大型罐基础群桩效应探讨

大型罐基础群桩效应探讨

邢义锋

中石化广州工程有限公司广东510000

摘要：随着经济综合实力的提高，原油储运系统建设的步伐大大加快；大型储罐桩基础在工程中很常见，传统的储罐桩基础均匀布桩方式往往伴随着过大的差异沉降和较大的承台内力，同时造成一定程度上的浪费；本文根据变刚度调平理念同时考虑群桩效应系数，提出根据差异沉降比布置变刚度群桩的方法；此方法计算简单且易于工程师掌握和推广，对大型罐基础设计有一定指导意义。

关键词：有效应力；群桩效应；附加应力；变刚度调平

1、绪论

随着时代的发展，10万立方以上大型储罐在石化行业变的越来越普遍。与此同时，炼油厂选址地质条件变得越发复杂和恶劣，天然地基往往沉降过大，无法满足设计要求，通常采用桩基方案。通常均匀布置；这种布置方式尽管能够满足工程的应用，但是往往与承台底部应力分布不相符合，造成一定程度的浪费。

土具有分散性、多相性等特征，使得实际土的应力应变关系是非常复杂的，准确计算土的应力非常困难。群桩是大型罐基础常见的结构形式，实验和理论计算表明群桩之间存在相互影响，通常用桩一桩相互作用系数表示他们之间的相互影响[3]。目前最有效的方法是使用有限元或相互作用系数方法来研究桩筏基础的共同作用[2]，并通过桩一桩相互作用系数分析群桩沉降。

本文通过合理简化，应用经典土力学理论得出罐基础在均布荷载作用下的罐底应力分布，并计算出储罐底部土体附加应以分布情况，根据变刚度调平理论以及群桩效应系数理论，提出通过储罐基础沉降比值得出变刚度调平的具体方法。

2、大型储罐群桩基础变刚度布置

2.1储罐应力分布

2.1.1储罐底部应力分布

从理论概念上将各种基础按其与地基土的相对抗弯刚度（EI）分成三类，即理想柔性基础、理想刚性基础和有限刚性基础。a.柔性基础：基底压力分布图形将与基础上作用的荷载分布图形完全相同；b.刚性基础：由于基础刚度接近无穷大，均匀分布的基底压力将产生不均匀沉降，如图1中的虚线所示，基础变形与地基变形不相适应，基底中部将会与地面脱开，出现应力架桥现象。为使基础与地基的变形保持相容（见图1），必然要重新调整基底压力的分布形式，使两端应力加大，中间应力减小。

图1理想刚性基础（马鞍形）

大型储罐基础基础底板一般0.5~0.8m厚，由于底板半径多达几十米，因此为有限刚度基础，并且由于跨度很大，因此基础底面压力分布马鞍形分布并不明显。

2.1.2储罐底部土体附加应力分布

大型储罐底部土体附加应力在圆形均布载荷下的附加应力分析[5]得知：圆形均布荷载下，土附加应力系数为从罐中心到边缘由大逐渐变小，即土附加应力从罐中心到边缘逐渐减小，根据土应力-应变成线弹性关系的假设，得出罐沉降从中心至边缘逐渐减小。

2.1.3均匀布桩情况下桩反力分布情况

假定桩为弹性体等效为弹簧，因为自储罐底部中心到边缘，土附加应力逐渐减小，则土变形逐渐变小，使得中心区支承刚度的削弱，导致中间桩反力由小变大，呈现马鞍形状。基础土反力的马鞍形反力分布的负面效应将导致基础的整体弯矩增大，受作用体将产生附加应力，将引起自身和上部结构的附加弯、剪内力乃至开裂。

2.2考虑群桩效应的布桩原则

2.2.1变刚度调平理念

天然地基和均匀布桩的初始竖向支承刚度是均匀分布的，设置于其上的刚度有限的基础（承台）受均布荷载作用时，由于土与土、桩与桩、土与桩的相互作用导致地基或桩群的竖向支承刚度分布发生内弱外强变化，沉降变形出现内大外小的碟形分布，基底反力出现内小外大的马鞍形分布[6]。

通过调整地基或基桩的竖向支承刚度分布，促使差异沉降减到最小，基础或承台内力和上部结构次应力显著降低。这就是变刚度调平概念设计的内涵。

对于荷载分布较均匀的大型油罐等构筑物，宜按变桩距、变桩长布桩，以抵消因相互作用对中心区支承刚度的削弱效应。

图2

在石家庄某现场进行了20层框架－核心筒结构1/10现场模型试验。结论为常规布桩，差异沉降难免超出规范要求，而按变刚度调平设计可大幅减小最大沉降和差异沉降。

2.2.2群桩效应系数

群桩效应：多跟桩和承台联在一起就形成了群桩，群桩承载力并不一定等于单桩承载力之和，定义群桩效应系数[7][8][9]

国内规范目前没有群桩效应系数的参考值。美国土木工程协会提出在无粘性土中，桩间距（2D~3D）情况下，摩擦桩的群桩效应系数Eg≥1.0，过去很少使用的Convese-Lakarre方程，现在被广泛应用于群桩效应系数；

图4

Sayed和Bakeer（1992）提出过另外一种计算方法。

通过理论计算和数值模拟计算的方法可以得到考虑桩相互作用系数的群桩沉降值，但都比较麻烦。《桩规》尽管给出了变刚度调平的理念，但并未定量给出具体的布置原则，因此具体的刚度表达方法就变得很迫切、实用。

根据相互作用系数推导出变刚度值

笔者建议，可以根据经典土力学理论计算出在均匀布置桩的情况下，应用储罐中心沉降与边缘沉降的比值a；以及调整系数K，得出如下公式：

参考文献

[1]王世海.软土地基上储罐地基变形特性研究[J].中国石油大学，2008，25（12）：118-120.

[2]赵明，孙晓立.群桩相互作用系数简化分析思路和方法[J].中外公路，2009，6：136-139.

[3]JosephE.Bowles.FOUNDATIONANALYSISANDDESIGN[M].TheMcGraw-HillCompanies.

[4]陈杰.高层建筑上部结构、厚筏基础与地基共同工作的分析与研究[J].西安建筑科技大学硕士学位论文，2003.

[5]徐正分，圆形均布荷载Mindlin应力分布模式及其应用范围的讨论[J].勘察科学技术，1998，6：37-39.

[6]建筑桩基技术规范[M].中国建筑工业出版社，2008.

[7]闫纲丽等.群桩间相互作用系数计算[J]，华北水利水电学院学报，2011，32（3）：93-95.

[8]吴鹏等.考虑桩土滑移和整体刚度动态调整的群桩分析方法[J].岩土工程学报，2007，29（2）：225-230.

[9]H.G.Poulos.群桩沉降的估算从理论研究到工程实践[J].岩土论坛，3.