（岩土工程专业论文）水载预压下大型储罐地基变形与稳定性分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 大型钢制储油罐是目前国内外石油储运的主要构筑物之一，考虑交通环境与经济发 展等多方面因素一般建于沿海地区。由于沿海地质条件的复杂性，导致这类大型储罐地 基往往无法直接满足建筑物变形与稳定性的要求。为此，各类地基处理措施被引入到大 型储罐工程建设中，其中水载预压法进行大型储罐不良地基的处理是目前国内外普遍采 用的有效地基处理方法。 尽管很多学者开展了水载预压下大型储油罐地基的变形与稳定性分析，但依然存在 不少问题亟待解决。如预压法处理软弱下卧层上的大型储罐地基的工程效果、地基的变 形与稳定性分析方法等仍缺乏相应的研究。 为此，本文结合大窑湾某储罐工程，在现有技术和方法的基础上，采用极限平衡滑 弧法，分析了软弱下卧层上大型储罐地基在水载预压下的稳定性，提出了局部稳定最小 安全系数的计算方法。并通过不同土层情况的地基稳定性比较分析，得出了复杂土层上 大型储罐地基稳定性的主要影响因素。 针对现有双曲线法和概率分析法计算与分析地基沉降所存在的缺陷，将两者相结合 计算复杂土层上的大型储罐地基沉降。既考虑到复杂土层各土性参数的不确定性，又反 映了加荷速率、应力水平以及边界条件等因素对储罐地基沉降的影响，从而为复杂土层 上大型储罐地基变形控制方法的逐步改进提供了参考。 为进一步研究下卧软弱层上大型储罐地基的承载性能，采用大型计算软件 a b a q u s ，对水载预压下复杂土层上大型储罐地基进行了有限元数值模拟与分析，并与 理论计算所得到的稳定性和变形进行了对比研究。 关键词：水载预压；大型储罐；地基稳定性；地基变形；有限元分析 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 d e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t , ja n a l y s i so f l a r g eo i lt a n kf o u n d a t i o nw i t h w a t e rp r e l o a d i n g l a r g es t e e lo nt a n ki s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts l l l l c t u i e sf o ro i ls t o r a g ea n d t r a n s p o r t a t i o n i - i o w c v c r ，i nc ：l l i n a ，b e c a l l s eo ft h ee c o n o m i c a la n dt r a n s p o r tl t ：a s o n s ，m o s to f t h el 戤g eo i lt a n k sa 陀b u i l ta l o n gt h ec o i i s t b e c a u s eo fc o m p l e xs o i ll a y e rc o n d i t i o na l o n gt h e c o a s t , n a t u r a lf o u n d a t i o ni st o ow e a kt om e e tr e q u i r e m e n t so fl a r g eo i lt a n kf o u n d a t i o n s s t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o n s om a n yl a r g et a n kf o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d sh a v eb e e nu s e d h la l lo f t h e s em e t h o d s w a t e rp r e l o a d i n gm e t h o di su s e dw i d e l yt ol a e a tl a r g et a n kf o u n d a t i o n , b e c a u s ei t st h em o s te f f e c t i v eo n e m a n ys c h o l a r sh a v ed o n ea1 0 to fr e s e a r c hi ns t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o no fl a r g eo i lt a n k f o u n d a t i o nw i t hw l l t e rp r e l o a d i n g b u tt h e r ea r l 。