碎石环梁与混凝土环梁超大储罐强夯地基沉降变形对比研究.pdf
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1、书书书 工程地质学报 ( ) : 碎石环梁与混凝土环梁超大储罐强夯地基沉降变形对 比研究 李洪江刘红军黄永勃张浩吉成林 ( 中国海洋大学环境科学与工程学院青岛 ) ( 海洋环境与生态教育部重点实验室青岛 ) ( 中国石油工程建设公司北京 ) 摘要地层沉降及不均匀沉降控制是储罐建造安全性保障的重要环节。本文重点分析了加设碎石环梁强夯地层的沉降变 形特征, 综合比较了碎石环梁与混凝土环梁加固储罐地基土的环向、 径向沉降与不均匀沉降差异; 指出地层差异能影响两类 环梁基础的地基土加固效果; 考察了碎石环梁弹性模量改变对储罐地基土沉降规律的影响; 比较了截面为矩形的混凝土环梁 与梯形碎石环梁对储罐地层
2、的加固效果; 并给出了碎石环梁加固储罐地基土的工程建议。研究成果可为类似工程建设提供 借鉴参考。 关键词储罐碎石环梁混凝土环梁地基土沉降 中图分类号: 文献标识码: 书书书 收稿日期: ;收到修改稿日期: 基金项目: 国家自然科学基金项目( ) ,中国石油工程建设科技计划项目( ) 资助 第一作者简介: 李洪江( ) , 男, 硕士, 主要从事岩土工程数值计算研究 : 通讯作者简介: 刘红军( ) , 男, 博士, 教授, 主要从事工程地质与岩土工程的教学科研工作 : ( , , ) ( , , ) ( , ) , , , , 引言 强夯地层加设环梁基础稳固超大储油罐已逐渐 在石化建设工程中得
3、以应用( 贾庆山, ;田水 等, ,周立新等, ;刘红军等, ) , 但目 前围绕环梁基础的沉降与不均匀沉降研究成果较 少, 特别是选用碎石环梁还是混凝土环梁加固储罐 地基, 两者的加固机理、 加固效果及承载特性等问题 还存在诸多争议( 王立忠等, ; , ; 邓学晶等, ) 。目前一些储罐建设项目出于保 守原则, 多数采用强夯地层加设混凝土环梁的方法 进行储罐加固。作者所在课题组曾参与的阿尔及利 亚储罐建设项目就普遍采用了混凝土环梁基础( 李 鹏, ) 。混凝土环梁虽然具有整体性强、 承载能 力高、 施工技术成熟等优点( 陈志平等, ;张晓 松等, ;赵继成等, ) , 但是其建造成本高,
4、特别是在一些不发达地区大规模建设原油储罐, 其 建造成本成为制约整个项目开展的关键因素。本论 文依托阿布扎比原油管线终端罐区建造项目开展研 究工作。建设区由于山体爆破产生了大量碎石, 拟 采用碎石环梁对原油储罐进行加固。所谓碎石环梁 是指在碾压过程中, 先在罐壁位置碾压出一圈环形 碎石基础, 保证基础的回填材料压实密度优于环梁 内区域( 吴天洪, ) 。环梁基础施工前已完成地 基的高能级强夯, 并通过夯后钻孔、 静力触探( ) 试验、 旁压测试( ) 试验以及室内土工实验获得 了分层地基土的土体参数。设计单个罐体直径 , 高 , 每个油罐将满足 万桶( ) 的存储能力, 属超大型储油罐( 陈宇
5、等, ) 。 图 环梁环向展开示意图 图 环向展开地层有限元分析模型 环向展开地层沉降分析 有限元模型及沉降规律 为充分考虑储罐地基的环向和径向沉降变形, 将环梁及下覆地层沿图 所示圆周的周长方向环向 展开, 每个角度展开后对应不同的地层坐标, 从而建 立如图 的环向展开地层承载变形有限元模型。阿 布扎比原油管线末站 酋长国阿曼湾沿岸 地质条件复杂, 地层起伏较大, 辉长岩层厚度为 不等。研究区选择具有代表性的 储罐 地层资料进行建模, 储罐下覆地基土由上到 下共分 层, 碎石环梁及各层土体均采用 弹塑性本构模型, 模型分层及具体参数值 ( 表 ) 。 书书书 表 土层模型参数 层厚 土层名称
6、 ( ) 碎石环梁基础 工程填土 碎石填土 碎石填土 粉砂 钙质胶结岩层 模型左右边界约束水平 向位移, 下部边界同 时约束水平 、 竖向 两向位移。储罐注油满载油 压 , 同时罐壁在环梁施加 的载荷, 按照实际荷载分配, 施加在碎石环梁基础上的总荷 载为 。在分析储罐地层沉降时, 先在碎石 ( ) 李洪江等:碎石环梁与混凝土环梁超大储罐强夯地基沉降变形对比研究 环梁上施加预载 , 预载比为 , 考察表层地 基土的沉降特性和不均匀沉降规律。图 、 图 分 别为施加预载值 后, 表层填土的沉降曲线和 不均匀沉降曲线, 可以看出, 土体的沉降较大程度依 附于地层的变化, 研究区环向地层分布展开后近
