ，1 9 7 6 ；h a r r ，1 9 7 7 ； v a n m a r c k e ，1 9 7 7 a l l 6 1 ；m a t s u o ，1 9 8 0 ；高大钊，1 9 8 3 ：b a e c h e r ，1 9 8 3 ；r a v i ，1 9 9 2 ； d e g r o o t & b a e c h e r , 1 9 9 3 ) 。其中v a n m a r c k e ( 1 9 7 7 ) 在土体参数统计性质研究方面做了开创性 工作，建立了描述土体空间自相关特性的随机场模型，提出了“相关距离( c o r r e l a t i o n d i s t a n c e ) ”的概念及其计算方法。v a n m a r c k e 等人提出的土性剖面的随机场模型实质是用 齐次正态随机场( 即高斯平稳齐次随机过程) 去模拟土性剖面。由此，确定了土体性质的 空间分布是否具有平衡性和各态历经性是随机场方法能否应用于岩土工程的关键。 国内闰澎旺等人则继续研究了静力触探数据空间分布的平稳性和各态历经性的检 验方法：讨论了相关函数形式的选择；通过大量的计算比较了求解相关距离的各种方法； 分析了相关距离这个概念在工程上的应用。 4 中国白油人学( 华东) 坝i 。学位论义 高大钊研究了岩土参数的变异特征及其分布规律。考虑到正态分布模型的固有弱点 和局限性，建议用p 分布来拟合岩土参数分靠规律，并给出了上海软土几个主要参数的 分布概率模型，建议了土的抗剪强度指标的统计方法，在统计分析的基础上给出了地基 土若干主要指标的变异特征，提出了用经验公式估计参数时分析可靠性的方法，导出了 地基承载力及沉降可靠性的计算方法，讨论了影响可靠性估值的各种因素。 我国从上世纪七十年代末才开展岩土工程中可靠性问题的研究。二十多年来，己在 该领域取得了丰富的研究成果，研究的内容包括地基承载力可靠度分析、挡土墙及土坡 稳定土性参数和地基沉降等方面。采用的方法有直接概率分析法、随机有限元法等 13 1 。 1 3 本文的主要工作 ( 1 ) 总结软土地基基本特征和地基沉降计算的方法，从中选取原理易懂，算式简单， 理论成熟的有限差分法为本文主要的计算方法。 ( 2 ) 利用有限差分法对单罐地基在径向、环向和垂向的沉降进行计算，并把得出的结 果和规范推荐的计算方法及有限元法进行比较，说明有限差分法的计算结果是可靠的。 ( 3 ) 针对储罐梅花形布置的情况，用有限差分法对群罐地基沉降进行计算，研究储罐 之间的相互影响；针对每个储罐底板考虑以下三个问题：中心与边缘的沉降差、平面倾 斜即对径点的沉降差、非平面倾斜，寻求合理的布罐方式和储罐间距。 ( 4 ) 将储罐结构和地基视为一个系统，结合储罐沉降的相关因素，建立储罐可靠度分 析模型，建立计算模型，对储罐的可靠度进行计算和分析。 1 4 本课题的创新性 ( 1 ) 分析了群罐为梅花形布置时相邻储罐2 _ n 的相互影响，提出了群罐合理的布罐方 式和群罐间距。 ( 2 ) 结合储罐沉降的相关因素，建立计算模型，对储罐的可靠度进行计算和分析。 第二章软十地基基本特征 2 1引言 第二章软土地基基本特征 我国地域辽阔，地质复杂，土的种类繁多，需处理的地基大多为软弱土和不良土， 如软粘土、杂填土、冲填土、饱和粉细砂、湿陷性黄土、泥炭土、膨胀土、多年冻土以 及岩溶和土洞等不良地质作用和地质灾害。随着我国建设事业的发展，新建工程越来越 多地遇到不良地基。由于软土具有强度较低、压缩性较高和透水性弱等特性，因此在软 土地基上修建建筑物或构筑物，必须重视地基的变形和稳定问题。在软弱土地基上的建 筑物或构筑物往往会出现地基强度和变形不能满足设计要求的问题，因而常常需要采取 措施，进行地基处理。处理的目的是要提高软弱地基的强度、保证地基的稳定、降低软 弱土的压缩性、减少基础的沉降和不均匀沉降。目前针对软弱地基的不同构成有很多不 同的处理方法，以下针对软弱地基的特征作一些总结【1 4 1 ”。 