关于罐基础沉降趋势预测中聚类属性指标取值合理性的探讨

杨青

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

通常情况，大型储罐区的填土场地条件相对复杂，素填土的平面分布和厚度受原始地形起伏的影响，填料及形成过程有所不同，使素填土的工程性质差别很大。

针对上述情况，在填土场地上修建储罐时，设计中须考虑地基的变形和稳定问题，需进行地基处理。近年来，强夯地基处理技术已普遍应用于大型储罐地基处理工程中。但是，夯后地基土分层往往很不规律[1]。同时，对于夯后地基处理效果的工程检测也存在不足之处。一般工程检测仅给出了土层空间上具体的某一点的数据，即使数据足够多，也只能以常规“经验”来评价，缺乏必要的理论依据，这就涉及到寻找一种能应用于指导工程实践的基础数学理论的问题。

数学上有一种按照样本彼此相近程度进行分类的理论称为模糊聚类。该分析方法在实际工程中已经有了广泛的应用。田华、尚建丽[2]运用模糊聚类分析的数学理论与混凝土复合材料的特点对比分析，得出两者具有一定适用性，从而可以采用模糊聚类分析法进行预拌混凝土高性能化的质量控制工作。

本文也将采用模糊聚类这种方法，以香港洋浦成品油保税库工程为例，对储罐下强夯地基土的指标进行分类评价，为储罐基础的沉降趋势预测提供参考。通过比较实测的罐基础沉降数据与按模糊聚类方法得到的场地土类别，重点讨论夯后地基土分类所需的样本属性个数、以及选取的样本属性指标对于预测罐基础沉降趋势的合理性。

1 工程实例

1.1 工程地质概述

中石化香港洋浦成品油保税库库区位于海南省洋浦开发区西北侧，拟建建（构）筑物为成品油罐区，包括9个50 000 m3油罐、15个30 000 m3油罐，以及相应配套设施。

场地分为挖方区和填方区两大区域。填方区素填土采用的挖方区的土方料，主要以黏性土和中粗砂为主，黏性土的黏聚性已显著降低甚至完全消失，孔隙比大，还含有少量岩块，岩块粒径约10 ～ 30 cm，岩块强度较高，偶见植物根系，个别钻孔底部夹中风化玄武岩块石。该层素填土的回填时间短，压缩性高，承载力低，回填时未经统一压实处理，均匀性差，层厚1.20 ～ 11.80 m。素填土下为全风化-强风化基岩面，地基处理深度为10 m至基岩。

经过技术经济比较，决定对填方区采用8 000 kN·m 能级强夯处理，要求夯后地基承载力标准值达到250 kPa，压缩模量不低于13 MPa。

表1 地基静载试验结果汇总Tab.1 Summary table of foundation static load test results

1.2 夯后检测方法描述

本罐区强夯地基检测内容：夯后平板静载试验、钻孔标贯试验、重型动力触探试验。以120-TK-105罐为例，其对应的夯后检测点的布置情况，见图1；罐基础下地基土的勘探点平面布置图，见图2；其工程地质剖面图，见图3。

图1 检测点布置图Fig.1 Layout of test point

图2 勘探点平面布置图Fig.2 Layout plan of the exploration points

图3 工程地质剖面图Fig.3 Engineering geological profile drawing

本储罐位于基岩突变处（陆海域交界处），为消除储罐基础的不均匀沉降及倾斜，将罐底部地基强夯处理范围（φ72 m）内标高3.500 m以上的岩石挖除，用场地同类型填土分层（1 mm厚）机械碾压或动力夯实至场地标高。

平板静载荷试验的结果显示4 个点地基承载力特征值均≥250 kPa，压缩模量≥13 MPa，满足设计要求。为进一步对深部土体的承载力特性进行评价，本次检测中还采用动力触探试验和标准贯入试验的方法。

重型动力触探曲线显示：在素填土层深度范围内动探击数变化较大，2.0 ～ 22.5 击。夯后有4 个动探点（D2、D3、D10、D13）在不同深度段存在较低动探击数。表明这4个检测点在不同深度存在相对松软段，各点具体松软段的深度范围和检测数据详见表2。

表2 强夯后存在较低动探击数检测点统计Tab.2 There is a statistical table of low dynamic detection points after strong compaction

在动探软弱点附近进行标准贯入试验扩检（3个点），钻孔深度为 5.0 ～ 9.0 m，每米标贯1次。扩检有4个标贯试验点在不同深度存在较低标贯击数，B2试验点 3.0 ～ 5.0 m平均标贯击数为11击，B3 试验点1.0 ～ 5.0 m标贯击数为10.7击，B7 试验点4.0 ～ 5.0 m平均标贯击数为 9.7击。

除存在相对松软段的检测点以外，其他区域的原位测试结果分段汇总如表3所示。

表3 夯后整体(相对松软区除外) 动探结果汇总Tab.3 Summary table of foundation static load test results after strong compaction

