關于罐基礎沉降趨勢預測中聚類屬性指標取值合理性的探討

楊青

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

通常情況，大型儲罐區的填土場地條件相對復雜，素填土的平面分布和厚度受原始地形起伏的影響，填料及形成過程有所不同，使素填土的工程性質差別很大。

針對上述情況，在填土場地上修建儲罐時，設計中須考慮地基的變形和穩定問題，需進行地基處理。近年來，強夯地基處理技術已普遍應用于大型儲罐地基處理工程中。但是，夯后地基土分層往往很不規律[1]。同時，對于夯后地基處理效果的工程檢測也存在不足之處。一般工程檢測僅給出了土層空間上具體的某一點的數據，即使數據足夠多，也只能以常規“經驗”來評價，缺乏必要的理論依據，這就涉及到尋找一種能應用于指導工程實踐的基礎數學理論的問題。

數學上有一種按照樣本彼此相近程度進行分類的理論稱為模糊聚類。該分析方法在實際工程中已經有了廣泛的應用。田華、尚建麗[2]運用模糊聚類分析的數學理論與混凝土復合材料的特點對比分析，得出兩者具有一定適用性，從而可以采用模糊聚類分析法進行預拌混凝土高性能化的質量控制工作。

本文也將采用模糊聚類這種方法，以香港洋浦成品油保稅庫工程為例，對儲罐下強夯地基土的指標進行分類評價，為儲罐基礎的沉降趨勢預測提供參考。通過比較實測的罐基礎沉降數據與按模糊聚類方法得到的場地土類別，重點討論夯后地基土分類所需的樣本屬性個數、以及選取的樣本屬性指標對于預測罐基礎沉降趨勢的合理性。

1 工程實例

1.1 工程地質概述

中石化香港洋浦成品油保稅庫庫區位于海南省洋浦開發區西北側，擬建建（構）筑物為成品油罐區，包括9個50 000 m3油罐、15個30 000 m3油罐，以及相應配套設施。

場地分為挖方區和填方區兩大區域。填方區素填土采用的挖方區的土方料，主要以黏性土和中粗砂為主，黏性土的黏聚性已顯著降低甚至完全消失，孔隙比大，還含有少量巖塊，巖塊粒徑約10 ～ 30 cm，巖塊強度較高，偶見植物根系，個別鉆孔底部夾中風化玄武巖塊石。該層素填土的回填時間短，壓縮性高，承載力低，回填時未經統一壓實處理，均勻性差，層厚1.20 ～ 11.80 m。素填土下為全風化-強風化基巖面，地基處理深度為10 m至基巖。

經過技術經濟比較，決定對填方區采用8 000 kN·m 能級強夯處理，要求夯后地基承載力標準值達到250 kPa，壓縮模量不低于13 MPa。

表1 地基靜載試驗結果匯總Tab.1 Summary table of foundation static load test results

1.2 夯后檢測方法描述

本罐區強夯地基檢測內容：夯后平板靜載試驗、鉆孔標貫試驗、重型動力觸探試驗。以120-TK-105罐為例，其對應的夯后檢測點的布置情況，見圖1；罐基礎下地基土的勘探點平面布置圖，見圖2；其工程地質剖面圖，見圖3。

圖1 檢測點布置圖Fig.1 Layout of test point

圖2 勘探點平面布置圖Fig.2 Layout plan of the exploration points

圖3 工程地質剖面圖Fig.3 Engineering geological profile drawing

本儲罐位于基巖突變處（陸海域交界處），為消除儲罐基礎的不均勻沉降及傾斜，將罐底部地基強夯處理范圍（φ72 m）內標高3.500 m以上的巖石挖除，用場地同類型填土分層（1 mm厚）機械碾壓或動力夯實至場地標高。

平板靜載荷試驗的結果顯示4 個點地基承載力特征值均≥250 kPa，壓縮模量≥13 MPa，滿足設計要求。為進一步對深部土體的承載力特性進行評價，本次檢測中還采用動力觸探試驗和標準貫入試驗的方法。

重型動力觸探曲線顯示：在素填土層深度范圍內動探擊數變化較大，2.0 ～ 22.5 擊。夯后有4 個動探點（D2、D3、D10、D13）在不同深度段存在較低動探擊數。表明這4個檢測點在不同深度存在相對松軟段，各點具體松軟段的深度范圍和檢測數據詳見表2。

表2 強夯后存在較低動探擊數檢測點統計Tab.2 There is a statistical table of low dynamic detection points after strong compaction

在動探軟弱點附近進行標準貫入試驗擴檢（3個點），鉆孔深度為 5.0 ～ 9.0 m，每米標貫1次。擴檢有4個標貫試驗點在不同深度存在較低標貫擊數，B2試驗點 3.0 ～ 5.0 m平均標貫擊數為11擊，B3 試驗點1.0 ～ 5.0 m標貫擊數為10.7擊，B7 試驗點4.0 ～ 5.0 m平均標貫擊數為 9.7擊。

除存在相對松軟段的檢測點以外，其他區域的原位測試結果分段匯總如表3所示。

表3 夯后整體(相對松軟區除外) 動探結果匯總Tab.3 Summary table of foundation static load test results after strong compaction

