大型群樁基礎應力影響深度試驗研究

華衛君，李高山

（浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012）

0 引言

中石化某煉化公司位于杭州灣南岸的濱海淤積平原上，頻臨東海之濱，場地淺部地基土以海相沉積的淤泥質土為主，物理力學性質差，抗剪強度低，壓縮性高，承載力小，淺基礎天然地基難以滿足大中型油罐的設計要求，必須進行地基加固處理。

在一期工程中，該公司首先采用了砂井堆載預壓法（油罐充水預壓）處理10 000 m3油罐地基，取得了良好的技術效果和社會經濟效益，并成為一項成功的范例在國內其它地區加以推廣應用。但砂井排水固結法存在施工周期長、沉降變形大、穩定慢、容易發生不均勻沉降等缺點，所以在寧波鎮海地區未能得到進一步的推廣和應用。

在之后的油罐地基處理中，多數采用了打入預制方樁基礎，不僅大大縮短了施工周期，而且基礎沉降量也大為減小，唯一的不足之處是造價比較高。

為此，該公司引進了一種技術可靠，施工速度快，又經濟合理的預應力薄壁管樁新工藝，并以5 000 m3廢堿液罐為對象進行了一系列的試驗和研究。

1 工程概況

新建的5 000 m3罐體為鋼質立式圓筒形拱頂罐，罐體直徑為23.652 m，罐壁高度為12.5 m，采用鋼筋混凝土承臺板加樁基礎，樁型為預應力混凝土薄壁管樁，樁徑為φ400 mm，樁長為18.5 m（由8.5m和10.0m二節樁電焊焊接而成），設計樁頂標高為3.15 m，共布置76根樁。

選擇3-1層中密狀粉砂作為樁端持力層，樁基承臺板厚為500 mm，承臺的直徑為24.102 m，環墻的高度為1 000mm，環墻內充填中粗砂和碎石。當充水滿載時，承臺板下的基底壓力約為136 kPa。

2 地基土工程地質特征

工程場地系由海涂地圍墾造陸而形成，為典型的海相軟土地基，根據勘察資料顯示，42m以下淺土體共可劃分為12個工程地質層，各土層的巖性特征及其物理力學性質指標見表1[1]。

表1 地基土物理力學性質指標一覽表Table1 Physicalmechanicalproperties index of the foundation soil

3 樁基壓縮層影響深度試驗

3.1 孔隙水壓力計的布設

關于地基壓縮層深度問題，在工程學術界中爭論比較大[2-5]，尤其對于剛度較好的大型油罐樁基礎地基，其壓縮層的深度業內還未形成統一的認識，為此本課題分別在罐中心和罐周邊樁端以下的地基土中埋設了鋼弦式孔隙水壓力計以便對地基孔隙水壓力進行測試，其平面位置見圖1。

圖1 孔隙水壓力計埋設平面位置圖（單位：mm）Fig.1 Laying location of the porewater pressure gauge（mm）

3.2 孔隙水壓力計的測試與分析

為減小錘擊沉樁擠土效應產生的超孔隙水壓力對測試的影響，在樁基施工結束約15 d后進行孔隙水壓力的埋設，其埋置豎向分布圖見表2。

表2 孔隙水壓力計埋置深度表Table 2 Laying depth of the porewater pressuregauge

根據基礎施工、罐體施工以及充水試驗和放水階段等不同時期、不同荷載條件、不同位置以及不同埋置深度處的各孔隙水壓力計所實測的孔隙水壓力值繪制相關曲線，詳見圖3、圖4、圖5。

圖3顯示，在天然條件下，罐體下部地基土孔隙水壓力隨深度的增加而增大，呈現出明顯的線性增長趨勢，這與地基土自重壓力隨深度增長曲線的線型是基本一致的。

圖3 罐基施工前孔隙水壓力隨深度變化曲線圖Fig.3 Changing curvesof the porewater pressurew ith depth before tank construction

圖4 充水試驗階段孔隙水壓力隨深度變化曲線Fig.4 Changing curvesof the porewater pressurew ith depth in water filling teststage

圖5 充水試驗階段孔隙水壓力隨時間變化曲線Fig.5 Changing curvesof the porewater pressurew ith time in water filling teststage