综上所述，罐基础下地基土分布存在不均匀的现象。传统检测结果有一定的分散性，故采用模糊聚类方法，对获得的所有测点土性指标和分布区域进行聚类归并后，得出按不同平面区域分布的场地土类别。

1.3 样本指标属性确定

模糊聚类分析的关键是根据研究对象本身的各种性质确定样本指标属性，样本指标属性的确定应能充分反映对象属性特征[3]。

针对罐体结构自重轻、刚度小，对地基基础沉降变形比较敏感的特点，检测结果指标的应用最终需要反映到地基基础的变形上面。

由《钢制储罐地基基础设计规范》可知，地基沉降量可采用分层总和法进行计算，由于各测点至下伏硬层的深度范围内只有素填土一种土，故与地基变形相关的参数主要有罐基础下第①层素填土的平均附加压力p01、罐基础下第①层素填土的压缩模量Es1和第①层素填土的厚度H1。由于本工程中罐基础直径要远大于压缩土层厚度，应力扩散作用几乎可以忽略，则第①层素填土层的平均附加压力p01、罐基础下第①层素填土的压缩模量Es1和第①层素填土的厚度H1。由于本工程中罐基础直径要远大于压缩土层厚度，应力扩散作用几乎可以忽略，则第①层素填土层的平均附加应力即为基地压力P0，而罐基础内部大部分点的基地压力P0是相同的。所以，素填土层压缩模量Es1和素填土层的厚度H1可直接作为土性指标进行划分。

本工程在采用重型动力触探试验和标准贯入试验进行检测时，检测深度H在进入下伏基岩层则停止，故可通过检测深度H直接得到素填土层的厚度H1。于是，检测深度H可代替素填土层的厚度H1作为一个样本指标。

通过动力触探试验可获得地基土的物理力学性质指标，经过试验对比和相关分析，可获得变形指标参数Es1。同时，动力触探试验是一种在地层中可以从上至下连续贯入的测试方法，每个触探点的试验曲线可反映出地层在竖向上的变化规律，故可直接取各测点下动力触探击数平均值N63.5来代替素填土层压缩模量Es1作为一个样本指标。同理，也可取各测点下标准贯入击数平均值N作为另一个样本指标。下面列出以全部8个检测点结果进行聚类的样本数据，见表4。

表4 样本数据列Tab.4 List with sample data

2 聚类归并

根据表1数据列表可以构造出样本数n= 8、属性指标数m= 2的数据矩阵[X]8×2，经正规化处理和相似性定义，得到模糊相似矩阵R～，由模糊相似矩阵可构造出模糊等价矩阵R～2k。有了模糊等价矩阵，就可以根据不同的置信度λ截取模糊等价关系，对样本进行合理归并。以不同的λ进行试算，可得到各检测点样本的聚类结果，见表5。

表5 不同λ下样本聚类结果Tab.5 Clustering results of sample in different λ

3 结果分析

从表5可以看出，λ的大小反映了样本间的相似程度。随着置信度λ取值的不断增大，所有检测点反映出的土性变形特性差异越来越大。具体地说，当置信度λ取值小于0.70时，所有检测点反映出的土性变形特性趋于相似；当置信度λ取不小于0.90时，则8个样本代表了6种完全不相似的土性变形特性，故选取了λ= 0.85对土性指标做出分类，根据检测点数据按测点位置分类归并后的结果见图4。

图4 地基变形特性分类归并示意Fig.4 Classification and merge for foundation deformation

在置信度λ= 0.85的水平上，分类归并数为五类。五个类别分别对应触探深度H内重型动力触探平均击数N63.5的加权平均值，分别为12.4、8.4、10.4、18.8、19.0。从局部范围地基变形的角度来看，可能发生的地基压缩变形量从大到小依次为：类别2→类别3→类别1→类别4→类别5。

120-TK-105罐建成后进行了充水预压，充水加载高度为18.17米，历时15天，罐基础环墙圆周按24个等距（中心夹角θ= 360°/24 = 15°）实测沉降S分别按Sx=S·Sinθ、Sy=S·Cosθ在X轴和Y轴平面展开，见图5。

图5 罐基础实测沉降Fig.5 The measured settlement for storage tanks subgrade

4 结束语

本文结合工程实例，对在素填土场地上采用强夯地基处理后，夯后地基土分层很不规律，工程检测数据之间比较离散，难以合理评价地基处理效果和预测罐基础沉降趋势这一问题，采用模糊聚类方法对夯后地基土做了分类，预测罐基础沉降趋势。

通过比较实测的罐基础沉降数据与按模糊聚类方法得到的场地土类别，可以看到选取合理的样本属性指标对于准确预测罐基础沉降趋势的重要性。本文以揭示罐基础沉降变形趋势为目的，选取了具有一定代表性的土性指标作为样本属性，找到具有一定相似变形特性的土的分布规律，合理预测了罐基础沉降。