s t i l lm a n yp r o b l e m st ob ea n a l y z e da n d r e s e a r c h e d r e s e a r c hf o rd e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so fo i lt a n kf o u n d a t i o n0 1 1s o f t u n d e r l a y e rw i t hw i i i 盯p r e l o a d i n gi si n f r e q u e n t b a s eo nt h ed a y a o w a no i lt a n ke n g i n e e r i n 岛s t a b i l i t yo fl a r g eo i lt a n kf o u n d a t i o nw i t h w l l t e fp r e l o a d i n ga r ca n a l y z e db yl i m i tb a l a n c es l i d i n ga r cm e t h o d m i n i m u ms a f e t yf a c t o ro f l o c a ls t a b i l i t yc a l c u l a t i n gm e t h o di sp u tf o r w a r d 器as u g g e s t i o nt oo i le n g i n e e r i n g c o m p a r i n g s t a b i l i t yo fd i f f e r e n tc o m p l e xl a y e r s ，m a i nf a c t o r so fl a r g eo i lt a n kf o u n d a t i o ns t a b i l i t yi s c o n c l u d e d h y p e r b o l am e t h o da n dp r o b a b i l i 够a n a l y s i so fs e t t l e m e n tm e t h o db o t ha r es i m p l ea n d e f f e c t i v em e t h o d st oc a l c u l a t ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n t am e t h o dt h a tc o m b i n e st h et w o m e t h o d si st r i c dt 0c a l c u l a t eo i lt a n kf o u n d a t i o ns e t t l e m e n t0 1 3 c o m p l e xl a y e r s 1 1 1 i sm e t h o d c o n s i d e r sn o to n l yu n c e r t a i n t yo fl a y e r sp a r a m e t e r s ，b u ta l s oi m p a c to fp r a c t i c a lf a c t o r ss u e l a 鹤l o a d i n gr a t ea n db o u n d a r yc o n d i t i o n se t e n l i sm e t h o di sat r yt oi m p r o v et h em e t h o do f l a r g eo i lt a n kf o u n d a t i o ns e t t l e m e n to n c o m p l e xl a y e r s an u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s ei sd o n et oc a l c u l a t es t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o no f l a r g eo i lt a n kf o u n d a t i o nb yu s i n ga b a q u s 日1 er e s u l ti sc o m p a r ew i t ht h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nr e s u l t i m p a c to fd i f f e r e n tl a y e r sp a r a m e t e r st ol a r g eo i lt a n kf o u n d a t i o ns t a b i l i t y a n dd e f o r m a t i o ni sc o n c l u d e db yc o m p a r i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：w a t e rp r e l o a d i n g ；l a r g eo i lt a l a k ；f o u n d a t i o ns t a b i l i t y ；f o u r t d a t i o t l d e f o r m a t i o n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：邋日期：j 喀幽目 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：至里巍作者签名：! ! 