16萬m3原油儲罐基礎(chǔ)沉降計算及施工方案的確定

高 飛，張 敏

（中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120）

16萬m3原油儲罐基礎(chǔ)沉降計算及施工方案的確定

高 飛，張 敏

（中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120）

阿布扎比原油管道項目的2座16萬m3浮頂原油儲罐位于沙漠中，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲罐自身荷載大，罐基礎(chǔ)設(shè)計難度大。文章詳細介紹了這2座儲罐罐基礎(chǔ)的沉降計算，通過對地質(zhì)結(jié)構(gòu)、儲罐構(gòu)造和荷載的計算分析，針對不同地層分別確定模型參數(shù)，利用Plaxis軟件構(gòu)造了二維儲罐基礎(chǔ)沉降模型，計算得出罐底部沉降曲線；通過計算沉降量與沉降標準的對比，擬采用預(yù)壓法和強夯法相結(jié)合的施工方案，以控制沉降量；經(jīng)現(xiàn)場試夯前后試驗結(jié)果的對比，確定強夯施工方案及參數(shù)；證明強夯對于改善罐底部基礎(chǔ)機械特性和控制沉降量的效果是顯著的，設(shè)計的罐基礎(chǔ)施工方案可以滿足對沉降量的控制要求。

鋼質(zhì)儲罐；Plaxis軟件；模型構(gòu)造；沉降計算；預(yù)壓法；強夯法

1 工程背景

阿布扎比原油管道項目由阿拉伯聯(lián)合酋長國國際石油投資公司 （IPIC）投資、中國石油工程建設(shè)公司與中石油管道局聯(lián)合承包、英國PENSPEN公司設(shè)計。管道起始于阿布扎比的哈伯善，終止于富查伊拉酋長國境內(nèi)的阿拉伯海出海口，橫跨阿布扎比、沙迦、哈伊馬角、富查伊拉四個酋長國，直抵阿拉伯海，經(jīng)海上終端裝船，因而避開霍爾木茲海峽，保障了阿聯(lián)酋石油輸出安全，是一條具有戰(zhàn)略意義的輸油管道。

管道陸上全長371 km、管徑1 219 mm （48 in），包括13個閥站，途經(jīng)鹽堿、沙丘、戈壁和山區(qū)等多種地形，項目建成后設(shè)計輸送原油能力為24萬m3/d。該項目合同總額超過32億美元，是中國石油天然氣集團公司迄今為止在海外獲得的最大規(guī)模的EPC總承包項目，也是中石油與阿聯(lián)酋開展的第一個大型石油合作項目。

其中，在位于哈伯善油田的首站將建設(shè)2座直徑110 m、容積16萬m3的浮頂原油儲罐 （分別為T1501，T1502）。因為哈伯善油田位于沙漠地帶，且位于板塊交界處，地質(zhì)情況復(fù)雜，加上儲罐自身荷載大，罐基礎(chǔ)的設(shè)計工作面臨很大困難。

2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)中石油華東勘察設(shè)計研究院對現(xiàn)場地質(zhì)勘探得出的報告顯示，地表至地下32.5 m處為沙丘砂，該部分的密度隨深度的增加而增大，根據(jù)鉆孔獲得的數(shù)據(jù)，可以把該部分分為3個分布層：低密實至中密實層，中密實至部分極密實層和中密實至全部極密實層。在沙丘砂層以下至62 m處為砂巖和粉砂巖的間歇分布層，厚度變化范圍在6 m以內(nèi)，62～80 m處分布為砂巖層和粉砂巖層。

3 沉降標準及模型構(gòu)造

3.1 沉降標準

根據(jù)API 650-2009《鋼制焊接石油儲罐》的規(guī)定以及與儲罐分包商協(xié)商，最后確定如下沉降標準：

（1）罐壁底部最大沉降100 mm。

（2）罐壁底部任意兩點間最大沉降50 mm。

（3）罐壁底部任意10 m距離兩點間最大沉降13 mm。

（4）罐底中心距罐壁最大沉降100 mm。

3.2 儲罐構(gòu)造及荷載計算

儲罐直徑110 m，高23.9 m，為錐形底板的內(nèi)浮頂罐，兩罐中心距離為罐直徑的4.6倍。初步設(shè)計報告確定：罐基礎(chǔ)由具有良好級配能力的材料回填，罐基礎(chǔ)外圍區(qū)域為砂礫層圈梁用以支撐罐壁。

