軟土地基大型油罐沉降數(shù)值分析

馬永峰，郭冰鑫，張志豪，曹力橋，周訓(xùn)軍

1.中國(guó)石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院巖土工程處，山東青島266071

2.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027

3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063

軟土地基大型油罐沉降數(shù)值分析

馬永峰1，郭冰鑫2，張志豪1，曹力橋3，周訓(xùn)軍1

1.中國(guó)石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院巖土工程處，山東青島266071

2.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027

3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063

文章以廣西石化1 000萬(wàn)t/a煉油項(xiàng)目為背景，建立軟土地基大型油罐沿環(huán)墻圓周方向展開(kāi)的二維有限元模型?；谠撃Ｐ陀?jì)算出環(huán)墻最大和最小沉降點(diǎn)，沿通過(guò)最大或最小沉降點(diǎn)的環(huán)墻徑向建立了相應(yīng)的二維軸對(duì)稱模型，并進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)所在的油罐底板沉降特征?；谟凸拮畲蟪两迭c(diǎn)沉降值，反演出合適的均布荷載，并在該荷載下對(duì)整個(gè)環(huán)墻沉降進(jìn)行模擬計(jì)算，并與環(huán)墻實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。模擬結(jié)果表明：二維有限元模擬方法適用于軟土地基油罐沉降分析；素填土是油罐沉降控制的關(guān)鍵，對(duì)素填土進(jìn)行加固處理可實(shí)現(xiàn)對(duì)油罐沉降控制；油罐沉降是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需加強(qiáng)后期監(jiān)測(cè)與控制。所得結(jié)論可為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供參考。

油罐；軟土地基；沉降；數(shù)值分析

隨著我國(guó)能源需求的進(jìn)一步加大，越來(lái)越多的沿海地區(qū)興建了大型煉廠。大量工程實(shí)踐表明，軟土地基上的大型油罐，其基礎(chǔ)不均勻沉降和傾斜是影響正常運(yùn)營(yíng)和使用的關(guān)鍵因素。目前，不少專家和學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等手段，對(duì)軟弱地基大型油罐沉降變形進(jìn)行了大量研究[1-10]。本文以廣西石化1 000萬(wàn)t/a煉油項(xiàng)目為背景，建立軟土地基大型油罐沉降的二維有限元模型，在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，介紹了油罐沉降的特點(diǎn)，分析了油罐沉降的特征指標(biāo)：最大沉降及差異沉降，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。以期為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒與參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣西石化1 000萬(wàn)t/a煉油項(xiàng)目位于廣西欽州，擬建廠區(qū)的原始地貌為海岸丘陵，場(chǎng)地中部原為一條北東走向，寬60～110 m，深8～9 m的天然海溝，該海溝是溝通南北水流的唯一通道。場(chǎng)地經(jīng)人工挖山、填方回填整平，并初步夯實(shí)，地勢(shì)平坦。

1.2 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件

廠區(qū)地層主要由第四系和基巖組成，分別為：

①素填土：巖性不均勻，呈稍密～密實(shí)、稍濕～飽和狀態(tài)，粒徑變化大，經(jīng)夯實(shí)后呈細(xì)粒土狀。

②海陸混合相沉積層：土性不均勻，局部夾有粘土薄層，層厚變化較大。

③-1亞層全風(fēng)化頁(yè)巖、泥巖：結(jié)構(gòu)構(gòu)造基本破壞，該層分布較少且不連續(xù)，層厚變化大。

③-2層全風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)砂巖：分布較少且不連續(xù)，層厚變化大。

④-1層強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖、泥巖：結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分已破壞，巖體破碎，完整性極差，分布較廣泛，含中風(fēng)化基巖夾層，局部地段相變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)砂巖。

④-2層強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)砂巖：巖體破碎，完整性極差，分布較廣泛。

⑤-1層中風(fēng)化頁(yè)巖、泥巖：結(jié)構(gòu)、構(gòu)造部分破壞，巖體裂隙發(fā)育；巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD差，分布較廣泛。