臣k 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 l 绪论 1 1引言 软土一般是指在静水或缓慢流水环境中沉积而成的一种软塑状态的饱和黏性土层。 这种土的特点是压缩性大，强度低，透水性差，天然含水量一般在3 4 0 0 - - 7 2 之间【n 。在 我国的沿海软黏土分布地区，从北往南含水量和压缩性逐渐提高，强度则逐渐变低。软 土地基在建筑物荷载作用下会产生很大的沉降和沉降差，影晌建筑物的正常使用，甚至 可能会造成严重的生命财产损失。由于其强度低，天然地基承载力和稳定性往往不能满 足工程要求。因此，在工程建设前通常要对这些软土地基进行加固处理。 随着改革开放经济建设的发展，石油工业在国民经济建设中扮演越来越重要的角 色，我国作为石油消耗大国，为了保障稳定的石油供应，必须建立完善的石油储备机制。 尤其是经济发展较快的沿海地区，对于石油的储运的要求也越来越高。而修建大型储油 罐是解决这一问题的有效途径之一。目前我国已经计划将镇海、舟山、大连和黄岛四地 全面建设成为国家石油战略储备基地，镇海基地已经在2 0 0 5 年建成1 6 座大型储罐。这 些储罐，多数是立式圆筒形的钢罐，自重要比储存物轻。随着容量需求的不断增加，储 罐的高度或直径越来越大，或两者同时增加。尤其是在近年修建了大量1 0 万m 3 的油罐， 目前国外原油储罐单罐最大容积已达2 0 万m 3 1 2 j 。大型储罐具有总平面图布置占地面积 小、节省罐区的管网与配件、节省钢材及便于生产操作管理等优点【3 】，但其直径与体积 较大，基底附加压力也较大。由于构造方面的原因，对基础沉降量以及对不均匀沉降要 求也较高，径向沉降差必须小于直径的4 一7 ，否则将影响浮顶的正常升降【4 】。 由于经济结构的原因，我国大型储油罐通常建于沿江沿海软黏土分布地区。天然地 基的承载力与沉降通常不能满足储罐的设计要求。而采用水载预压法进行地基处理可使 饱和软土产生排水固结，促使地基固结沉降，抗剪强度相应提高。一般经过预压固结加 固地基的承载力可以提高2 3 倍【5 】，从而减少了储罐地基的沉降和不均匀沉降，增强了 稳定性。因此，开展软土地基加固处理及大型储罐下的软土地基变形与稳定性研究具有 十分重要的科学意义与工程实用价值。 1 2 大型储罐不良地基处理方法 储罐地基处理的目的是采用适当的措旋以改善地基土的强度、压缩性、透水性、动 力特性、湿陷性和胀缩性等。对储罐下软土地基的加固处理，目前有很多种方法，例如 深层水泥土搅拌桩法，振冲置换法，预压法和c f g 桩复合地基等。 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 这些方法从加固原理上来说，大致可以分为两大类。第一类方法的原理是减少或减 小土体中的孔隙，使土颗粒尽量靠拢，从而减少压缩性，提高强度。例如预压法、排水 固结法、振冲法等。由于黏性土渗透系数小，饱和黏性土中孔隙水的排走、孔隙的缩小 以及土粒的靠拢需要较多的时间 0 3 ，因此除强夯外，加固期较长。第二类方法的原理是 用各种胶粘剂把土颗粒胶接起来，例如旋喷法、电硅化法等。 目前阶段，大型储罐地基处理的发展集中体现在地基处理能力的提高和复合地基理 论的发展等方面【刀。由于各种类型储罐对于地基的要求是不同的，各地区天然地层的情 况差别也是很大的，而且采用方法的选择还需要根据施工设备、工期、经济状况、建筑 重要程度等因素来决定，因此大型储罐地基处理方法的选择要考虑到很多相关的问题。 1 3 预压法处理大型储罐的原理 预压法是一项较为年轻的地基加固方式，主要依据太沙基的有效应力原理，利用天 然地基土层本身的透水性或设置在地基中的竖向排水体，通过预先在地表进行加载预压 或利用建( 构) 筑物自身重量使土体中孔隙水逐渐排出，土体逐渐固结，地基土逐渐压密， 强度逐步提高【争”】。 预压法能否获得满足工程要求的实际效果，主要取决于地基土层的均匀性、固结特 性、土层厚度、预压荷载大小和预压时间长短等因素f l2 1 。如果地基土层不太厚或土的固 结系数比较大，较短的预压时间就可以获得较好的效果：反之，如果土层较厚或土的固 结系数相对较小，则需要较长的预压时间使土层充分排水固结。为了加快土层的排水固 结，通常会设置排水系统。 根据预压荷载的大小，预压法可分为等效预压和超载预压两种形式【1 3 - 1 5 】： ( 1 ) 等效预压 等效预压是指预压荷载和建筑物或构筑物的使用荷载相等，如图1 1 所示。等效预 压地基最终沉降量& 往往达不到，因此该方法也只能部分消除日后建筑物的沉降。此 外还有一部分工后沉降，其大小与预压时间相关，预压时间越长，工后沉降越小。因此 在等效预压处理地基时，需要确定一个合理的工后允许沉降值和充足的现场预压时间。 ( 2 ) 超载预压 超载预压是指预压荷载大于实际使用荷载，如图1 1 所示。