圖4 、圖5為試驗罐體充水試驗階段地基土中孔隙水壓力隨深度和時間的變化曲線。從圖4中可以看到，隨著充水高度的增加，地基中附加應力逐漸增大，孔隙水壓力也隨之逐漸升高，但其提高幅度卻隨深度的增加而減少，增幅當充水停止或放水卸荷時，孔隙水壓力則逐漸消散。同時還發現，埋設深度最淺的6166號和6204號二支孔隙水壓力計，其數值變化不明顯，整個監測階段，最大變化幅度僅為1.9%，這是因為這二支孔壓計距上部砂層（③2層）較近，僅為0.6 m，滲透性好，排水途徑短，而且④1a層粉粒含量也較高，滲透性較下部幾層黏性土層要大，排水條件相對也較好，孔隙水壓力易于消散，因此在注水引起附加應力的作用下，其變化幅度較小。而注水過程中深度H=28～34m孔隙水壓力增幅呈逐步降低趨勢，由H=28 m處的6.1%降至H=37 m處的0.7%，從增量看，孔隙水壓力數值由H=28 m處的16.8 kPa降至H=37 m處的2.4 kPa。監測數據表明在H=37m（即樁端下18.5m）處，由樁端附加應力引起的孔隙水壓力的增量已基本可忽略不計。根據土體有效應力原理，土體主固結沉降主要是孔隙水壓力的消散引起有效應力的增加，附加應力由土體有效應力和超靜孔隙水壓力承擔，即有效應力與超靜孔隙水壓力呈同步增長趨勢。由此土體沉降主要是樁端下18.5m范圍內黏性土的主固結沉降，大于樁端下18.5 m深度的黏性土由于孔隙水壓力增幅極小，表明注水過程中土體受到的附加壓力的影響亦不明顯，因此，在沉降計算過程中，樁端下約18m深度下的土體變形可忽略不計。在此條件下，壓縮層沉降計算厚度相當于油罐圓形基礎直徑的0.75倍。

圖5表明，罐中心的實測孔隙水壓力增量要比罐周邊大，同時罐中心37m深度處的孔隙水壓力增量很小（2.4 kPa），僅占28 m深度處孔隙水壓力增量的14%。因此，37 m以下土體所受的附加應力很小，這也說明在沉降計算時，該深度以下的土體變形可以忽略不計。

圖6為充水滿載時孔隙水壓力增量隨深度變化曲線圖，可見，在試驗罐體滿載條件下，除深度24m處的測點因孔隙水壓力消散快而變化不明顯外，其余各測點的變化規律性均較強，即孔隙水壓力的增量隨深度的增加而減少。依據土力學理論，地基土在上部結構荷載作用下，土中附加應力也是隨深度的增加而遞減的，這與本次孔隙水壓力計的實測結果基本吻合。

4 結語

孔隙水壓力計的實測資料分析表明：

1）在天然條件下，地基土中的孔隙水壓力隨深度的增加而增大。

2）在上部結構的附加壓力作用下，地基中的孔隙水壓力增量隨深度的增加而減少，且其變化曲線在深度（自樁端算起）0.75B（B為基礎寬度）處就基本收斂了，由此樁基沉降計算深度可選擇在0.75B范圍之內。

圖6 充水滿載時孔隙水壓力增量隨深度變化曲線Fig.6 Changing curvesof the increment in porewater pressurew ith depth in fullwater stage

[1] 華衛君.鎮海石油化工總廠5 000m3廢堿液罐地基處理試驗研究報告[R].寧波：浙江省工程勘察院，1994.HUAWei-jun.Test report on 5 000 m3waste lye tank foundation treatmentof Zhenhai Petrochemical Complex[R].Ningbo:Zhejiang Engineering Investigation Institute,1994.

[2]JE波勒斯.基礎工程分析與設計[M].唐念慈，譯.北京：中國建筑工業出版社，1987.POULOS JE.Analysis and design of foundation engineering[M].TANGNian-ci,translation.Beijing:China Architecture&Building Press,1987.

[3]李廣信.靜孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力——兼與陳愈炯先生探討[J].巖土工程學報，2012，34（5）：957-960.LIGuang-xin.Static pore water pressure and excess pore water pressure:A discussion with Mr.CHEN Yu-jiong[J].Chinese JournalofGeotechnicalEngineering,2012,34(5):957-960.

[4] 唐世棟，何連生，傅縱.軟土地基中單樁施工引起的超靜孔隙水壓力[J].巖土力學，2002，23（6）：725-729，732.TANG Shi-dong,HE Lian-sheng,FU Zong.Excess pore water pressure caused by an installing pile in soft foundation[J].Rock and SoilMechanics,2002,23(6):725-729，732.

[5]孟錦偉.軟土中樁基施工引起的超孔隙水壓力[J].科技資訊，2007（10）：218.MENG Jin-wei.Excess pore water pressure in pile foundation construction ofsoftsoil[J].Science&Technology Information,2007(10):218.