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大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析

作　者: 李鹏
导　师: 刘红军
学　校: 中国海洋大学
专　业: 环境工程
关键词: 碎石桩有限元数值分析差异沉降破坏变形
分类号: TE972.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在油罐基础设计过程中,如果对油罐基础变形估计不足,小则造成工程构筑物开裂影响使用效果,大则引发倾倒等严重工程事故造成巨大的经济损失。不少实例表明,各种地基处理方法可以成功地解决储罐基础的不均匀沉降问题,其中,采用振冲碎石桩加固油罐地基,应结合充水预压加固方法进行,以充分发挥碎石桩排水作用与油灌在使用前可以进行充水预压这一特点,这样既可降低地基加固处理费用,又能消除地基固结沉降,是一种经济合理的油罐地基加固方法。因此大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析是既有理论意义又有工程价值。本文结合阿尔及利亚SKIKADA炼油厂大型储罐软基进行振冲碎石桩与充水预压联合加固处理的现场试验,以系统控制油罐的变形为主要研究目标,采用大型有限元Plaxis程序,建立大型油罐碎石桩地基的二维有限元模型,利用轴对称有限元方法进行数值模拟和计算,研究不同桩长的分布范围、长度；置换率不变时,桩径或桩间距的变化；桩径、桩间距引起的置换率变化；褥垫长度等参数对差异沉降的影响。横向对比各参数对差异沉降的影响效果,分析负向侧向位移与差异沉降的关系,藉以探讨减少差异沉降最优办法。同时,对碎石桩破坏变形,包括刺入、侧向膨胀、整体变形进行有限元数值分析,研究碎石桩复合地基变形破坏特征。并将有限元数值分析结果与现场监测值对比分析。最后,对加固检测效果经行评价；通过对油罐地基地表土与深层土变形的长期观测,取得了大量的原始数据；研究充水预压加固过程中油罐地基的变形特性,论述了地基地表土深层土、油罐地基的平面倾斜与非平面倾斜及环墙摇摆下沉特性；并对油罐地基沉降进行了分析。主要得出以下结论：(1)在一般的工程设计中,建议对于二维数值计算,可以采用圆环来简化仿真油罐碎石桩基础。(2)油罐地基差异沉降随着不同桩长分布范围产生变化,其中,在长桩：Om-0.33D,中桩：0.33D-0.39D或0.33D-0.42D(D-油罐直径)处形成一极小值；油罐中心范围内复合地基,通过固定桩径不变,减小桩间距来增大置换率,可使复合地基在相对较小的置换率条件下获得更小的差异沉降；油罐中心范围内复合地基,置换率一定时,桩径越大(同时桩间距也就越疏),碎石桩地基的差异沉降也就越小；随着桩径越来越大,差异沉降的增幅也越来越小；褥垫层的布置率为油罐底面积的60%时,差异沉降达到最小值；不同差异沉降调整方法对比发现,通过调整长桩分布、置换率可以很好的降低地基差异沉降,而改变褥垫层的效果不是十分明显；油罐地基负向侧向位移的出现是差异沉降调整的一个重要特征。(3)在不同垫层模量下,存在碎石桩桩体刺入垫层；并且,随着垫层模量的增大,碎石桩桩体刺入量也越来越小；距离桩顶以下一定距离内,碎石桩和桩间土的竖向沉降量趋于一致,不存在沉降差的问题。垫层模量的变化对桩顶上刺量的影响较大,垫层模量越大,桩顶上刺量越小。随着地基刚度变小、荷载变小或者置换率变小,产生侧向膨胀的范围会逐渐变大；但是,无论各因素如何变化,相应侧向膨胀的最大值都位于地面以下恒定深度(本例深度为2.5m)；(4)振动水冲碎石桩施工对于砂土起到振密作用,消除砂土液化,提高地基土强度；经振冲碎石桩与充水预压处理加固后,复合地基的容许承载力特征值225kPa,达到设计的要求。该油罐平面倾斜、非平面倾斜满足规范的地基变形允许值,振冲碎石桩与充水预压联合加固处理软弱地基是合理可行的,有限元数值模拟可以应用于辅助分析地基变形。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 绪论  12-22