超载预压所获得的预压 效果会更好，经过一段时间的超载预压，移去过量荷载，由于所施加的荷载大于设计荷 载，受压土层各点的有效竖向应力大于设计荷载引起的附加总应力，今后在设计荷载作 用下地基士将不会再发生主固结沉降，同时将减小次固结沉降，并推迟次固结沉降的发 大连理工大学硕士学位论文 生。理论上超载预压可以消除工后沉降，但由于卸载后土层的回弹，所以还需要适当延 长预压时间。超载量越大，预压时间越短，但增加超载量会增加预压处理的成本，通常 采用实际使用荷载的1 2 倍。在水载预压处理大型储罐地基中，水载预压恰好是实际最 大储油量荷载的1 2 倍，因此水载预压处理大型储罐地基就是一种超载顸压的方法。根 据以往的经验，经过分级充水预压的储罐地基，如果其沉降值稳定在允许范围内，投入 使用后储罐地基一般不会出现大的问题。 图1 1 等效预压和超载预压 f i g 1 1 e q u i v a l e n tp r e l o a da n ds u r c h a r g ep r e l o a d 对于储罐水载预压法加固地基原理，可用图1 2 来说明u 6 1 ，其中上图为土体压缩曲 线，下图为强度增长曲线。土体天然固结压力为仃：，孔隙比为，在曲线上相应的点 为a 点，当压力增加a c t ( 相当于储罐充水 ，固结提高，变为c 点( 相当于储罐加荷预压 时) ，孔隙比减小e ，地基发生沉降。同时，抗剪强度与固结压力成比例地由a 点提高到 c 点。当从c 点卸除压力a c t ( 相当于储罐放水) ，地基沿c e f 曲线发生回弹。如从f 点再加 压a c t ( 相当于储罐投产使用) ，地基发生再沉降，沿虚线变化到f 。从再压缩曲线龟c 可 清楚看出，荷载同样从仃：增加a c t ，而孔隙比变化值为d ：，比e 小得多，即沉降小得 多。如果进行超载预压，效果更好；因为经过超载预压，土层的固结压力会大于使用荷 载下的固结压力，使原来的正常固结的土层处于超固结状态，而使土层在使用荷载下的 变形更为减小。可见，地基经水载预压后，强度提高大，后续沉降小。因此，水载预压 法是十分有效的大型储罐不良地基处理方法。 一3 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 图1 2 水载预压原理图【1 q f i g 1 2d i a g r a mo f w a t e rp r e l o a d 通过了解预压法处理大型储罐不良地基的原理，可以看出预压法主要可以解决两个 方面的问题【1 7 ，1 8 】： ( 1 ) 沉降问题。使地基的沉降在预压期间大部分被消除，或基本消除，储罐在使用 期间不致有过大的沉降和沉降差。 ( 2 ) 稳定问题。预压能加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳 定性。 1 4 预压法处理大型储罐地基的发展和现状 水载预压法处理大型储罐地基有着多方面的优势：节省原料，采用水作为预压材料， 加荷和卸荷也较为方便；储罐本身即是储存液体的构筑物，无须修筑水池等载体；预压 材料使用后容易处理，如果能够结合工程当地的情况( 水资源丰富) ，能够节省大量开支， 并一定程度上缩短工期；简单可行，效果显著，而且有成熟理论支持，处理土质较均匀。 因此，水载预压法在处理储罐地基的实际工程中应用非常广泛。 国内采用水载预压法处理的大型储罐地基大多位于上海、浙江、天津等沿海软黏土 地区。2 0 世纪6 0 年代我国开始在上海吹填土层上采用水载预压法加固大型储罐地基【”。 1 9 7 3 年天津新港在港区内建造外轮供油站，罐区内储罐地基进行水载预压试验【2 0 1 。1 9 8 2 年在粉细砂夹层的软黏土上采用水载预压法建造大型储罐试验研究【2 l ，2 2 1 ，获得较好的效 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 果。2 0 0 0 年，在没有设计规范、缺乏可靠技术数据和实践经验的情况下，首次在国内液 化软土地区( 上海吴淞口海滨) 采用水载预压法成功地建造了两台1 0 万m 3 特大型储罐，将 大型储罐地基水载预压工法推向了新的高度。目前，大型储罐地基水载预压工法关键技 术已编制为国家行业标准卿。美国a p i 工程标准，日本基础工程手册以及我国的石油化 工钢储罐地基处理技术规范等国内外规范都将水载预压法作为处理大型储罐不良地基 的主要方法之一剀。 水载预压法节约投资、可实现平行作业，在实际运用中取得了可观的经济效益。但 也有一定的缺陷，如在处理较厚软基时需要时间较长等。这些缺点可以通过对软黏土设 置竖向排水措施( 如袋装砂井、塑料板排水带等1 来大大缩短时间，如图1 3 所示。1 9 7 6 年在国内首次将砂井预压技术应用于储罐基础【1 9 1 。而砂井用砂量大，这在砂源不足或砂 价昂贵的地区会提高工程造价。因此出现了塑料板排水加碎石桩与水载预压相结合的方 法。1 9 9 5 年采用塑料排水带与碎石桩综合处理5 万m 3 油罐软基开发成功 2 s l 。 除采用水载预压处理大型储罐不良地基外，堆载预压和真空预压这两种预压法的分 支也有被应用于处理大型储罐不良地基处理的成功范例。2 0 0 3 年采用滚动土堆处理金陵 石化公司炼油厂原油中转库6 台5 万m 3 储罐软弱地基( 2 6 1 。2 0 0 0 年，天津港南疆港区罐 区采用真空预压加固储罐地基也获得了很好的效果【2 ”。 