2 2 软土地基的基本特征 2 2 1 软土地基及软土的概念 地基是指承受建筑物荷载的一部分土体( 岩体) 。如果建筑工程的基础( 在铁路、公路 等交通设施工程中则指下部构造) 修建在软土中，则这一建筑物或构造物的地基就称为 软土地基。 软土是在静水或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物，其天然含水量大、孔 隙比大、压缩性高、承载力低、渗透性小，是一种呈软塑到流塑状态的饱和粘性土。在 土力学中软土与湿陷性黄土、膨胀土、冻土、盐渍土一起并称为特殊类型的土。 2 2 2 软土的基本特性 土是由固体颗粒、水和气体组成的体系。土颗粒则以粉、粘粒和胶粒为主，含少量 有机物，以絮状胶结为主，结构疏松。天然软土的颜色以深灰色为主，粒度成分以细颗 粒为主，有机质含量较高，当受到振动或一定程度的扰动时，其结构连接受到破坏，强 度迅速降低，变成稀释状态，极易产生侧向滑动、挤出等现象。软土的矿物成分、有机 质含量、微结构与工程性质密切相关。高含水量、高压缩性、低强度和低固结速度等的 特性都直接受制于土的矿物成份和微结构。 用扫描电镜对软土进行微观结构观察，我国珠江三角洲的软土微观结构一般为粒状 6 中固以油人学( 仁东) 坝l j 学位论义 链接结构，部分为絮状链接结构。在粒状链接结构中，砂粒、粉粒散布在土中，颗粒间 只有部分接触，而大部分不接触，由粘粒集合体和有机质聚集在一起，形成链状将颗粒 连接起来。由于颗粒间距离不同，故链接有长链和短链之分。而絮状链接结构与上述结 构不同之处在于土的基本结构单元体多为粘土粒和有机质形成的絮凝体，砂粒和粉粒的 含量较少，絮凝体和少量砂粒、粉粒通过长链或短链连接起来，软土结构基本单元体的 距离一般较大，故单元体间多为长链连接。 2 2 3 软土的主要物理力学特性 我国各地不同成因的软土都具有大致相同的共性，其基本物理、力学特性如下： ( 1 ) 含水量高、孔隙比大。含水量一般在3 4 - - - 7 2 之间，孔隙比在1 0 1 9 之间， 饱和度一般大于9 5 ，液限一般为3 5 6 0 ，塑性指数为1 3 3 0 ，天然容重约为 15 k n m 3 19 k n m 3 。 ( 2 ) 压缩性高。压缩系数为0 0 0 5 0 0 2 ，属高压缩性土。 ( 3 ) 抗剪强度低。其快剪粘聚力在1 0 k p a 左右，快剪内摩擦角在0 0 5 0 0 之间。 ( 4 ) 透水性差。大部分软土的渗透系数为1 0 墙c m s 1 0 。4 c m s 。 ( 5 ) 具有触变性。一旦受到扰动，土的强度明显下降，甚至呈流动状态。 ( 6 ) 流变性显著。其长期抗剪强度只有一般抗剪强度的o 4 o 8 倍。 ( 7 ) 承载力低。地基承载力一般为2 0 k p a lo o k p a ，不进行地基加固处理很难满足工 程需要。 2 2 4 软土地基破坏的主要形式及破坏机理 软土由于其不良的工程力学特性，对工程有极大的危害性，综合分析主要有以下几 种形式： ( 1 ) 剪切破坏。由于地基抗剪强度不足以承受其上的构筑物所施加的动、静荷载， 造成破坏，表现为使邻近地基产生隆起。 ( 2 ) 由于软土地基的高压缩性，发生不均匀沉降，使构筑物的基础由于应力集中出 现裂缝，最终使构筑物遭到破坏，失去其使用功能；在构筑物有足够刚度，其抗拉、剪 强度足以抵抗地基不均匀沉降，而产生拉剪应力时，构筑物就发生倾斜，著名的意大利 比萨斜塔，建筑己数百年，塔身完好无损，但严重倾斜，其原因即地基不均匀沉降所致， 且至今无好的解决办法。 ( 3 ) 由于软土地基的高孔隙比与高含水率，在使用中发生排水固结，发生均匀沉降， 第_ 二章软十地暴幕奉特征 使构筑物下沉量过高，影响使用功能。在工程实际中，由于公路、铁路路基是承受静、 动双向荷载，其受力的复杂性，决定软土地基发生均匀沉降的可能性极小。 2 3 软土地基存在的问题 2 3 1 沉降问题 沉降问题是软弱地基的第一个大问题。