应力路径在大型油罐软土地基加固中的应用
摘要:上海某10×104m3油罐为国内同容积罐中首次建造在软土地基上的大型油罐,采用了碎石桩、塑料排水板及充水预压综合地基处理方案。实践表明,充水预压过程中使用应力路径法控制地基稳定是一种行之有效的监测手段。
关 键 词:充水预压;软土地基;应力路径;孔隙水压力
Application of stress path in consolidating soft clay foundationsof large scale storage tanks
Abstract:A storage tank with a large capacity of 100,000 steres has firstly been built on soft claybase in Shanghai China. Working on it by a comprehensive ground treatment, such as sand-gravelpile, plastic drainage plate and filling and prepressing, during the process, the method of stress pathis practical and effective in monitoring and controlling the stability of the foundation.
Key words:filling and prepressing; soft clay foundation; stress path; pore water pressure
上海某10×104m3大型油罐,直径80 m,高22.02 m,临近长江,场地软土层厚度大,天然地基承载力仅为60 kPa,设计要求地基承载力为280 kPa。为此地基采用沉管挤密碎石桩、塑料排水板及充水预压进行综合处理,其技术思路是利用挤密碎石桩形成碎石桩复合地基,提高地基承载力,消除地基液化,改善地基整体稳定性,又可和塑料排水板一道起排水通道的作用。利用油罐充水预压排水固结法加速地基土的固结和强度增长,从而进一步提高地基强度,以满足油罐使用荷载的要求。充水预压过程中需利用多种监测手段密切监控地基的稳定,严格控制加荷速率,预防或杜绝不稳定因素的发生或发展,孔隙水压力观测是各监测手段中关键项目之一,用应力路径法判定地基稳定性即为孔压观测的主要目的。
1 应力路径法
1.1 Kf线与强度包线[1,2]
根据摩尔-库仑准则,土的总应力和有效应力强度包线一般以直线表示,即c、φ和c′、φ′为常数,表示剪切面的应力路径。Kf和Kf′线分别以总应力和有效应力表示的极限应力圆顶点的连线,它们仍为一直线,表示最大剪应力面上的应力路径。图1为总应力表示的抗剪强度τf线和Kf线,与它类似,当以有效应力表示时,可绘出抗剪强度τf′线和Kf′线。设Kf线和Kf′线与纵坐标的截距分别为a和a′,倾角为α和α′,根据土的极限平衡理论可得a、α与c、φ间关系为:sinφ=tanα,c•cosφ=a; a′、α′与c′、φ′间关系为sinφ′= tanα′,c′•cosφ′=a′。
1.2 p-q平面上的应力路径[3,4]
在p=(σ1+σ3)/2或p′=(σ1′+σ3′)/2与q=q′=(σ1′-σ3′)/2坐标平面内研究三轴试验中的应力路径。三轴试验中的应力状态,加荷方式为径向应力σ3保持不变,增加轴向应力σ1至剪切破坏的情况,用应力圆的顶点(A、B、C等称为应力点)代替应力状态,这些点的连线就是最大剪应力面上的总应力路径(total stress path,简写为TSP)。试样首先在某一σ3固结,在图中以A点表示,随着附加轴向压力的增加,试样的总应力路径(TSP)将从A点开始,沿着与横轴逆时针成45°的直线ABCD发展,A′B′C′D′为有效应力路径(effective stress path,简写为ESP),直线AE与曲线AE′之间的水平距离为试样受剪过程中的孔隙水压力。
1.3 安全系数
Kf′线、TSP及ESP线,由此提出下列安全系数FS的计算公式。图中的EF及E′F′分别为TSP和ESP线的延长线。FF′、EE′线与p (p′)轴平行
2 工程应用
2.1 工程概况及孔隙水压力观测点的布置
该油罐半径R=40 m,由于建造在软土地基上,其天然地基承载力远不能满足油罐对地基承载力的要求,因此,首先采用碎石桩和塑料排水板对天然地基进行处理。碎石桩和塑料排水板均为变桩距、变桩长同心圆布置,处理范围直径88 m,碎石桩桩径600 mm,桩长15~20 m,桩间距1.3~1.5 m。塑料排水板与碎石桩错行相间布置,深度均为28 m。通过载荷试验验证,处理后的复合地基承载力提高到160 kPa。在油罐地基中按不同深度、不同半径埋设32只孔隙水压力计,采用钻孔法埋设,使空隙水压力计处于透水的砂中,上部再用粘土球做隔水处理。本工程采用直读式孔隙水压力读数仪,故读数即为孔隙水压力值。地基土超静孔隙水压力为实测孔隙水压力与静水压力之差,即Δu=u-u0。由于场地中淤泥质粘土强度低、渗透系数小,为最软弱地层,本文以该层中具有代表性的4个观测点(埋深18 m)为例,阐述应力路径法在控制油罐地基稳定中的应用。2.2 各测点的应力路径
首先按照理论公式计算充水期间各测点处的主应力分量,同时列出各级荷载下的实测最大孔隙水应力值
2.3 充水过程中的安全系数
根据式(1)、(2)可计算出各级荷载下的安全系数(仅绘出观测点①的安全系数变化曲线)。由此可见,用应力路径可以比较清楚地表示地基在充水过程中安全系数的变化,充水过程中的安全系数FS均大于1,油罐地基是稳定的。
3 结论及建议
(1)在油罐充水预压过程中,利用应力路径控制地基稳定可以动态指导加荷速率、缩短工期及预防不稳定因素的发生或发展,从而使充水预压加固软土地基这种方法得以充分和安全的利用。
(2)土工试验结果对稳定性分析具有重要影响,在地基勘察阶段应充分重视各试验数据的采集和保证其准确性。
(3)绘制应力路径和计算安全系数,室内工作量相对较大,建议编制相应的计算及自动绘图程序,从而及时、准确地分析地基所处的应力状态。
参考文献:
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http://www.51lunwen.org/ytgc/
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