储罐 砂垫层 7、 吲翻囝 黏土 圆 圈琵e 壁吐 囫囫囫 图1 3 水载预压处理大型储油罐地基 f i g 1 3e q u i v a l e n tp r e l o a da n ds u r c h a r g ep r e l o a d 对于软土地基上建造大型储罐通常采用极限平衡滑弧法进行稳定计算，主要有极限 平衡滑弧法和斯金普顿法，滑弧法更是写入了石油化工钢储罐地基与基础设计规范嘲。 除此之外，还有现场控制储罐地基稳定的方法，如利用现场实测地基孔隙水压力控制地 基稳定【2 9 l ，利用现场实测地基沉降速率控制地基稳定陬3 n ，应力路径分析法【3 2 1 等。 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 储罐地基的变形计算主要采用无侧向变形的分层总和法【3 3 】，分层总和法虽然经过了 众多实际工程的验证，但它毕竟是用精确的数据来计算，而实际情况是土的性质并不是 绝对均匀的，往往计算沉降与实际沉降差距较大，近年也出现采用半无限体表面位移的 弹性理论公式进行变形计算，但应用并不广泛。 1 5 本文主要工作 水载预压法是目前大型储罐地基处理中广泛采用的一种方法，但在实际应用过程中 仍存在着不少问题。虽然有很多学者对地基为薄硬壳层下较厚软弱层的情况做了较为详 尽的研究，但实际工程中会遇到较厚良好土层中夹薄层软弱土的情况，如图1 4 所示， 而有关这方面的研究文献还很少。本文将在总结现有大型储罐地基变形与稳定性计算方 法的基础上，结合大窑湾某原油储罐工程，探讨夹薄层软弱土地基上大型储罐水载预压 法地基处理的相关问题。 储罐 钐彩缓鞲骖黝 二二j 二二二。讯虢器二_ j 二二二二二一 图1 4 夹薄软弱层地基 f i g 1 4 t h i nw e a kl a y e rb e t w e e ns t r o n gl a y e r s 研究的具体内容包括： ( 1 ) 在现有理论和计算方法的基础上，针对夹薄层软弱土地基上大型储罐，采用极 限平衡滑弧法进行稳定性计算与沉降分析，结合大窑湾某储罐工程，探讨不同土性、深 度和厚度的软土夹层地基的稳定性和沉降机理，总结此种情况下地基最小稳定安全系数 变化规律及薄层软弱土夹层对储罐沉降的影响，提出对复杂土层上大型储罐地基稳定分 析计算的建议。 ( 2 ) 针对复杂土层上大型储罐地基土层性质复杂，不均匀的特点，提出预压沉降曲 线与概率分析相结合的方法计算地基沉降量。既考虑到复杂土层各土性参数的不确定 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 性，又反映了加荷速率、应力水平以及边界条件等因素对储罐地基沉降的影响。在储罐 投入使用之前及时发现储罐在使用中出现的地基不均匀沉降，避免造成工程事故。为复 杂土层上大型储罐地基变形计算方法的逐步改进提供一定的参考。 ( 3 ) 利用大型有限元分析软件a b a q u s ，针对大型储罐工程的实际情况，进行水载 预压条件下大型储罐不良地基变形与稳定性数值模拟。并与理论计算结果进行比较分 析。 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 2 水载预压法复杂土层上大型储罐地基处理 2 1 大型储罐水载预压法的设计 预压方案的设计需要根据储罐的结构型式、容量以及工程当地的土性指标等设计出 作用在地基上的外力荷载，然后计算该荷载情况下的地基固结度，从而得出初步的充水 加荷方案。通过计算各级充水荷载下的地基固结度和强度的增长，运用极限平衡原理， 进行整体和局部的地基稳定性分析，得到地基抗滑动安全系数只是否满足只 1 2 的要 求，如果不满足，就需要调整充水加荷方案，重复以上步骤重新验算，如此反复调整和 验算，直到最后得出一个只 1 2 的冲水方案为止，作为施工过程中的充水方案。 医囹 图2 1 储罐水载预压设计图【3 5 】 f i g 2 1 f l o w c l z to f w a t e rp r e l o a dt a n kf o u n d a t i o n 2 2 充水加荷方案估算 加荷速率的快慢是水载预压法的关键所在，如果加荷过快，地基强度的增长可能不 能适应由于加荷而引起的地基剪应力的增加，地基可能产生破坏和滑动：如果加荷过慢， 可能会影响工期进程，造成工程的延误。因此，为了保证储罐在充水预压过程中地基的 稳定性，必须严格控制加荷速率，充水预压计划也就是控制加荷速率的计划。对于加荷 速率的估算，可以沿用堆载预压法加荷速率估算公式蝈，如式( 2 1 h 2 4 ) ： c 。 只= 5 5 2 ；导( 2 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中只第i 级加荷估算值，j = l n ： 墨一。第厶1 级荷载作用下地基的抗剪强度，& 为天然地基的抗剪强度； 只安全系数，取1 2 。 墨可通过公式( 2 2 ) 计算 s 2 吁( s 4 - 只獬)( 2 2 ) 假定最终固结度数值阢求得i 级荷载地基同结度玑 d u 1 2 詈u ( 2 3 ) 进而根据曾国熙提出的固结度普遍表达式f 3 刁( 2 4 ) 可得出加荷时间r u = i 一船。