通過水力學(xué)試驗計算得出的儲罐內(nèi)流體的荷載與儲罐底板本身產(chǎn)生的荷載合計為220 kPa，罐壁產(chǎn)生的垂直重力為31 200 kN，通過以下公式得出罐壁圓周荷載值：

式中D——儲罐直徑；

H——儲罐高度。

計算得出圓周荷載為4.5 kPa。儲罐內(nèi)流體產(chǎn)生的橫向壓力在模型中表示為水平荷載，由罐壁頂部為零向下均勻增加分布，罐壁底部為200 kPa。

3.3 模型構(gòu)造

根據(jù)地質(zhì)報告及沉降標準，擬定采用Plaxis 2D v8.6（Plaxis 2007）軟件構(gòu)造模型，對地質(zhì)狀況進行分析。該軟件為大型巖土工程有限元設(shè)計計算軟件，能夠以十分先進的構(gòu)造模型來模擬土壤的非線性和時間依賴行為等復(fù)雜的工程地質(zhì)條件。根據(jù)對相鄰罐基礎(chǔ)的靈敏度分析，確定兩罐中心距離大于直徑的2.3倍時，罐基礎(chǔ)的相互影響可忽略，因為兩儲罐實際中心距離為罐直徑的4.6倍，所以，每個儲罐的模型均為獨立制作。在模型構(gòu)造過程中，采用以下假定作為設(shè)計模型縱剖面的依據(jù)，完成二維軸向?qū)ΨQ模型的制作。

（1）碳酸鹽砂層假定為非薩布哈 （鹽沼）狀態(tài)。

（2）罐體本身的恒載是根據(jù)儲罐設(shè)計方在最終的模型確認中假定的。

（3）儲罐的連續(xù)注入和放空引發(fā)的循環(huán)作用和長期蠕動沉降在分析過程中不予考慮。

（4）由于可能的液化作用引起的地質(zhì)硬度和強度的侵蝕作用在分析過程中不予考慮。

（5）模型選擇深度為75 m，該深度以下地層對罐沉降產(chǎn)生的影響由于其相對較大的變形系數(shù)而忽略不計。

3.4 模型參數(shù)

儲罐底板、罐壁底部底板和罐壁的模型參數(shù)見表1。

表1 罐壁及底板模型參數(shù)

針對粉砂、粉砂巖和砂礫巖的模型以莫爾—庫侖理論 （Mohr-Coulomb）作為依據(jù)，模型參數(shù)見表2。

表2 莫爾—庫侖理論模型參數(shù)

根據(jù)以上分析及數(shù)據(jù)建模，得到如圖1所示的Plaxis模型示意，經(jīng)計算得到如圖2所示的罐底部沉降縱斷面示意。

對應(yīng)之前制訂的沉降標準發(fā)現(xiàn)，當任意兩點間最大沉降值超過了允許值 （50 mm），必須確定罐底部不同地層的沉降量，以確定有效改善基礎(chǔ)沉降的方法。通過對不同地層垂直壓力值的計算得出，對于T1501罐，18%的沉降來自于回填夯實材料，中密實度細砂和密實粉砂的沉降分別占總沉降的18.5%和22%。相似地，對于T1502罐，15%的沉降來自回填夯實材料，中密實度細砂和密實粉砂的沉降分別占總沉降的25%和11%。

4 施工方法分析及方案確定

4.1 方法分析

為了達到沉降標準的要求，擬定使用預(yù)壓法預(yù)加等同于儲罐產(chǎn)生220 kPa的荷載。通過計算設(shè)計出儲罐底部到自然地面之間回填料的材質(zhì)和回填高度，從而滿足預(yù)加荷載下的沉降要求。但是預(yù)加荷載后液化問題仍然存在，所以使用強夯法增強抗液化能力，同時也可以減小蠕變荷載和周期荷載引起的長期沉降。

