桩体参数对储油罐复合地基承载性能的影响

文章编号：1006-2688（2011）02-0000-03

作者简介：崔莹（1979－），男，陕西西安人，工学硕士，在读博士研究生，西安石油大学机械工程学院土木工程系讲师，主要从事土木工程专业的教学和科研工作。

基金项目：西安石油大学青年创新基金（项目编号：Z06048）

[摘要] 基于Drucker-Prager屈服准则，以某一储油罐工程为背景，利用ANSYS软件，建立复合地基有限元模型，模拟工作荷载作用下储油罐复合地基的工作状态，考察不同桩体参数变化对复合地基沉降的影响，为工程设计和施工提供了有益的参考。

[关键词] 储油罐 复合地基 有限元模型 ANSYS程序

Impact of Column Parameter on Bearing Properties of Oil Storage Tank Composite Foundation

Cui Ying1Cao Yu-guo2

(1.Civil Engineering Department, School of Mechanical Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an, Shaanxi 710065)

(2. The Eighth Construction Company of Shaanxi Province, Xi’an, Shaanxi 710068)

[Abstract]Based on Drucker-Prager yield criterion, using a oil storage tank project as background, with theANSYS software, a finite element model of composite foundation has been established to simulate the composite foundation status under the work load and evaluate the impact of different column parameter on bearing properties of oil storage tank composite foundation. Some useful references for engineering design and construction have been put forward.

[Key words] oil storage tank; composite foundation; FEM model; ANSYS procedure

1．引言

1.1储油罐地基处理要求

石油储罐基础不同于其他建筑物基础，其储油罐自身柔性及承载特点对地基承载力和变形有如下要求：

（1）对地基的承载力要求较低，通常地基承载力达到80~200kPa即可满足要求；

（2）对地基的均匀沉降要求较低。有资料【1】显示某储油罐地基均匀沉降达2m时仍能正常使用；

（3）对地基的不均匀沉降要求较高。这主要是因为若地基发生不均匀沉降的数值超出容许值，则会造成储油罐结构倾斜过大，从而造成储油罐破坏甚至报废；

（4）储油罐基础顶面应高出地面，且仅在地基发生不均匀变形时才起传递荷载的作用，通常储油罐通过其下部的垫层传递荷载。

1.2储油罐地基处理措施

目前在储油罐地基处理上所采用的措施从基本原理上可以分为两类，第一类方法是设法减少土体中的孔隙，使得土体密实，从而提高土体的承载能力，例如堆载预压、充水预压等措施；另一类方法是利用胶结物将土颗粒胶结起来，减少土体当中的孔隙，提高土体密实度，例如工程上常用的水泥灌浆法、旋喷法等措施。前者在工程实践中具有投资低的优势，但是往往处理周期较长，例如充水预压法通常需9-18个月，从而造成了储油罐投入生产的时间过长。后者在工程实践中具有加固效果好、加固周期短的优点，然而又存在地基加固费用比较高的问题。因此，在储油罐地基处理方面引入应用效果较好且投资较低的地基处理技术具有十分重要的意义。

1.3复合地基技术

复合地基是指天然地基在地基处理过程中，部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体和增强体两部分组成的人工地基【2】。它充分考虑了增强体和土体两部分的承载能力，减小了地基变形，使地基的承载能力得到了提升。工程实践表明，复合地基具有处理效果好、经济、技术易行的特点。

2．工程实例

西安市长安区某加油站储油罐罐坑地基处理项目。工程概况如下：钢质储油罐半径为1100mm，采用钢筋砼环墙式基础，环墙厚度为300mm，高度为1500mm。储油罐基础剖面示意图如图1所示。

图1 储油罐基础剖面图

根据现场钻探描述、以及室内土工试验结果，土体自上而下分层描述如下：

①厚度：4.1m； 变形模量：12.3MPa；泊松比：0.35；密度：1880kg/m3；粘聚力：26kPa；内摩擦角：22o

②厚度：10.1m；变形模量：9.1MPa； 泊松比：0.35；密度：1950kg/m3；粘聚力：28kPa；内摩擦角：21o

③厚度：2.6m； 变形模量：9.0MPa； 泊松比：0.35；密度：2000kg/m3；粘聚力：30kPa；内摩擦角：19o

④厚度：7.1m； 变形模量：9.6MPa； 泊松比：0.35；密度：1970kg/m3；粘聚力：28kPa；内摩擦角：21o

由于天然地基中的持力层承载力不满足要求，需进行地基处理，拟采用灰土挤密桩复合地基进行加固，同时应用ANSYS有限元工程软件进行储油罐地基受荷后的应力和沉降情况的分析。

2.1有限元模型的建立

地基处理方案选择为灰土挤密桩复合地基，桩径为400mm，桩长9.0m，桩顶上铺设0.30m厚的碎石垫层，桩距为1.50m×1.50m，三角形布置。

为了能够得到在实际情况下灰土挤密桩复合地基加固面积范围内桩土的工作性状，文中对所选择的考察对象进行三维有限元模拟，对钢筋砼环墙基础、桩体、土体、垫层分别形成单元。考虑到钢筋砼环墙基础和灰土桩相对于土体的刚度要大，因而对桩体和环墙采用线弹

