大型储罐振冲碎石桩地基设计及有限元分析

陈华裕

（茂名瑞派石化工程有限公司，广东 茂名 525000）

随着社会经济的发展，石化能源在生产中越来越重要。为了能够满足石化能源的日常用量需求，城市内及城市周边的石化能源站点都需要配置大型储罐，以增加石化能源的储备量。大型储罐的安全可靠安装，需要有效的地基结构配置。一方面，大型储罐因罐内储液量大、罐体较高，会造成更大的应力和载荷。另一方面，城市内或城市周边地区的土质结构具有特殊性，或为软土土质或具有碎土性质。这两方面的问题，都会导致大型储罐的地基结构有更高的设计要求。基于振冲碎石桩的地基构造技术，已经在很多大型工程项目的地基处理中得到了应用，其对大型储罐区的地基处理也有较好的技术针对性。该文以大型储罐地基处理为研究对象，对其进行振冲碎石桩地基设计，并通过有限元分析证明其合理性。

1 振冲碎石桩地基的建造工艺

振冲碎石桩地基处理技术已经在很多大型工程项目中加以运用，为了使其更好地应用于该文大型储罐的地基建造，首先对其常规建造工艺进行分析。

1.1 所需的装置和设备

振冲碎石桩地基建造的核心设备是振冲器，同时还要配套使用其他辅助设备，包括吊车、供排水装置等。振冲器的主要作用是完成地基孔并在孔内完成碎石制桩，目前比较常用的振冲器，制桩的直径为1m。振冲器在工作的过程中，同时发生水平方向振动和垂直方向振动，但水平方向振动远远高于垂直方向振动，水平方向上的振动强度可以达到垂直方向上振动强度的5 倍左右。振冲器完成振动的过程中，要配套冲水处理。通过振动和冲水的配合，钻孔区域内的土质被卷带到地面上。从构造上看，振冲器一般包括5 个主要部分：1）构件一，振动器。2）构件二，电动机。3）构件三，冲水管。4）构件四，导水管。5）构件五，减振器。从工作过程上看，振冲器内的电动机开始转动，进而带动振动器内的偏心部件按照既定的规律动作，从而产生离心力带动孔内土质排出。振冲器工作过程中产生的振冲力，计算如下。

=（1）

式中：参数为振冲力，参数为偏心部件的质量，参数为偏心距，参数为电动机转动的角速度。

1.2 建造的原则

振冲碎石桩地基的建造，一般遵循4 个建造原则：原则一，由内而外原则；原则二，由一侧到另一侧原则；原则三，间隔制桩原则；原则四，逐渐远离建筑物原则。

1.3 建造的流程

振冲碎石桩地基的建造一般按照试桩、定位、打孔、清孔以及振冲夯实的步骤完成整个建造流程。

试桩是地基建造过程的第一个步骤，也可以看作是一个准备环节。通过试桩，可以判断制桩区是否满足振冲碎石桩地基的建造需求。如果制桩区土质有一定特殊性，需要进行何种方案的加固处理等。定位是在整个制桩区明确每个碎石桩的制备位置，并按照网格标记法进行标注。打孔是制桩的第一个实施步骤，为防止桩体倾斜，必须在振动器达到额定转速以后才下放整个设备，并且要保持慢速下放。打孔期间，对设备的电压参数、水压参数要实时记录。清孔就是为了清理桩孔内的泥土，和打孔同步进行，打孔每到一定深度，就反复提升设备数次，以保证孔内泥土排出。振冲夯实是将碎石不断压入桩体区域，在夯实的初始阶段，振冲器水平方向的振动力大于土体的约束力，碎石不断被压入同时桩体直径不断扩大，随着碎石压入量不断地增加，土体约束力逐步增大直至和振冲器水平方向的振动力相等，碎石无法压入、桩体直径无法扩大，夯实环节的工作完成。

2 某商业储备库项目中大型储罐的振冲碎石桩地基设计

2.1 某商业储备库项目概况及土质条件

某商业储备库项目位于沿海地区，地势较低但较为开阔，地质为水洼地土质为软土土质，整个项目区域平均海拔只有7.15 m。根据该项目甲方要求，振冲碎石桩地基建造完成后，应承担来自大型储罐的最大压强为230 kPa。地基建造区域的土质条件可以划分为比较明确的7 层，各层相关参数见表1。

表1 地基建造区域土质条件参数表

2.2 振冲碎石桩平面布局设计

考虑到该项目制桩区域的土层性质，采用等多边型密集排布制桩，以确保地基的牢固程度和可承载压强。因为储罐罐体较大且为圆形，所以此处采取等六边形由内而外逐步放大的平面布局完成振冲碎石桩排列。为了确保地基承载的有效性，地基区域比实际储罐罐体区域外延3m 以增加安全性。

2.3 振冲碎石桩桩间距离的设计计算

实际制桩区域和桩间排布方式确定后，最关键的就是设定合理的桩间距离。桩间距离过小，可能出现桩间黏连、串桩等问题。桩间距离过大，则无法形成碎石和土层的有效置换，导致桩间紧密程度下降、桩体承载能力下降、地基无法达到承载要求。大型储罐的地基承载力标值，计算如下。