⑤-2層中風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)砂巖：結(jié)構(gòu)、構(gòu)造部分破壞，巖體裂隙發(fā)育，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD差，分布較廣泛。

2 有限元分析模型

（1）原油罐區(qū)015-TK201A罐地基模型見(jiàn)圖1（a），容量10萬(wàn)m3，底部壓應(yīng)力（源自罐中儲(chǔ)存的水和油罐底板的總重量）為195 kN/m2，假定罐板及油罐上部所作用的垂直荷載為18 600 kN，則環(huán)墻上的罐壁荷載切向負(fù)荷為：

18 600/（πD）≈75（kN/m），（D為油罐的直徑/m），即在環(huán)墻上施加75 kN/m壓力來(lái)代表油罐重量作用在環(huán)墻上的集中荷載。

（2）儲(chǔ)備庫(kù)工程TK-101D罐地基模型見(jiàn)圖1（b），容量15萬(wàn)m3，底部壓應(yīng)力為190 kN/m2，假定垂直載荷為27 500 kN，則環(huán)墻承受的單位長(zhǎng)度負(fù)荷為90 kN/m。

夯實(shí)后兩罐的填土層、上部回填土及環(huán)墻部分構(gòu)造剖面見(jiàn)圖1，模型地面標(biāo)高分別為10.00 m和11.00 m。模擬中土體采用MC模型，材料參數(shù)列于表1中。

圖1 油罐地基模型示意

3 模擬結(jié)果與分析

模擬過(guò)程為：

（1）將油罐在平面上沿圓周展開(kāi)為長(zhǎng)軸，建立油罐沿環(huán)墻的地層剖面圖。

（2）根據(jù)步驟（1）中的地層剖面圖建立二維有限元模型，并進(jìn)行計(jì)算，找出環(huán)墻的最大和最小沉降點(diǎn)。

（3）沿通過(guò)最大或最小沉降點(diǎn)的環(huán)墻徑向建立二維軸對(duì)稱模型。

（4）對(duì)步驟（3）中建立的模型進(jìn)行計(jì)算模擬。

表1 材料參數(shù)表

3.1 有限元模型的建立

依據(jù)鉆孔資料建立環(huán)墻下地層剖面模型，其中以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)沿圓周的方向?yàn)閄軸（模型長(zhǎng)邊），以高程為Y軸（模型短邊）。原油罐區(qū)015-TK201A罐和儲(chǔ)備庫(kù)TK-101D罐的地層橫剖面情況如圖2所示。

圖2 沿環(huán)墻地層橫剖面

經(jīng)過(guò)2D平面應(yīng)變模型計(jì)算可知：

（1）原油罐區(qū)015-TK201A罐的最大、最小沉降點(diǎn)分別為環(huán)墻45°處和270°處。根據(jù)鉆孔資料建立015-TK201A罐環(huán)墻沉降最大點(diǎn)與最小點(diǎn)所在位置軸對(duì)稱模型，見(jiàn)圖3，所加均布荷載為195 kPa/m，集中荷載為75 kPa。

（2）儲(chǔ)備庫(kù)TK-101D罐的最大、最小沉降點(diǎn)分別為環(huán)墻112.5°處和247.5°處。根據(jù)鉆孔資料建立TK-101D罐環(huán)墻沉降最大點(diǎn)與最小點(diǎn)所在位置軸對(duì)稱模型，見(jiàn)圖4，所加均布荷載為190 kPa/m，集中荷載為90 kPa。

圖3 015-TK201A罐軸對(duì)稱模型

圖4 TK-101D罐軸對(duì)稱模型

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

（1）對(duì)于原油罐區(qū)015-TK201A罐，在均布荷載及集中荷載的作用下，板邊緣（環(huán)墻45°）點(diǎn)平均沉降值為23.4 mm，從中心到環(huán)墻的罐底板沉降曲線見(jiàn)圖5（a）；板邊緣（環(huán)墻270°）點(diǎn)平均沉降值為5 mm，從中心到環(huán)墻的罐底板沉降曲線見(jiàn)圖5（b）。