软粘土地基含水量高、压缩性大，在荷重作 用下会产生很大沉降；同时软粘土的渗透系数小、固结系数小、完成沉降所需的时间很 长，即固结过程历时长，深厚粘性土层的沉降可达几十年。在这种情况下，次固结沉降 在总沉降中占的比例也较大，不能忽视。当沉降超过建筑物的容许沉降时，将影响建筑 物的正常使用。地基土的过大沉降会产生桩的负摩擦力问题，从而造成桩基或上部结构 破坏。除了上部荷重引起的沉降外，地下水位降低也会产生沉降问题，如大城市由于抽 吸地下水引起的地面沉降。这里讲的沉降是指固结沉降，即土中孔隙水消散引起的沉降 ( 主固结沉降) 以及土中孔隙水消散完了后，土骨架蠕变引起的沉降( 次固结沉降) 。这里 特别要强调总沉降与不均匀沉降的关系，当总沉降大时，不均匀沉降必然也大，这是由 于建筑物本身、场地条件、环境荷重都不可能完全对称所致。这是本文讨论的内容。 2 3 2 稳定问题 地基强度不足引起的失稳问题是软弱地基中比较难处理的一个问题，主要表现为以 下几个方面： ( 1 ) 填土和边坡的稳定。在上部填土的情况下，当建造在软粘土上的路堤、海堤的 地基土强度不够时，会产生圆弧滑动而造成整体剪切破坏，即使不产生整体剪切破坏， 但由于地基产生过大的侧向位移和由此引起的附加沉降，也会造成地基局部剪切破坏而 影响路( 海) 堤的正常使用。由于开挖地基形成的边坡，也存在稳定问题。 ( 2 ) 地基承载力问题。 ( 3 ) 挡土墙、板桩等土压力问题。 ( 4 ) 桩的水平拉力问题( 地震时或受水平力作用时) 。当桩穿过软弱层作用在 持力层上，即为支承桩，其垂直方向的承载力与穿过的软弱土层关系不大。但受 到水平力作用时，由于桩间软土的强度太低，桩无法抵抗水平力引起的弯矩而发 生折断，这时也要考虑对桩问土加以改良。 中固“油人学【华东) 坝i + 学位论义 2 3 3 液化问题 在动荷载( 地震力、爆破、机器、车辆、波浪等等) 作用下，饱和松砂的孔隙水压力 增大，有效应力下降，当有效应力为零时，砂土就像液体一样，这时轻的构筑物，如管 道( 油、气、水管) 就会浮起来，重的构筑物就会沉下去。公路、铁路路基由于受到车辆 震动荷载，孔隙水压力上升，强度下降，产生翻浆冒泥，地面下陷。即使有效应力不为 零，但由于有效应力下降，砂土的强度变低，地基就会发生稳定问题。对于非饱和砂性 土，由于孔隙压力上升较小，不足以引起液化，但强度仍会下降，而且由于被振密而产 生较大变形，所以不仅会产生稳定问题，还会产生沉降问题。 2 3 4 渗透问题 流砂和管涌等是在水利、基坑和人工挖孔桩成孔施工过程中经常会出现的渗流问 题。 2 4 小结 通过查阅和总结国内外大量的文献，本章对软土地基的基本特征做了一些总结： ( 1 ) 分析了软土地基的成因，并总结了软土地基的主要基本性质和主要的物理力学 特性。 ( 2 ) 总结了软土地基的三种主要破坏形式，并将软土地基存在的问题总结为稳定、 沉降、液化和渗透四个方面的问题。本文主要针对软土地基的沉降问题进行相关的研究 和探讨。 9 第三章储罐地璀沉降计算方i ：左 3 1概述 第三章储罐地基沉降计算方法 软土地基沉降计算方法及地基处理技术历来是软土地基处理工程最重要的研究课 题之一。经过国内外学者多年的分析研究，我们知道地基土层发生变形的主要原因：其 内因是土具有压缩性；其外因主要是地基上部荷载的作用；土体产生变形的原因是土体 中应力状态的改变，如地表荷载在地基中产生附加应力、地基中地下水位的变化、振动 对地基的影响等：土体自身形状主要指土由三相组成，具有碎散性，在附加应力作用下 土层的孔隙发生压缩变形，引起地基沉降；土体的压缩特性或土体的应力应变关系， 是指土体在附加应力作用下产生的效应。对于饱和的地基土而言，土体在附加应力作用 下会产生剪切变形；当土体中孔隙水逐渐消散还会产生固结变形；随着时间的推移又会 产生蠕变形。