性本构模型。考虑到复合地基中土体所承担的荷载是一次施加的，不存在周期荷载情况，因

而对土体采用Drucker-Prager屈服准则的理想弹塑性模型。环墙基础、土体和桩体均采用Solid45号八节点实体单元。分析区域按工程实际情况划定如下【3】：侧向边界取在距离桩体周缘5倍桩径处，底部刚性边界取在桩体下第一层下卧层土体处，约为两倍桩长。边界约束条件选取如下：侧向边界与下边界均取为固端约束（即水平方向和竖直方向均不允许有位移），上边界取为自由边界。建立的有限元模型如图2所示。

图2有限元模型

3．计算分析

3.1加载原则

由于该加油站为在建工程，因而按照储油罐的设计指标，根据文献【1】中所提及的生

产荷重予以估算，该工程所采用的半径为1100mm的钢质储油罐生产荷重为10.5kN/m2，将此荷载施加于环墙基础以及环墙基础中所填充的碎石垫层上进行计算。考虑到由于有限元模型划分后所生成的单元数过多和计算机硬件配置的问题，因而在考虑保证计算合理的前提条件下，实际进行有限元计算时选择桩土模型进行加载，边界约束条件仅需将所取对称模型侧向边界调整为竖向滑动支座（即水平方向约束，竖向允许位移），其余边界条件保持不变。

3.2结果分析

（1）沉降和应力

灰土桩复合地基沉降如图3（a）所示。图中数据表明：经过灰土挤密桩加固后的地基总沉降值为113mm，其中最大沉降发生的位置位于罐体中心。罐周沉降值为91mm，直径方向上两者之间差异沉降为22mm，小于文献【1】中规定的500mm。油罐底板拱度为0.01，介于D/90－D/100之间。故而地基处理后各项沉降和变形指标满足要求。

应力方面，该灰土桩复合地基受荷后竖向正应力最大值约为0.04MPa，如图3（b）所示。从所列出的文本文件中可以看出，应力最大值的点位于距离垫层表面6200mm的桩体上，这表明灰土桩复合地基在受荷后，应力存在向桩体集中的现象。

（2）桩长度变化对地基沉降和应力的影响

将灰土桩体的长度由9m增加至15m，此时复合地基的总沉降值为160.8mm，如图4（a）所示。最大沉降值不再位于罐体中心而是有所偏移。罐周沉降值为160.1mm，直径方向上两者之间差异沉降为0.7mm，未超出规定的500mm，油罐底板拱度为3.18×10-4，介于D/90－D/100之间。满足要求。

应力方面，加大桩长后的复合地基竖向正应力最大值约为0.04MPa，如图4（b）所示。从所列出的文本文件中可以看出，应力最大值的点位于距离垫层表面6200mm的桩体上，应力有向桩体集中的现象。

(a)复合地基沉降图 (b)复合地基竖向正应力图

图3 9m桩长复合地基沉降与应力图

(a)复合地基沉降图 (b)复合地基竖向正应力图

图4 15m桩长复合地基沉降与应力图

（3）桩径变化对地基沉降和应力的影响

将灰土桩体的直径由400mm增加至800mm，此时复合地基总最大沉降值为93.5mm，如图5（a）所示。最大沉降值发生的点不再位于罐体中心而是有所偏移，罐周沉降值为92.4mm，直径方向上两者之间差异沉降为1.1mm，未超过规定的500mm数值，油罐底板拱度为5×10-4，介于D/90－D/100之间。满足要求。

应力方面，扩大桩径后复合地基竖向正应力最大值约为0.03MPa，如图5（b）所示。从所列出的文本文件中可以看出，应力最大值的点位于距离垫层表面5893mm的桩体上，应力最大值所在的位置有所上移，应力同样有向桩体集中的现象。

4．结论

通过上述对灰土桩复合地基的数值模拟计算和理论分析，得出如下主要结论：

（1）采用复合地基可以有效减小储油罐地基的沉降。受荷后的复合地基中应力有向桩体集中的现象，这应在工程实际中予以重视。

（2）复合地基中竖向最大正应力值发生的位置相对比较固定，仅当桩土置换率增大时（即桩径增大时）才会发生上移的现象，因此，若在实际工程中采用较大桩径时，应注意浅层桩体竖向正应力过大而造成桩体的破坏。

（3）增加桩长可以有效调节罐体中心与罐周的差异沉降，但对减小储油罐整体沉降效果不明显。扩大桩径在有效调节罐体中心与罐周的差异沉降的同时，可以减小储油罐整体沉降。因此单从减小沉降的思路出发，扩大桩径比增加桩长更有工程实际意义。

(a)复合地基沉降图 (b)复合地基竖向正应力图

图5 800mm桩径复合地基沉降与应力图

参考文献：

【1】 贾庆山 编著 大型油罐地基处理[M] 北京，中国石化出版社，1993.2

【2】 龚晓南主编 复合地基设计和施工指南[M] 北京，人民交通出版社，2003.8

【3】 崔莹 桩体复合地基的弹塑性有限元分析[D] 陕西：长安大学，2005.5