大型儲罐振沖碎石樁地基設計及有限元分析

陳華裕

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東 茂名 525000）

隨著社會經濟的發(fā)展，石化能源在生產中越來越重要。為了能夠滿足石化能源的日常用量需求，城市內及城市周邊的石化能源站點都需要配置大型儲罐，以增加石化能源的儲備量。大型儲罐的安全可靠安裝，需要有效的地基結構配置。一方面，大型儲罐因罐內儲液量大、罐體較高，會造成更大的應力和載荷。另一方面，城市內或城市周邊地區(qū)的土質結構具有特殊性，或為軟土土質或具有碎土性質。這兩方面的問題，都會導致大型儲罐的地基結構有更高的設計要求。基于振沖碎石樁的地基構造技術，已經在很多大型工程項目的地基處理中得到了應用，其對大型儲罐區(qū)的地基處理也有較好的技術針對性。該文以大型儲罐地基處理為研究對象，對其進行振沖碎石樁地基設計，并通過有限元分析證明其合理性。

1 振沖碎石樁地基的建造工藝

振沖碎石樁地基處理技術已經在很多大型工程項目中加以運用，為了使其更好地應用于該文大型儲罐的地基建造，首先對其常規(guī)建造工藝進行分析。

1.1 所需的裝置和設備

振沖碎石樁地基建造的核心設備是振沖器，同時還要配套使用其他輔助設備，包括吊車、供排水裝置等。振沖器的主要作用是完成地基孔并在孔內完成碎石制樁，目前比較常用的振沖器，制樁的直徑為1m。振沖器在工作的過程中，同時發(fā)生水平方向振動和垂直方向振動，但水平方向振動遠遠高于垂直方向振動，水平方向上的振動強度可以達到垂直方向上振動強度的5 倍左右。振沖器完成振動的過程中，要配套沖水處理。通過振動和沖水的配合，鉆孔區(qū)域內的土質被卷帶到地面上。從構造上看，振沖器一般包括5 個主要部分：1）構件一，振動器。2）構件二，電動機。3）構件三，沖水管。4）構件四，導水管。5）構件五，減振器。從工作過程上看，振沖器內的電動機開始轉動，進而帶動振動器內的偏心部件按照既定的規(guī)律動作，從而產生離心力帶動孔內土質排出。振沖器工作過程中產生的振沖力，計算如下。

=（1）

式中：參數(shù)為振沖力，參數(shù)為偏心部件的質量，參數(shù)為偏心距，參數(shù)為電動機轉動的角速度。

1.2 建造的原則

振沖碎石樁地基的建造，一般遵循4 個建造原則：原則一，由內而外原則；原則二，由一側到另一側原則；原則三，間隔制樁原則；原則四，逐漸遠離建筑物原則。

1.3 建造的流程

振沖碎石樁地基的建造一般按照試樁、定位、打孔、清孔以及振沖夯實的步驟完成整個建造流程。

試樁是地基建造過程的第一個步驟，也可以看作是一個準備環(huán)節(jié)。通過試樁，可以判斷制樁區(qū)是否滿足振沖碎石樁地基的建造需求。如果制樁區(qū)土質有一定特殊性，需要進行何種方案的加固處理等。定位是在整個制樁區(qū)明確每個碎石樁的制備位置，并按照網(wǎng)格標記法進行標注。打孔是制樁的第一個實施步驟，為防止樁體傾斜，必須在振動器達到額定轉速以后才下放整個設備，并且要保持慢速下放。打孔期間，對設備的電壓參數(shù)、水壓參數(shù)要實時記錄。清孔就是為了清理樁孔內的泥土，和打孔同步進行，打孔每到一定深度，就反復提升設備數(shù)次，以保證孔內泥土排出。振沖夯實是將碎石不斷壓入樁體區(qū)域，在夯實的初始階段，振沖器水平方向的振動力大于土體的約束力，碎石不斷被壓入同時樁體直徑不斷擴大，隨著碎石壓入量不斷地增加，土體約束力逐步增大直至和振沖器水平方向的振動力相等，碎石無法壓入、樁體直徑無法擴大，夯實環(huán)節(jié)的工作完成。

2 某商業(yè)儲備庫項目中大型儲罐的振沖碎石樁地基設計

2.1 某商業(yè)儲備庫項目概況及土質條件

某商業(yè)儲備庫項目位于沿海地區(qū)，地勢較低但較為開闊，地質為水洼地土質為軟土土質，整個項目區(qū)域平均海拔只有7.15 m。根據(jù)該項目甲方要求，振沖碎石樁地基建造完成后，應承擔來自大型儲罐的最大壓強為230 kPa。地基建造區(qū)域的土質條件可以劃分為比較明確的7 層，各層相關參數(shù)見表1。

表1 地基建造區(qū)域土質條件參數(shù)表

2.2 振沖碎石樁平面布局設計

考慮到該項目制樁區(qū)域的土層性質，采用等多邊型密集排布制樁，以確保地基的牢固程度和可承載壓強。因為儲罐罐體較大且為圓形，所以此處采取等六邊形由內而外逐步放大的平面布局完成振沖碎石樁排列。為了確保地基承載的有效性，地基區(qū)域比實際儲罐罐體區(qū)域外延3m 以增加安全性。

2.3 振沖碎石樁樁間距離的設計計算

實際制樁區(qū)域和樁間排布方式確定后，最關鍵的就是設定合理的樁間距離。樁間距離過小，可能出現(xiàn)樁間黏連、串樁等問題。樁間距離過大，則無法形成碎石和土層的有效置換，導致樁間緊密程度下降、樁體承載能力下降、地基無法達到承載要求。大型儲罐的地基承載力標值，計算如下。