印 ( 2 4 ) 2 3 地基固结度计算 预压法的关键在于软弱土受压固结，导致强度的提高，从而满足地基承载力要求。 对于分级等速加载时固结度的估算，目前常用的有改进太沙基法【3 8 1 和高木俊介法【3 9 ，帅】。 曾国熙也曾提出一个固结度普遍表达式( 2 4 ) 加以概括。 高木俊介法是高木俊介根据巴伦的砂井地基理论解，考虑变速加荷，地基在辐射向 和垂直向排水固结条件下，推得的对平均固结度的修正。其特点是无须先计算瞬加荷载 条件下的地基固结度，再根据荷载情况进行修正，而是将两者合并计算出修正后的平均 固结度。 图2 2 等速加荷u - t9 繇1 4 2 f i g 2 2 r e l a t i o no fu - ti ni s o k i n e t i el d 吨 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 高木法对于仅竖向排水圃结，竖向排水与径向排水联合作用以及仅径向排水固结均 适用，就视u 属于哪一种类型的排水条件的固结度，都可以采用，所不同的在于a 与卢 两参数的取值，见表2 1 ，多极荷载下的地基平均固结度计算公式m 1 ( 2 5 ) 表2 1 口、卢参数值 t a b 2 1v a l u e o f 口a n d8 卟喜盎旧吨卜矽p 朋叫稍铷 ( 2 5 ) 式中t 加荷施工期5 卜逐渐加荷的总荷载； 配一时间内地基的平均固结度； q l 第i 级荷载的加荷速率( k p a j d ) ； 卸各级荷载的累加值o ( p a ) ； i 。、互第i 级荷载加载的起始和终止时间( d ) ，该时间从零点算起； a 、卢系数可按表2 1 取值，卢也称固结衰减系数，也可由实测数据反算h 3 1 。 根据高木俊介法进一步推导出水载预压大型储罐地基不同排水条件固结度的估算 公式【4 3 】，各排水条件如图2 3 所示。 单项排水0 情况地基平均固结度的公式为 u o = 1 - 砉c 喜南e 俐9 争， 单项排水1 情况地基平均固结度的公式为 u 1 - - 1 - 署喀赤e m “争， 大连理工大学硕士学位论文 p l r 1 k 魇 l 旦 i l 情况 l 垦1 0 - 2 情况 图2 3 不同情况起始压力分布图【4 3 】 f i g 2 3 d i f f e r e n ti n i t i a lp r $ u r ed i s u i b u t i o n 单项排水“0 2 ”情况地基平均固结度的公式为 ：= 型学 式中丁v - 萼f ，r + 。，= t 2 1 一| - 丑笋 吃一半 在每级加荷计算出u o 一：后，因为一部分固结效果是前一次加荷所获得的， 对其值进行修正，修正系数为 托：丢 弓 j 1 1 在第i 级加荷阶段，以及其后的第，段加荷时间内的固结度为 u u = u o 制( i = l ，产1 + 1 ) 千县可得髯个加赫阶爵冉钉平均同结序 ( 2 8 ) 因此还要 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 。l h 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 u = ( 卢1 矿：1 + 1 ) ( 2 1 1 ) l l 2 4 地基抗剪强度的变化 软土地基在附加荷载作用下，经排水固结后，其抗剪强度就会有一定的增长，但同 时附加荷载在地基中产生的剪应力又会引起剪切变形，甚至还可能导致地基强度衰减。 日本学者村山朔朗和柴田徼就曾发表过室内试验的结果证明强度衰减的问题。b i s h o p 也 曾作过这方面的试验，说明即使在较低的常驻剪应力作用下未发生破坏，但必然导致强 度的衰减。除了蠕变因素，软粘土地基强度的衰及还与加荷速度有关，加荷速度越快， 就越有可能对土的结构造成破坏，从而造成强度衰减。 由于软土地基在预压荷载作用下会产生强度的改变，因此就需要估算强度的变化。 采用有效应力法进行简化可得地基中一点抗剪强度变化计算公式【4 2 】。 s = 7 7 ( s o + a s )佗1 2 ) 式中墨地基中一点的抗剪强度； r 考虑剪切速率及其他因素对强度影响的综合性经验系数； 瓯天然地基抗剪强度； s 地基由于固结面产生的抗剪强度的变化。 对于a s ，可以按下式进行计算 丛= 仃：u k( 2 1 3 ) 式中 群一效内摩擦角的函数，x ；竺望二掣； l + s i n c p ( k 地基平均固结度； 驴1 土的有效内摩擦角； 盯：地基中z 深度某点竖向附加应力，可根据文献 4 4 】查表获得。 2 5 地基稳定性极限平衡分析 由于大型储罐荷载很大，通过水载预压法处理大型储油罐不良地基时，底面的平均 压力能够达到2 5 0 k p a 以上，而软土地基压缩性较大。抗剪强度也较低，因此在这样的 地基上建造大型储罐并进彳亍水载预压处理，稳定性分析就是必不可少的，通过稳定性验 大连理工大学硕士学位论文 算分析地基在承受巨大压力的情况下是否会发生剪切破坏，从而验证充水预压方案的可 行性。 