  1.1 选题依据及研究意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-19
    1.2.1 碎石桩复合地基研究现状  13-16
    1.2.2 碎石桩复合地基变形研究现状  16-17
    1.2.3 碎石桩的有限元分析研究现状  17-19
  1.3 研究思路和内容  19-22
    1.3.1 研究思路  19-20
    1.3.2 论文主要研究内容  20-22
2 碎石桩复合地基作用机理与沉降计算理论研究  22-36
  2.1 碎石桩复合地基的作用机理  22-24
    2.1.1 碎石桩复合地基的加固机理  22-23
    2.1.2 碎石桩复合地基的破坏形式  23
    2.1.3 碎石桩复合地基的桩土共同作用机理分析  23-24
  2.2 碎石桩复合地基的沉降计算理论研究  24-35
    2.2.1 加固区土层压缩量S1的计算方法  25-28
    2.2.2 下卧层土层压缩量S2的计算方法  28-33
    2.2.3 碎石桩复合地基沉降计算数值算法  33-35
  2.3 本章小结  35-36
3 大型储油罐碎石桩复合地基有限元模型的建立  36-50
  3.1 模型设计参数  36-37
    3.1.1 荷载  36
    3.1.2 几何模型  36-37
  3.2 有限元仿真分析的基本理论  37-43
    3.2.1 土体本构模型  37-42
    3.2.2 接触面性状的模拟  42-43
  3.3 反分析方法确定其他参数  43-46
    3.3.1 方法介绍  43
    3.3.2 基本原理  43-45
    3.3.3 参数反分析  45-46
  3.4 有限元模型建立及模拟方法  46-49
    3.4.1 桩的等效处理  47-48
    3.4.2 模型建立  48-49
    3.4.3 有限元网格的划分  49
  3.5 本章小结  49-50
4 碎石桩地基差异沉降有限元数值分析  50-62
  4.1 桩长对差异沉降的控制影响  50-54
    4.1.1 分布范围  50-53
    4.1.2 桩体长度  53-54
  4.2 置换率对差异沉降的控制影响  54-57
    4.2.1 置换率不变  55
    4.2.2 改变置换率  55-57
  4.3 褥垫对差异沉降的控制影响  57-59
  4.4 不同差异沉降调整方法的对比  59-60
  4.5 本章小结  60-62
5 碎石桩破坏变形有限元数值分析  62-70
  5.1 刺入变形  63-64
  5.2 侧向膨胀变形  64-66
  5.3 整体变形  66-68
  5.4 有限元计算结果与实测值对比  68-69
  5.5 本章小结  69-70
6 振冲碎石桩与充水预压加固油罐软土地基现场试验研究  70-82
  6.1 工程介绍  70-73
    6.1.1 工程概况  70
    6.1.2 工程地质条件  70-71
    6.1.3 监测概况  71-73
  6.2 加固效果检测  73-75
    6.2.1 静力触探试验结果分析  74
    6.2.2 静载试验结果分析  74-75
  6.3 现场试验结果分析  75-81
    6.3.1 油罐边缘环墙沉降  75-77
    6.3.2 油罐地基地表土沉降  77
    6.3.3 油罐外深层增量位移和分层沉降  77-80
    6.3.4 孔隙水压力  80
    6.3.5 环墙侧向土压力分析  80-81
  6.4 本章小结  81-82
7 结论与建议  82-84
  7.1 主要结论  82-83
  7.2 建议  83-84
参考文献  84-88
附录  88-110
致谢  110-111
在学期间发表的学术论文与研究成果  111

大型储油罐碎石桩复合地基变形性状有限元数值分析

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