式中：f为大型储罐对地基要求的承载力特征值；为碎石桩之间的土质承载力特征值；参数为单位面积上的置换率；为碎石桩和土层之间的应力比。

根据该工程项目的甲方要求，可知f的大小为230kPa。结合制桩区的实际土层情况，取值设定为4。

参数的计算如下。

“结构力噪声”的噪声声源一般是机械工程的大功率发动机，细分可根据噪声产生机理不同分为燃烧噪声与机械噪声。其中燃烧噪声是在燃料在活塞缸内燃烧放出大量热能使得气体体积迅速膨胀发生爆炸冲击活塞缸及其周遭部件产生噪声。机械噪声则是在发动机正常进行运转时，发动机内部零件之间存在空隙相互碰撞导致振动继而引起发动机外壳表面辐射出噪音。

式中：f为第层土层可承受的压力，h为第层土层的厚度，将表1 中各层数据的均值作为对应数据代入公式（3），可以计算出=127.61kPa，再将其代入公式（2），可以计算出=0.28。

根据单位面积的置换率计算公式，得出式（4）。

式中：为所有碎石桩的平均直径大小，d为单根碎石桩的等效直径大小。

该文中的等效直径和桩间距离满足以下关系，如公式（5）所示。

从而可以得出该文研究中碎石桩桩间距离=1.92m。

3 大型储罐的振冲碎石桩地基设计结果有限元分析

为了验证该文采用的振冲碎石桩地基建造方法对某商业储备库工程中大型储罐安全使用的有效性，进一步进行研究，并进行有限元分析。

3.1 地基碎石桩平面排布的设计结果

首先，给出按照该文方法设计出的该工程大型储罐地基区域碎石桩排布的平面图，结果如图1 所示。

图1 某商业储备库工程大型储罐地基区域碎石桩排布平面图

从图1 中可以看出，碎石桩从大型储罐罐体安放位置的中心区域开始，设置了每边长有9 个碎石桩的等六边形，然后以此区域为核心逐步向外围扩展。图1 中的圆环线为大型储罐罐体的实际边界，为了地基的稳固和罐体安放安全性，碎石桩又向外进行了延伸。

3.2 变形网格有限元分析结果

接下来通过有限元分析观察大型储罐罐体边缘区域及周边土层的变形情况，变形网格图的有限元分析结果如图2 所示。

图2 变形网格图的有限元分析结果

图2 中，左上方是大型储罐的边缘和土层的接触区，因为储罐内储存介质荷载较大，导致垂直方向上各层土质均受到明显的载荷挤压。虽然振冲碎石桩的密集排布，极大地抵制了载荷的破坏作用，但与罐体接触区域及临近土层仍然有一定程度的变形。除了垂直方向上的变形，载荷导致的挤压也会形成横向即水平方向上临近桩间土一定程度的变形。但因为外延碎石桩的配置，有效地抵御了土层的隆起。

3.3 应力分布有限元分析结果

根据变形网格的有限元分析结果，进一步测试对应区域的应力分布有限元分析结果，如图3 所示。

从图3 中可以看出，左上方碎石桩及周边土与大型储罐罐体接触的区域，仍然是应力最密集的区域。除了这一部分区域外，罐体外延部分的浅表土层区域应力分布较为稀疏，深层区域的应力分布较为密集。

图3 应力分布有限元分析结果

3.4 垂直位移有限元分析结果

根据变形及应力分布的有限元分析结果，进一步观察垂直方向上地基位移的有限元分析结果，如图4 所示。

从图4 中可以看出，左上方碎石桩及周边土与大型储罐罐体接触的区域，是垂直方向上位移变化最大的区域，越是远离这一区域，无论是水平方向上还是垂直方向上的位移都会大为减少。

图4 垂直方向上地基位移的有限元分析结果

3.5 剪应力分布有限元分析结果

根据变形及应力分布的有限元分析结果，进一步观察剪应力的有限元分析结果，如图5 所示。

图5 剪应力的有限元分析结果

从图5 中可以看出，左上方碎石桩及周边土与大型储罐罐体接触的区域，是剪应力变化最大的区域，越是远离这一区域，无论是水平方向上还是垂直方向上的剪应力都会降低。同时，剪应力分布沿着垂直方向上有明显的分层效果。

4 结论

大型储罐因为存储液位高、荷载重，对地基建造有更严格的要求。该文采用振冲碎石桩地基处理技术对某商业储备库工程项目的大型储罐进行地基设计。首先，介绍了振冲碎石桩地基设计的原则、流程以及所需的设备。其次，针对该工程项目进行土层土质分析，并进行了碎石桩水平布局设计和桩间距离设计。最后，采用有限元方法分别对设计出的地基进行变形网格、应力分布、垂直位移、剪应力分布等分析。结果表明，该文设计出的振冲碎石桩地基满足大型储罐的使用要求。