7、似 为“ ” 形, 沉降值也呈现中间大两边小的特征, 最大 值为 , 最小值为 , 整个表层工程填土的 最大不均匀沉降值为 。 图 沿环梁展开方向土体沉降 图 沿环梁展开方向土体不均匀沉降 图 反映了储罐环向展开地层中间轴线位置竖 向剪应力与沉降值的变化规律, 沿竖向土体应力与 沉降均呈线性关系, 地层起伏对储罐地基土沿竖向 沉降变化率影响较小, 沉降最大值出现在表层工程 填土层, 其余各土层受荷沉降均匀, 表层土内部应力 水平较低, 沉降值最大, 底层土由于上覆土体自重作 用而呈较大应力状态, 但受辉长岩压缩性影响沉降 值反而较小。 环梁弹模对地层沉降的影响 已有研究表明改变环梁内摩擦角 及
8、黏聚力 对环梁承载影响较小, 环梁弹性模量 的改变则会 对整个储罐地层沉降产生影响( 赵世斌, ) 。为 考察模型中碎石环梁弹性模量参数的改变对整个地 层受荷变形的影响, 分析了( ) 共计 组 下的表层工程填土最大沉降值( 图 ) 。 在 取 ( 初始 ) 以内, 随着 弹性模量的增加, 地基土最大沉降值大致呈减小的 图 剪应力与沉降值沿竖向变化 图 环梁弹性模量改变对沉降值的影响 趋势, 此时最大沉降值依旧出现在水平展开环梁下 覆地基土的中间位置。随着弹性模量 的继续增 大, 整个环向水平展开地层的沉降规律发生变化, 不 仅在土层最厚的中间位置发生较大沉降, 环梁基础 展开两端也开始有较大
9、沉降值出现。模拟过程中发 现, 在部分 值改变下, 环梁两端甚至成为整个地 层的最大沉降位置发生处。由于篇幅限制, 此处只 以 取 ( ) 所得表层土沉降曲线为例 进行说明。从图 中可见, 沉降曲线不再呈现光滑 形式, 而是在环梁的左右段均有较大不均匀沉降出 现, 整个地层的沉降控制条件变得复杂。研究表明 储罐地层沉降规律只有在环梁弹性模量控制在一定 范围内时, 最大沉降值才会呈现随弹性模量增加而 减小的趋势, 当环梁弹性模量超过界限值后, 地层的 沉降变得复杂、 不规律, 最大沉降点的位置也会发生 变化。 工程地质学报 图 取 时表层地基土沉降曲线 加设两类环梁地层环向沉降对比 考察了相同尺
10、寸混凝土环梁基础在同等受荷条 件下的地基土沉降变形规律, 图 为沿环梁展开方 向加设混凝土环梁强夯地层的地基土位移等值线 图, 分层地基土的土性参数( 表 ) , 混凝土环梁参数 具体取值: 弹性模量 , 重度 , 内摩擦角 , 黏聚力 , 泊松 比 。从图中可见加设混凝土环梁的强夯地层 沉降规律仍然较大程度地依附于储罐下覆地层的变 化。图 中加设混凝土环梁地基表层填土的沉降呈 现中间大两边小的特征, 与加设碎石环梁地基表层 填土沉降特征相似, 两者的最大沉降值也基本相同, 接近 。 图 地基土位移等值线 为了对比分析碎石环梁与混凝土环梁在控制储 罐地层不均匀沉降上的效果, 将预载 所得地 层
11、沉降数据除以预载比 作为实际载荷条件下 的地层沉降数据, 进而绘制两类环梁基础沿环向水 平展开方向每隔 的表层填土不均匀沉降曲线 ( 图 ) 。由图可见, 在控制储罐地基沿环向不均匀 沉降上, 碎石环梁与混凝土环梁具有近乎相同的处 理效果, 不均匀沉降的主要控制条件不在环梁基础 图 表层填土沉降曲线 的结构受力上, 而在储罐下覆地层变化上, 因此后期 工程建设应该着重提高储罐下覆地层的竖向承载能 力。 图 每隔 土层不均匀沉降对比 储罐地层沿径向沉降分析 由预载 后储罐环向地层的沉降关系曲线 可知, 罐沿环梁展开地层的最大、 最小沉降 位置分别出现在 、 处, 将两处位置按 展开角度分别反推到
12、未展开前的储罐地基所在圆周 上, 取圆周上的点与储罐中心连线的剖面作分析, 建 立沿罐体半径方向( 径向) 的地层沉降模型, 罐体半 径为 。径向剖开模型中, 梯形截面环梁高 , 上底边长 , 下底边长 , 储罐荷载同时 作用在环梁及内侧地基上, 按照实际分担比, 环梁作 用载 荷 , 内 侧 地 基 承 受 载 荷 , 图 、 图 分别为 、 所对应位置处储 罐径向地基土加载位移等值线图。 环向最大沉降点( ) 径向剖面 图 为加设碎石环梁强夯地层沿径向 的沉 降曲线, 表层填土、 碎石填土、 粉砂层沉降曲线走势 相同, 与图 辉长岩层线吻合较好, 再次印证了储 罐地基土沉降较大程度依附于地
13、层变化的特性。 ( ) 李洪江等:碎石环梁与混凝土环梁超大储罐强夯地基沉降变形对比研究 图 沿径向地基土位移等值线 图 沿径向土体沉降曲线 图 所示储罐地层最大沉降点并非出现在罐体中 央( ) , 而是出现在靠近环梁的左侧墙趾处( ) , 环梁基础的添加改变了以往罐体中心土体沉 降较罐体周壁土体大的“ 碟形” ( 徐至钧, ) 沉 降现象。图 比较了分别加设相同尺寸碎石环梁 与混凝土环梁储罐地层沿径向每隔 的不均匀 沉降关系, 两者最大差异沉降均出现在环梁加固区, 最大值约 , 环梁加固区一定范围特别是环梁 左侧墙趾处成为控制整个地基不均匀沉降的关键区 域, 工程建设时应该加强环梁基础下覆地层
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