大型群桩基础应力影响深度试验研究

华卫君，李高山

（浙江省工程勘察院，浙江 宁波 315012）

0 引言

中石化某炼化公司位于杭州湾南岸的滨海淤积平原上，频临东海之滨，场地浅部地基土以海相沉积的淤泥质土为主，物理力学性质差，抗剪强度低，压缩性高，承载力小，浅基础天然地基难以满足大中型油罐的设计要求，必须进行地基加固处理。

在一期工程中，该公司首先采用了砂井堆载预压法（油罐充水预压）处理10 000 m3油罐地基，取得了良好的技术效果和社会经济效益，并成为一项成功的范例在国内其它地区加以推广应用。但砂井排水固结法存在施工周期长、沉降变形大、稳定慢、容易发生不均匀沉降等缺点，所以在宁波镇海地区未能得到进一步的推广和应用。

在之后的油罐地基处理中，多数采用了打入预制方桩基础，不仅大大缩短了施工周期，而且基础沉降量也大为减小，唯一的不足之处是造价比较高。

为此，该公司引进了一种技术可靠，施工速度快，又经济合理的预应力薄壁管桩新工艺，并以5 000 m3废碱液罐为对象进行了一系列的试验和研究。

1 工程概况

新建的5 000 m3罐体为钢质立式圆筒形拱顶罐，罐体直径为23.652 m，罐壁高度为12.5 m，采用钢筋混凝土承台板加桩基础，桩型为预应力混凝土薄壁管桩，桩径为φ400 mm，桩长为18.5 m（由8.5m和10.0m二节桩电焊焊接而成），设计桩顶标高为3.15 m，共布置76根桩。

选择3-1层中密状粉砂作为桩端持力层，桩基承台板厚为500 mm，承台的直径为24.102 m，环墙的高度为1 000mm，环墙内充填中粗砂和碎石。当充水满载时，承台板下的基底压力约为136 kPa。

2 地基土工程地质特征

工程场地系由海涂地围垦造陆而形成，为典型的海相软土地基，根据勘察资料显示，42m以下浅土体共可划分为12个工程地质层，各土层的岩性特征及其物理力学性质指标见表1[1]。

表1 地基土物理力学性质指标一览表Table1 Physicalmechanicalproperties index of the foundation soil

3 桩基压缩层影响深度试验

3.1 孔隙水压力计的布设

关于地基压缩层深度问题，在工程学术界中争论比较大[2-5]，尤其对于刚度较好的大型油罐桩基础地基，其压缩层的深度业内还未形成统一的认识，为此本课题分别在罐中心和罐周边桩端以下的地基土中埋设了钢弦式孔隙水压力计以便对地基孔隙水压力进行测试，其平面位置见图1。

图1 孔隙水压力计埋设平面位置图（单位：mm）Fig.1 Laying location of the porewater pressure gauge（mm）

3.2 孔隙水压力计的测试与分析

为减小锤击沉桩挤土效应产生的超孔隙水压力对测试的影响，在桩基施工结束约15 d后进行孔隙水压力的埋设，其埋置竖向分布图见表2。

表2 孔隙水压力计埋置深度表Table 2 Laying depth of the porewater pressuregauge

根据基础施工、罐体施工以及充水试验和放水阶段等不同时期、不同荷载条件、不同位置以及不同埋置深度处的各孔隙水压力计所实测的孔隙水压力值绘制相关曲线，详见图3、图4、图5。

图3显示，在天然条件下，罐体下部地基土孔隙水压力随深度的增加而增大，呈现出明显的线性增长趋势，这与地基土自重压力随深度增长曲线的线型是基本一致的。

图3 罐基施工前孔隙水压力随深度变化曲线图Fig.3 Changing curvesof the porewater pressurew ith depth before tank construction

图4 充水试验阶段孔隙水压力随深度变化曲线Fig.4 Changing curvesof the porewater pressurew ith depth in water filling teststage

图5 充水试验阶段孔隙水压力随时间变化曲线Fig.5 Changing curvesof the porewater pressurew ith time in water filling teststage