因此，为了计算地基的沉降，必须研究土的压缩性，同时研究在上部荷载 作用下地基中的应力分布情况即根据地基土层的分布、厚度、物理力学性质和上部结构 的荷载在地基中产生的附加应力，计算地基的变形值，并采取必要的措施控制它在允许 的范围之内。 计算储罐地基沉降，首先必须掌握地基土层的分布情况及其应力一应变关系特征， 其次应知道在储罐载荷作用下引起的地基土层附加应力。地基的沉降计算包括地基中的 应力分布、地基沉降计算、地基允许变形值以及减少地基不均匀沉降措施。地基中存在 的应力，除自重应力之外，还有储罐载荷引起的应力，这部分新增加的应力称为附加应 力，f 是由于附加应力才引起地基变形【l 引。 3 2 规范方法 附加应力的计算是以如下的假设为基础的：地基土是均质，连续，各向同性的弹性 半空间体7 1 。当圆形面积上作用均布荷载p 时，土中竖向f 应力盯的计算： 哎= 吼p ( 3 1 ) 式中，q 是去及云的函数，称为应力系数，可由规范中的表格查出；r 是圆面积的半 径；r 为应力计算点到z 轴的水平距离。 关于地基沉降的计算，建筑地基基础设计规范中的分层总和法是普遍应用的一 1 0 中固“油人学1 1 f 东) 坝l j 学位论义 种方法，在一般的工程中应用能获得一定的效果。该法也是假定地基土是均质，连续， 各向同性的弹性半空白j 体。计算地基最终沉降量s 的分层总和法为： s = 丛，= ，h ， ( 3 - 2 ) ，- l，= i 其中a s , 为第f 分层的压缩量；t 为第f 分层土的压缩变量；e 为第f 分层土的厚度。 3 3三维沉降计算法 储罐地基的沉降分析，是地基设计中的一个重要组成部分，要求储罐地基在荷载作 用以后，不至于产生过大的沉降和倾斜，不能危及到储罐的正常使用。地基变形计算的 内容涉及到土体内的应力分布、土的应力应变关系、变形计算指标的选择、土体的侧向 变形、次固结变形、上部结构与基础的刚度等复杂因素，已经有不少学者作过许多有意 义的研究，并提出了一些有实用价值的计算方法和计算经验。但是，从目前土力学的发 展水平来看，很多问题至今没有很好的解决。实际使用时，是以采取简化的手法，忽略 一些次要因素，采取实测资料加以分析和总结出理论和经验相结合的变形计算方法。建 筑地基基础设计规范g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) ) 中的分层总和法是国内普遍应用的一种方法，在 一般的工程中应用能获得一定的效果，但是应用于软土地基上特大型储罐基础的沉降计 算，却不能得到满意的结果。由文献【3 1 可知，储罐地基沉降计算的几种方法为：单向压 缩分层总和法、耶戈罗夫法、等值层法、三向变形分层总和法( 黄文熙法) 、三维沉降 计算法。 三维沉降计算为： s = ( 也) ，( s ) ， ( 3 - 3 ) 其中( 如) ，为由单维沉降化为三维沉降的转换系数：( k 3 ) ，：竿 1 一里1 2 二生】； l z “+ l仃， ( s ) = ( m ，o - ，a z ) ，表示土层中的单维沉降；m ，为土的体积压缩系数，可由 帆：旦二掣e 来求出；为柏松比，a z 为土层厚度。 第三章储罐地是沉降计算方法 3 4有限元法 有限元法把储罐地基看成轴对称问题【1 9 - 2 0 ，令y 、秒和z 为圆柱坐标的三个分量： 则应力平衡方程式： 堑：堕+ 监+ ! 盟：0 ( 3 - 4 ) 0 ra zr 掣+ 冬+ 互一以：0 ( 3 - 5 ) 其中c r = c ，+ p ，巳= c t z + p ，= cv 6 + p ，及为作用于土元素上的总应力分量， c ，c ：，c 口为有效应力分量，p 为孔隙水压力、以为土的容重。 变形协调方程式( 以压缩为正) ： q ：一孚，岛：一兰，岛：一安，：一罢一娑 ( 3 6 ) s ，2 一- = _ ，岛2 一一，占：2 一- = = ，y 厂：5 一- = = 一_ = l j 。o ) o rro zo zo r 其中，“和1 ，分别为土骨架的径向、垂向位移；s ，岛，g ：和托为应变分量。