綜上所述，罐基礎下地基土分布存在不均勻的現象。傳統檢測結果有一定的分散性，故采用模糊聚類方法，對獲得的所有測點土性指標和分布區域進行聚類歸并后，得出按不同平面區域分布的場地土類別。

1.3 樣本指標屬性確定

模糊聚類分析的關鍵是根據研究對象本身的各種性質確定樣本指標屬性，樣本指標屬性的確定應能充分反映對象屬性特征[3]。

針對罐體結構自重輕、剛度小，對地基基礎沉降變形比較敏感的特點，檢測結果指標的應用最終需要反映到地基基礎的變形上面。

由《鋼制儲罐地基基礎設計規范》可知，地基沉降量可采用分層總和法進行計算，由于各測點至下伏硬層的深度范圍內只有素填土一種土，故與地基變形相關的參數主要有罐基礎下第①層素填土的平均附加壓力p01、罐基礎下第①層素填土的壓縮模量Es1和第①層素填土的厚度H1。由于本工程中罐基礎直徑要遠大于壓縮土層厚度，應力擴散作用幾乎可以忽略，則第①層素填土層的平均附加壓力p01、罐基礎下第①層素填土的壓縮模量Es1和第①層素填土的厚度H1。由于本工程中罐基礎直徑要遠大于壓縮土層厚度，應力擴散作用幾乎可以忽略，則第①層素填土層的平均附加應力即為基地壓力P0，而罐基礎內部大部分點的基地壓力P0是相同的。所以，素填土層壓縮模量Es1和素填土層的厚度H1可直接作為土性指標進行劃分。

本工程在采用重型動力觸探試驗和標準貫入試驗進行檢測時，檢測深度H在進入下伏基巖層則停止，故可通過檢測深度H直接得到素填土層的厚度H1。于是，檢測深度H可代替素填土層的厚度H1作為一個樣本指標。

通過動力觸探試驗可獲得地基土的物理力學性質指標，經過試驗對比和相關分析，可獲得變形指標參數Es1。同時，動力觸探試驗是一種在地層中可以從上至下連續貫入的測試方法，每個觸探點的試驗曲線可反映出地層在豎向上的變化規律，故可直接取各測點下動力觸探擊數平均值N63.5來代替素填土層壓縮模量Es1作為一個樣本指標。同理，也可取各測點下標準貫入擊數平均值N作為另一個樣本指標。下面列出以全部8個檢測點結果進行聚類的樣本數據，見表4。

表4 樣本數據列Tab.4 List with sample data

2 聚類歸并

根據表1數據列表可以構造出樣本數n= 8、屬性指標數m= 2的數據矩陣[X]8×2，經正規化處理和相似性定義，得到模糊相似矩陣R～，由模糊相似矩陣可構造出模糊等價矩陣R～2k。有了模糊等價矩陣，就可以根據不同的置信度λ截取模糊等價關系，對樣本進行合理歸并。以不同的λ進行試算，可得到各檢測點樣本的聚類結果，見表5。

表5 不同λ下樣本聚類結果Tab.5 Clustering results of sample in different λ

3 結果分析

從表5可以看出，λ的大小反映了樣本間的相似程度。隨著置信度λ取值的不斷增大，所有檢測點反映出的土性變形特性差異越來越大。具體地說，當置信度λ取值小于0.70時，所有檢測點反映出的土性變形特性趨于相似；當置信度λ取不小于0.90時，則8個樣本代表了6種完全不相似的土性變形特性，故選取了λ= 0.85對土性指標做出分類，根據檢測點數據按測點位置分類歸并后的結果見圖4。

圖4 地基變形特性分類歸并示意Fig.4 Classification and merge for foundation deformation

在置信度λ= 0.85的水平上，分類歸并數為五類。五個類別分別對應觸探深度H內重型動力觸探平均擊數N63.5的加權平均值，分別為12.4、8.4、10.4、18.8、19.0。從局部范圍地基變形的角度來看，可能發生的地基壓縮變形量從大到小依次為：類別2→類別3→類別1→類別4→類別5。

120-TK-105罐建成后進行了充水預壓，充水加載高度為18.17米，歷時15天，罐基礎環墻圓周按24個等距（中心夾角θ= 360°/24 = 15°）實測沉降S分別按Sx=S·Sinθ、Sy=S·Cosθ在X軸和Y軸平面展開，見圖5。

圖5 罐基礎實測沉降Fig.5 The measured settlement for storage tanks subgrade

4 結束語

本文結合工程實例，對在素填土場地上采用強夯地基處理后，夯后地基土分層很不規律，工程檢測數據之間比較離散，難以合理評價地基處理效果和預測罐基礎沉降趨勢這一問題，采用模糊聚類方法對夯后地基土做了分類，預測罐基礎沉降趨勢。

通過比較實測的罐基礎沉降數據與按模糊聚類方法得到的場地土類別，可以看到選取合理的樣本屬性指標對于準確預測罐基礎沉降趨勢的重要性。本文以揭示罐基礎沉降變形趨勢為目的，選取了具有一定代表性的土性指標作為樣本屬性，找到具有一定相似變形特性的土的分布規律，合理預測了罐基礎沉降。