图4 、图5为试验罐体充水试验阶段地基土中孔隙水压力随深度和时间的变化曲线。从图4中可以看到，随着充水高度的增加，地基中附加应力逐渐增大，孔隙水压力也随之逐渐升高，但其提高幅度却随深度的增加而减少，增幅当充水停止或放水卸荷时，孔隙水压力则逐渐消散。同时还发现，埋设深度最浅的6166号和6204号二支孔隙水压力计，其数值变化不明显，整个监测阶段，最大变化幅度仅为1.9%，这是因为这二支孔压计距上部砂层（③2层）较近，仅为0.6 m，渗透性好，排水途径短，而且④1a层粉粒含量也较高，渗透性较下部几层黏性土层要大，排水条件相对也较好，孔隙水压力易于消散，因此在注水引起附加应力的作用下，其变化幅度较小。而注水过程中深度H=28～34m孔隙水压力增幅呈逐步降低趋势，由H=28 m处的6.1%降至H=37 m处的0.7%，从增量看，孔隙水压力数值由H=28 m处的16.8 kPa降至H=37 m处的2.4 kPa。监测数据表明在H=37m（即桩端下18.5m）处，由桩端附加应力引起的孔隙水压力的增量已基本可忽略不计。根据土体有效应力原理，土体主固结沉降主要是孔隙水压力的消散引起有效应力的增加，附加应力由土体有效应力和超静孔隙水压力承担，即有效应力与超静孔隙水压力呈同步增长趋势。由此土体沉降主要是桩端下18.5m范围内黏性土的主固结沉降，大于桩端下18.5 m深度的黏性土由于孔隙水压力增幅极小，表明注水过程中土体受到的附加压力的影响亦不明显，因此，在沉降计算过程中，桩端下约18m深度下的土体变形可忽略不计。在此条件下，压缩层沉降计算厚度相当于油罐圆形基础直径的0.75倍。

图5表明，罐中心的实测孔隙水压力增量要比罐周边大，同时罐中心37m深度处的孔隙水压力增量很小（2.4 kPa），仅占28 m深度处孔隙水压力增量的14%。因此，37 m以下土体所受的附加应力很小，这也说明在沉降计算时，该深度以下的土体变形可以忽略不计。

图6为充水满载时孔隙水压力增量随深度变化曲线图，可见，在试验罐体满载条件下，除深度24m处的测点因孔隙水压力消散快而变化不明显外，其余各测点的变化规律性均较强，即孔隙水压力的增量随深度的增加而减少。依据土力学理论，地基土在上部结构荷载作用下，土中附加应力也是随深度的增加而递减的，这与本次孔隙水压力计的实测结果基本吻合。

4 结语

孔隙水压力计的实测资料分析表明：

1）在天然条件下，地基土中的孔隙水压力随深度的增加而增大。

2）在上部结构的附加压力作用下，地基中的孔隙水压力增量随深度的增加而减少，且其变化曲线在深度（自桩端算起）0.75B（B为基础宽度）处就基本收敛了，由此桩基沉降计算深度可选择在0.75B范围之内。

图6 充水满载时孔隙水压力增量随深度变化曲线Fig.6 Changing curvesof the increment in porewater pressurew ith depth in fullwater stage

[1] 华卫君.镇海石油化工总厂5 000m3废碱液罐地基处理试验研究报告[R].宁波：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.基础工程分析与设计[M].唐念慈，译.北京：中国建筑工业出版社，1987.POULOS JE.Analysis and design of foundation engineering[M].TANGNian-ci,translation.Beijing:China Architecture&Building Press,1987.

[3]李广信.静孔隙水压力与超静孔隙水压力——兼与陈愈炯先生探讨[J].岩土工程学报，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] 唐世栋，何连生，傅纵.软土地基中单桩施工引起的超静孔隙水压力[J].岩土力学，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]孟锦伟.软土中桩基施工引起的超孔隙水压力[J].科技资讯，2007（10）：218.MENG Jin-wei.Excess pore water pressure in pile foundation construction ofsoftsoil[J].Science&Technology Information,2007(10):218.