圖5 015-TK201A罐軸對(duì)稱模型罐底板沉降曲線

（2）對(duì)于儲(chǔ)備庫(kù)TK-101D罐，在均布荷載及集中荷載的作用下，板邊緣（環(huán)墻112.5°）點(diǎn)平均沉降值為48.8 mm，從中心到環(huán)墻的罐底板沉降曲線見(jiàn)圖6（a）；板邊緣（環(huán)墻47.5°）點(diǎn)平均沉降值為17.8 mm，從中心到環(huán)墻的罐底板沉降曲線見(jiàn)圖6（b）。

圖6 TK-101D罐軸對(duì)稱模型罐底板沉降曲線

3.3 模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

（1）調(diào)整平面應(yīng)變模型上均布荷載，使最大沉降點(diǎn)沉降值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，原油罐區(qū)015-TK201A罐調(diào)整后環(huán)墻沉降計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線見(jiàn)圖7，其中環(huán)墻沉降最大值為29.3 mm，最小值為4.3 mm；環(huán)墻每10 m差異沉降最大值為3.4 mm，最小值為0.1 mm。

（2）經(jīng)過(guò)平面應(yīng)變模型上均布荷載的調(diào)整，儲(chǔ)備庫(kù)TK-101D罐環(huán)墻沉降計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線見(jiàn)圖8，其中環(huán)墻沉降最大值為55.1 mm，最小值為22.7 mm，環(huán)墻每10 m差異沉降最大值為4.1 mm，最小值為0.1 mm。

由圖7和圖8可看出，二維有限元數(shù)值模擬的環(huán)墻沉降走勢(shì)基本上與實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降一致，表明使用數(shù)值模擬來(lái)計(jì)算分析軟土地基油罐沉降是可行的。此外，分別對(duì)比圖7與圖2（a）、圖8與圖2（b），可發(fā)現(xiàn)，環(huán)墻沉降情況與素填土的分布有關(guān)，有素填土的環(huán)墻位置沉降量要比沒(méi)有素填土的環(huán)墻位置沉降量大得多，因此素填土是控制軟土地基油罐沉降的關(guān)鍵，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)加固處理，控制油罐的沉降。

圖7 015-TK201A罐環(huán)墻沉降計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軟土地基大型油罐沉降的二維有限元數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

（1）二維有限元數(shù)值模擬的環(huán)墻沉降走勢(shì)基本上與環(huán)墻實(shí)際監(jiān)測(cè)變形一致，表明使用數(shù)值模擬手段來(lái)計(jì)算分析軟土地基油罐沉降是可行的。

（2）二維有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與油罐實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降值均在規(guī)范允許的變形許可范圍內(nèi)，說(shuō)明該工程為安全狀態(tài)；因油罐沉降是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，應(yīng)加強(qiáng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解變形動(dòng)態(tài)，確保油罐的安全運(yùn)營(yíng)。

（3）對(duì)于本區(qū)域這種半填半挖地基，對(duì)填方區(qū)域素填土的處理，是保證儲(chǔ)罐能否均勻沉降的關(guān)鍵。因此對(duì)填土質(zhì)量的控制及強(qiáng)夯后應(yīng)達(dá)到的效果提出了很高的要求，在設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)充分注意。

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中石油管道局穿越公司采取最前沿技術(shù)完成3 500 m長(zhǎng)江穿越再創(chuàng)世界紀(jì)錄

2015年1月29日凌晨2點(diǎn)36分，經(jīng)過(guò)近24h的地下穿行，一條管徑為610 mm、全長(zhǎng)3 500 m的鋼鐵氣龍從海門(mén)長(zhǎng)江北岸破土而出，至此，中石油管道局穿越公司成功完成了如東－海門(mén)－崇明島輸氣管道最大的控制性工程長(zhǎng)江定向穿越，并創(chuàng)造了一項(xiàng)管徑610 mm、長(zhǎng)度3 500 m的定向穿越世界紀(jì)錄。