地基稳定分析主要是针对地基的剪切变形进行的验算，按照地基极限承载力理论， 软基破坏的一般形式是冲剪破坏，通常并不在基础边缘出现明显的连续滑动面，但是随 着荷载的增加，基础边缘应力集中，侧向约束较小，基础将随着土的压缩向下移动，当 荷载继续增加并达到某一数值时，基脚附近土体的垂直剪切而破坏，并且随着荷载的增 大而不断发展，从而产生剪切破坏区，也称之为塑性展开区，如图2 4 所示。塑性区随 荷载的增大，由地基边缘向中心和深处发展，最终造成地基的失稳破坏。 图2 4 塑流区边界 f i g 2 4 p l a s t i cf l o wb o r d e r 0 7 0 7 b ( 1 ) 稳定分析范围 对于大型储罐地基的稳定性分析，主要采用极限平衡滑弧法和斯金普顿法进行，根 据伯兰陀在推导长条刚性基础承载力公式中所假设的塑流区边界，如图2 4 所示。 地基发生剪切破坏主要在塑流区之内，即稳定性验算集中在塑流区内，根据斯金普 顿的建议，对地基以下詈b 深度范围内的土层进行稳定验算，曰即是对o 7 0 7 b 的简化。 )j ( 2 ) 斯金普顿法稳定性分析 斯金普顿公式是一个针对地基承载力的半经验公式，适用于饱和软土地基上的浅基 础，对于条形荷载的基础，其公式如式( 2 1 4 ) 所示 & ：n s o + 0 2 d ) o + 0 2 导) + r d ( 2 1 4 ) 式中b 、基础底面的宽度和长度。 口一基础的砌置深度； ，基础的砌置深度范围内的平均土重度5 $ 地基土的抗剪强度，根据斯金普顿的建议，采用基底以下2 3 b 深度范围内 土的平均抗剪强度； 无量纲的承载力系数。 进一步可得地基安全系数， 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 c = 等 1 2 ( 2 1 5 ) 由于颠金普顿法经验公式是根据条形荷载得出的，因此在应用于圆形荷载的储罐地 基时，各变量的意义会有所不同【4 3 】： 式中弘埔弧宽度； k - 基础长度；脚时，庐孚一4 ( 2 r 卅三再；的时， l ：! 压而： 3 卜储罐半径。 ( 3 ) 滑弧法稳定性分析 滑弧法是非常常见的稳定分析方法之一，在边坡稳定等工程中也都有大量的运用。 它假定地基最可能的滑动面为圆筒面，并用各种不同半径和不同位置的圆心滑弧进行试 算，找到最小安全系数的圆弧，即为最可能的滑动面，如图2 5 所示。 锄 黑彳彳3 栅v趴j 、 77| a硬壳层 名部麟普遍破坏 整个底宽普遍破坏7 7 、 尹 。 图2 5 储罐地基稳定分析 f i g 2 5 t a n kf o u n d a t i o ns t a b i l i t ya n a l y s i s 图中口环梁宽度； 尸环梁自重提供的荷载。 大连理工大学硕士学位论文 在滑弧法验算大型储罐地基稳定时，通常将地基按照距罐中心距离的远近进行分区 嗍，对于土层土性出现较大变化时，也可根据土层来进行滑弧分区。根据所分弧段计算 抗滑力矩 如和滑动力矩m 埽 m 抗= 窆r 2 日，瓯+ 1 ，p 口： ( 2 1 6 ) m精=ipjb2(2a7) 式中只第i 个分区滑弧的弧度； 瓯分区滑弧平均抗剪强度，可取滑弧中点强度估算； 从而得出抗滑稳定性安全系数 彰= m 同时可以考虑基础地面形状因素a ：1 + 0 2 拿，则稳定性安全系数为 只= a 1 2 ( 2 1 9 ) 表2 2 底面形状系数a t a b 2 2v a l u eo f b o t t o m 蛳鼢足 bd0 8 d0 5 d0 3 3 d0 2 d0 1 7 1 d 1 + o 2 b l1 2 0i 1 51 1 01 0 6i 0 51 0 4 ( 4 ) 最危险滑弧的确定 无论是斯金普顿法，还是滑弧法，都要进行整体稳定验算和局部稳定验算，对于整 体稳定验算，即破坏滑弧宽度b 为整个储罐最大截面直径，如图2 5 所示；而局部稳定 验算中普遍剪切破坏的范围、也即最危险破坏滑弧的确定则较为复杂。 目前工程上大多遇到的是薄硬壳层下的深厚软粘土层，有学者在利用斯金普顿经验 公式计算储罐稳定性时，通过对不同滑弧的验算，得出了局部稳定最危险滑弧出现在 b = 0 2 d 附近的结论p 1 1 ，并且认为如果没有硬壳层的情况，局部普遍破坏的范围可能还 会缩小，最小可能会达到丑等于基础环梁宽。 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 根据斯金普顿的建议，基底以下2 3 b 深度为普遍剪切破坏的范围，因此滑弧半径r 与宽度b 的关系为r = 1 3 1 2 b ，于是可根据滑弧法稳定性安全系数公式( 2 1 6 ) - ( 2 1 9 ) 做出 如下推导 纠挚罄+ 学纠等以蟹+ 等， 而对于大型储油罐，由于直径和荷载都较大，所以基础环梁的宽度和自重荷载都可以忽 略不计，即 1 6 9 b 岛 只= a _ 岳_ ( 2 2 0 ) 由公式( 2 2 0 ) 可以看出，当在某一荷载作用下，地基的稳定性安全系数由a 日，s 。决定， 在局部稳定验算中，由于滑弧深度为2 3 b ，所以z o 。为常数，因此对于大型储罐来说， 最危险的滑弧通常是，经过最软弱土层的弧度最大的滑弧。 墼塾圭屋：= = ：= 二二 良好土层 图2 6 局部稳定分析滑弧 f i g 2 6 s m o o t ha r co f l o c a ls t a b i l i t ya n a l y s i s 对于薄硬壳层下为较厚软弱层的地基来说，延用斯金普顿法的结论，即通常0 2 d 附近的滑弧达到安全系数最小值，也即最危险滑弧。 