应力应变关系： 或者： c ，= 碣1 0 + 4 2 t + 碣3 岛+ 儡4 ( 3 - 8 ) c ：= 吐1 0 + 破2 t + d 2 3 岛+ 吐4 c 口= 吃1 6 r + 以2 + 以3 岛+ 以4 t t = d sr + d 娃：+ d 4 3 8 + d 4 4 s t c 。) = d 】 s ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 一1 1 ) ( 3 1 2 ) 实际工程土的应力一应变关系是非常复杂的，不仅具有非线性、弹塑性、剪胀( 或 剪缩) 性，而且还具有粘塑性及各向异性等特性；同时应力路径以及土的状态、结构均 对其有影响。因此，没有任何一种模型能考虑所有这些影响因素，也没有任何一种模型 能够适用于所有土类和各种加载情况。储罐地基土可采用a n s y s 中所提供的 d r u c k e r p r a g e r 弹塑性模型。d p 模型是最早提出的适用于岩土类材料的弹塑性本构模 型，它最大的优点是采用简单的方法考虑静水压力p 对屈服与强度的影响，同时也考虑 了岩土类材料的剪胀性和扩容性。虽然它没有考虑材料三轴拉、压强度及单纯的静水压 力可以引起材料的屈服与破坏以及应力l o d e 角，但是咳模型参数少而且计算也比较简 单，在工程中得到广泛的应用，而且被证明在大多数情况下与实际情况符合得比较好， 1 2 中国。油人学( 牛东) 坝i j 学位论义 f = 4 j 2 + a i l k = 0( 3 13 ) 式中，i i 为应力张量的第一不变量：以为偏应力张量的第二不变量：口，k 为模型参 数，可由土的强度参数c 和缈值确定，但不同的假设可以得到不同的口和k 值；c 和够分 d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性模型认为材料处于弹性阶段( f 0 ) 或卸载时( f = 0 ，同时 8 f = 0 ) ，其应力一应变本构关系张量表达式为： 衍 ：，= k 瑟触+ 2 g ( 3 1 4 ) 当材料进入塑性阶段( f = 0 ) 而且加载时( 6 f = 0 ) ，其应力一应变本构关系张量表达式 弱。划& i c i c + 2 g e g - d a - 3 k a 6 0 聩( 3 q 5 ) 热址二：! 二竺：= 耍t r 竺_ ：贾s i ! n r p 一磐墼g 为期弹性 式中， 矗旯= 1 泛毒等一，口= 了啄面k = 糌g 为剪切弹性 模量。 体系的非线性平衡方程为： k ( u ) ) 】 u ) = 尸)( 3 - 1 6 、 式中， k ( ) 】为非线性刚度矩阵，它是结点位移向量 ：搿磐 卜5 i 01 0 2 0 3 0 4 05 0 t o8 0 9 01 0 0 l 】0 * l ：g l m 图5 - 5 沿径向的地基沉降曲线 f i g 孓5 r a d i a l s e t t l e m e n t c u r v e o f t h ef o a n d a t i o n 圈5 缶治深度方向的地基沉降曲线 f i g5 - 6 v e r t i c a ls e t t l e m e n t c u r v e o f t h ef o u n d a t i o n 5 4 非均质地基土条件下的储罐沉降分析及计算 计算地基附加压力时，通常假定地基为均质的、各向同性的半无限线性变形体。而 实际上往往并非如此，如地基中的变形模量常随深度而增加，有的地基土具有较明显的 薄交互层状结构，有的则是由不同压缩性土层组成的成层地基。对于这样一些问题的考 虑是比较复杂的，目前也未得到完全的解答。 选取两层地基土来研究，上层地基土厚为3 0 m ，下层土为无限厚。方案二为上软 下硬型地基，方案三为上硬下软型地基方案四为上下土层泊松比变化情况。 5 41 地基附加应力分析 三种方案的附加应力等值线分布图如