式中：f為大型儲罐對地基要求的承載力特征值；為碎石樁之間的土質承載力特征值；參數(shù)為單位面積上的置換率；為碎石樁和土層之間的應力比。

根據(jù)該工程項目的甲方要求，可知f的大小為230kPa。結合制樁區(qū)的實際土層情況，取值設定為4。

參數(shù)的計算如下。

“結構力噪聲”的噪聲聲源一般是機械工程的大功率發(fā)動機，細分可根據(jù)噪聲產生機理不同分為燃燒噪聲與機械噪聲。其中燃燒噪聲是在燃料在活塞缸內燃燒放出大量熱能使得氣體體積迅速膨脹發(fā)生爆炸沖擊活塞缸及其周遭部件產生噪聲。機械噪聲則是在發(fā)動機正常進行運轉時，發(fā)動機內部零件之間存在空隙相互碰撞導致振動繼而引起發(fā)動機外殼表面輻射出噪音。

式中：f為第層土層可承受的壓力，h為第層土層的厚度，將表1 中各層數(shù)據(jù)的均值作為對應數(shù)據(jù)代入公式（3），可以計算出=127.61kPa，再將其代入公式（2），可以計算出=0.28。

根據(jù)單位面積的置換率計算公式，得出式（4）。

式中：為所有碎石樁的平均直徑大小，d為單根碎石樁的等效直徑大小。

該文中的等效直徑和樁間距離滿足以下關系，如公式（5）所示。

從而可以得出該文研究中碎石樁樁間距離=1.92m。

3 大型儲罐的振沖碎石樁地基設計結果有限元分析

為了驗證該文采用的振沖碎石樁地基建造方法對某商業(yè)儲備庫工程中大型儲罐安全使用的有效性，進一步進行研究，并進行有限元分析。

3.1 地基碎石樁平面排布的設計結果

首先，給出按照該文方法設計出的該工程大型儲罐地基區(qū)域碎石樁排布的平面圖，結果如圖1 所示。

圖1 某商業(yè)儲備庫工程大型儲罐地基區(qū)域碎石樁排布平面圖

從圖1 中可以看出，碎石樁從大型儲罐罐體安放位置的中心區(qū)域開始，設置了每邊長有9 個碎石樁的等六邊形，然后以此區(qū)域為核心逐步向外圍擴展。圖1 中的圓環(huán)線為大型儲罐罐體的實際邊界，為了地基的穩(wěn)固和罐體安放安全性，碎石樁又向外進行了延伸。

3.2 變形網(wǎng)格有限元分析結果

接下來通過有限元分析觀察大型儲罐罐體邊緣區(qū)域及周邊土層的變形情況，變形網(wǎng)格圖的有限元分析結果如圖2 所示。

圖2 變形網(wǎng)格圖的有限元分析結果

圖2 中，左上方是大型儲罐的邊緣和土層的接觸區(qū)，因為儲罐內儲存介質荷載較大，導致垂直方向上各層土質均受到明顯的載荷擠壓。雖然振沖碎石樁的密集排布，極大地抵制了載荷的破壞作用，但與罐體接觸區(qū)域及臨近土層仍然有一定程度的變形。除了垂直方向上的變形，載荷導致的擠壓也會形成橫向即水平方向上臨近樁間土一定程度的變形。但因為外延碎石樁的配置，有效地抵御了土層的隆起。

3.3 應力分布有限元分析結果

根據(jù)變形網(wǎng)格的有限元分析結果，進一步測試對應區(qū)域的應力分布有限元分析結果，如圖3 所示。

從圖3 中可以看出，左上方碎石樁及周邊土與大型儲罐罐體接觸的區(qū)域，仍然是應力最密集的區(qū)域。除了這一部分區(qū)域外，罐體外延部分的淺表土層區(qū)域應力分布較為稀疏，深層區(qū)域的應力分布較為密集。

圖3 應力分布有限元分析結果

3.4 垂直位移有限元分析結果

根據(jù)變形及應力分布的有限元分析結果，進一步觀察垂直方向上地基位移的有限元分析結果，如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，左上方碎石樁及周邊土與大型儲罐罐體接觸的區(qū)域，是垂直方向上位移變化最大的區(qū)域，越是遠離這一區(qū)域，無論是水平方向上還是垂直方向上的位移都會大為減少。

圖4 垂直方向上地基位移的有限元分析結果

3.5 剪應力分布有限元分析結果

根據(jù)變形及應力分布的有限元分析結果，進一步觀察剪應力的有限元分析結果，如圖5 所示。

圖5 剪應力的有限元分析結果

從圖5 中可以看出，左上方碎石樁及周邊土與大型儲罐罐體接觸的區(qū)域，是剪應力變化最大的區(qū)域，越是遠離這一區(qū)域，無論是水平方向上還是垂直方向上的剪應力都會降低。同時，剪應力分布沿著垂直方向上有明顯的分層效果。

4 結論

大型儲罐因為存儲液位高、荷載重，對地基建造有更嚴格的要求。該文采用振沖碎石樁地基處理技術對某商業(yè)儲備庫工程項目的大型儲罐進行地基設計。首先，介紹了振沖碎石樁地基設計的原則、流程以及所需的設備。其次，針對該工程項目進行土層土質分析，并進行了碎石樁水平布局設計和樁間距離設計。最后，采用有限元方法分別對設計出的地基進行變形網(wǎng)格、應力分布、垂直位移、剪應力分布等分析。結果表明，該文設計出的振沖碎石樁地基滿足大型儲罐的使用要求。