但对于夹薄层软弱土的情况，相当于硬壳层很厚，这样最危险滑弧还可能出现在薄 软弱层附近，由于软弱层较薄，可视为抗剪强度变化不大，如果仅考虑日s o 的取值，最 大连理工大学硕士学位论文 危险滑弧应该与软弱层底相切，但同时考虑到a 会随深度增加而增加，因此很难确定软 弱层附近最小安全系数滑弧的位置，因此建议对以下三种情况进行局部稳定验算以确定 局部稳定最小安全系数： ( 1 ) 滑弧与薄软弱层顶相切： ( 2 ) 滑弧与薄软弱层底相切； ( 3 ) 滑弧宽为b - - 0 2 d 。 2 6 小结 本章在总结现有极限平衡滑弧法和斯金普顿法稳定性计算的基础上，对较厚良好土 层夹薄软弱层的情况，提出了局部稳定最小安全系数滑弧的确定方法，作为对目前大型 储罐地基稳定性验算的有益补充。 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 3 大型储罐地基变形计算 3 1 概述 储罐的荷载和面积都很大，总重可超过1 0 0 万k n ，单位面积荷重可超过2 5 0 k p a ， 直径达到$ o m 以上，而这样庞大的储罐采用的是柔性薄板结构，相对于庞大的罐体结构， 罐壁是很薄的，这就使得储罐就如同一个纸口袋一样很容易发生变形。由于构造上的这 些特点，大型储罐对于地基的变形较为敏感，因此在不良地基上建造大型储罐，变形是 必须考虑的重要问题之一。 地基的稳定性分析主要是关于地基土的抗剪强度是否能够承受剪应力，避免由此导 致的储罐破坏。但在很多情况下，并非储罐最后的破坏导致了储罐功能的失效，而是在 这些破坏发生之前，地基可能就产生了过大变形或不均匀沉降，这会使储罐产生过大的 位移和扭曲，影响储罐的正常使用，甚至是破坏。即使荷载没有达到极限破坏荷载，地 基仍可能会产生过大的沉降，储罐本身是柔性的，在一定程度上能够适应地基的不均匀 沉降，但在设计时也要十分重视不均匀沉降对罐体结构的影响【鹕】。根据国内外储罐地基 工程事故分析表明，由于地基不均匀沉降所导致的储罐破坏很常见。因此，仅仅保证地 基稳定性的要求是不够的，地基的沉降计算是一个非常重要的问题f 4 9 , 5 0 。 3 2 储罐地基变形特征 水载预压法处理大型储罐软土地基的变形特征主要表现为：由于初期加荷较小，地 基变形也相对较小；但当荷载增大到一定程度后，储罐地基沉降速率开始加快。由于地 基内的孔隙水来不及消散，地基体积不变，导致土体会向侧向移动，从而导致离罐较远 处的地表土隆起，而罐附近的地表土沉降，随着长时间的加荷和预压，地基内孔隙水压 力逐渐消散，软弱土层逐渐固结压缩，从而产生沉降，使得隆起的地表又逐渐下沉，经 过一段时间之后，趋于稳赳5 1 1 。 地基的变形可分为四个方面，即罐基沉降量、罐基整体倾斜( 平面倾斜) 、罐基周边 不均匀沉降( 非平面倾斜) 以及罐中心与罐周边的沉降( 罐基础锥面坡度) 。计算地基变形 时，对于由于地基不均匀或荷载等因素引起的地基变形，对不同型式和容量的储罐，应 按照不同的允许变形值来控制，储罐地基应根据在充水预压期间和使用期间的变形值， 考虑罐基预抬高及与管线连接方法和施工顺序。 大连理工大学硕士学位论文 3 3 储罐地基沉降计算 对于罐基础，当天然地基土不能满足承载力设计值要求或有软弱下卧层时，当罐基 与相邻基础较近罐基有可能发生倾斜时，当罐基础下有厚薄不均匀的地基土时和有特殊 要求的储罐基础，应作地基沉降量计算。地基最终沉降量估算的方法很多，但由于在实 际计算中要反映侧向变形很难，因此储罐的沉降计算主要采用无侧向变形的分层总和 法。 3 3 1 改进分层总和法 改进分层总和法湖也是目前规范中所采用的方法，地基内的应力分布采用各向同性 均质直线变形体理论。而对于由风荷载和地震作用所引起的附加压力，在地基沉降计算 中，可不予考虑。其最终沉降量可按下式计算 s = v ，s = y ，争( z l a l z t - 1 1 ) ( 3 1 ) j 1 1 j t ：, t 式中s 地基最终沉降量，f i l m ； s 按分层总和法计算出的地基沉降量； 1 l ，。 冗降计算经验系数，根据现行国家规范或地区的规定采用； 疗地基沉降计算深度范围内所划分的土层数； 只对应于荷载标准值时的基础地面处的附加压力，k p a ； e 。，基础底面下第i 层土的压缩模量，按实际应力范围取值，m p a ； z l 、z t _ l 基础底面第i 层土、第乒l 层土底面的距离，m l 口，、口。基础底面计算点至第f 层土、第扣l 层土底面范围内平均附加应力系 数，可按国家行业标准附录b 采用。 对于地基沉降计算中的计算深度z 。，应当符合下式要求 峨o 0 2 5 a s ： ( 3 2 ) j 1 1 式中s ：在由计算方面上取厚度为止的土层计算沉降值，业按表3 1 确定： a s l 在计算深度范围内，第j 层土的计算沉降值。 储罐地基压缩层计算深度( 应力影响区以内) 主要取决于地基面积、地基形式和土层 的构造及其压缩性，而载荷的大小只影响其沉降量。 表3 1a z 值 水载预压下大型储油罐地基变形与稳定性分析 t a b 3 1v a l t