這是該公司繼2013年在江都－如東二期管道三穿長(zhǎng)江連創(chuàng)三項(xiàng)世界紀(jì)錄后創(chuàng)造的又一項(xiàng)新的世界之最。據(jù)了解，如東－海門(mén)－崇明島天然氣管道是中石油西氣東輸管道公司為保障上海崇明島潔能電廠按期投用，打造上海、江蘇天然氣接收第三戰(zhàn)略通道投資建設(shè)的重要項(xiàng)目，其中長(zhǎng)江定向鉆穿越是決定全線能否貫通的天字號(hào)控制性工程。

此次穿越長(zhǎng)江達(dá)3 500 m，難度和風(fēng)險(xiǎn)前所未有。同時(shí)，這項(xiàng)工程線圈布置困難，未采用全程海纜布置線圈，管道局穿越公司通過(guò)木船在江南側(cè)淺水江面進(jìn)行線圈布置，江面線圈布置長(zhǎng)度約300 m。由于長(zhǎng)江水的流速較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)糍粑校正，即最終盲區(qū)長(zhǎng)度約1 150 m，通過(guò)精準(zhǔn)的控向最終順利實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向孔對(duì)接，符合設(shè)計(jì)要求。

在沿線地方政府和業(yè)主的積極協(xié)調(diào)和大力支持下，管道局穿越公司精心制定施工方案，于2014年12月8日正式鳴機(jī)開(kāi)鉆。他們精確實(shí)施世界上最前沿的對(duì)接穿越技術(shù)，高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量完成了導(dǎo)向孔作業(yè)，采用專有泥漿對(duì)注技術(shù)并結(jié)合電子儀器回饋的鉆進(jìn)推力、鉆桿扭矩等數(shù)據(jù)信息及時(shí)調(diào)整泥漿排量，優(yōu)化泥漿性能，有效規(guī)避了穿越超長(zhǎng)距離粉砂地層磨阻大、攜屑難、易發(fā)鉆桿抱死、折斷的致命風(fēng)險(xiǎn)，順利完成三級(jí)擴(kuò)孔作業(yè)，而后采用發(fā)送溝和滾輪架相結(jié)合的方式順利完成管道回拖作業(yè)。

（本刊摘錄）

Numerical Analysis on Settlement of L arge-scale Oil Tank on Soft Foundation

Ma Yongfeng1，Guo Bingxin2，Zhang Zhihao1，Cao Liqiao3，Zhou Xunjun1
1.GeotechnicalEngineering Department，CNPC East China Design Institute，Qingdao 266071，China
2.China Harbour Engineering Company，Ltd.，Beijing 100027，China
3.China Railway Fourth Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China

Based on the Guangxi Petrochemical 1 Mt/a Refinery Project，2D FEM numerical analysis model of large-scale oil tank on soft foundation was built along ring-wall circumferential direction.With that 2D model，the maximum and minimum settlement points were determined.2D radial axisymmetric models with the maximum and minimum settlement points were respectively built and simulation calculations were carried out. Settlement characteristics of the tank bottom plate，where those two key settlement points located，were analyzed.Based on the settlement value of the maximum point，suitable uniformly distributed load was got by inversed calculation.Under that load，the whole ring-wall settlement was simulated.Besides，the simulation and monitoring results of the ring-wall were compared.Some conclusions were drawn，such as 2D FEM numericalmethod was feasible for large oiltank settlement analysis in soft foundation；plain fillwas the key to control oil tank settlement，and it needed to be reinforced in order to control tank settlement.The settlement of oil tank is a long term course，long-term monitoring and control should be taken in the future.The results are usefulfor similar projects.

oiltank；soft foundation；settlement；numericalanalysis

中國(guó)石油工程建設(shè)公司科研項(xiàng)目“二維有限元數(shù)值法在大型儲(chǔ)罐地基沉降分析中的應(yīng)用研究”（CPECC2010KJ19）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.004

馬永峰（1981-），男，山東日照人，工程師，2006年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）巖土工程專業(yè)，碩士，主要從事巖土工程勘察與設(shè)計(jì)工作。

2014-05-22