通過預(yù)壓法和強夯法對沉降程度影響的模型計算，得到如圖3、圖4所示的沉降對比曲線。可以非常明顯地看到，通過預(yù)壓法和強夯法的結(jié)合作用，罐基礎(chǔ)的總沉降值明顯降低，沉降槽的曲率凸度也明顯減小。T1501罐中心最大沉降值減小到40 mm，為總沉降值的54%；T1502罐中心最大沉降值減小到50 mm，為總沉降值的51%。

4.2 罐基礎(chǔ)設(shè)計方案

作為罐基礎(chǔ)強夯施工的分包商，法國Menard公司根據(jù)以上分析最后擬定罐基礎(chǔ)施工方案如下：首先對原土進行碾壓至最大干密度98%，然后進行強夯測試，通過對試驗結(jié)果的分析確定強夯施工方案，回填第一層回填料 （厚度1 m），進行強夯，然后利用滾筒式振動壓路機進行逐層碾壓，每層碾壓后高度為250 mm，共4層，中間敷設(shè)HDPE墊層和土工布用于防止原油泄漏及防水，罐壁底部敷設(shè)瀝青混凝土2層，厚200 mm，最后罐基礎(chǔ)回填瀝青砂厚50 mm，見圖5。

4.3 試夯

為了確定最終的強夯施工方案，需要在現(xiàn)場進行試夯，通過對試夯前后試驗結(jié)果的對比分析確定回填料的高度和夯錘重量、落距、夯擊次數(shù)等。

在原土上回填長×寬為65 m×40 m、高1 m的試驗區(qū)域，整平后進行夯前HPT試驗 （Heave and Penetration Test，隆起貫入試驗）和PMT試驗（Pressure Meter Test，旁壓試驗），然后進行第一階段試夯，試夯參數(shù)為：夯錘質(zhì)量20 t、落距20 m、夯擊次數(shù)12次。夯后平整場地，再進行第二組HPT試驗，然后進行第二階段試夯，試夯參數(shù)為：夯錘質(zhì)量20 t、落距20 m、夯擊次數(shù)10次。最后進行夯后PMT試驗。

兩次夯前HPT試驗結(jié)果見圖6、圖7。由圖中曲線可以看出，第一次夯前HPT試驗在第5~7次夯擊后出現(xiàn)一個明顯彎曲，其后的每次夯擊貫入量小于5 cm，表示該階段為強夯作用的飽和階段，所以第一階段強夯次數(shù)應(yīng)確定為8~10次。同理，第二次夯前HPT試驗在第4~5次夯擊后出現(xiàn)一個飽和彎曲，確定第二階段強夯次數(shù)應(yīng)為6~8次。

強夯前后旁壓極限荷載和旁壓模量的變化見圖8。

根據(jù)沉降模型的有限元沉降分析采用的設(shè)計參數(shù)，計算得出PMT試驗的可接受旁壓極限荷載為16.5 MPa，旁壓模量為1.4 MPa。通過圖8中曲線對比可以看出，強夯后平均旁壓極限荷載大于22 MPa，平均旁壓模量大于1.8 MPa，達到有限元分析的要求，從而得出如下結(jié)論：強夯對于改善罐底部基礎(chǔ)的機械特性、控制沉降量的效果是顯著的，設(shè)計的罐基礎(chǔ)施工方案可以滿足對沉降量的控制要求。

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Foundation Settlement Calculation and Construction Scheme Determination of 16 × 104m3Oil Storage Tank

GAO Fei（China Petroleum Engineering&Construction Co.,Ltd， Beijing 100120， China），ZHANG Min

This article describes the foundation settlement calculation of two 16× 104m3floating roof tanks located in desert which belong to Abu Dhabi crude oil pipeline project.A 2-D axisymmetric model was created for each tank by applying the software Plaxis based on the research of ground condition,tank configurations and loads.The settlement curve of tank foundation was calculated based on modeling parameters of different layers.Preloading and dynamic compaction （DC）were adopted to control the settlement after making the comparison of the calculated settlement with the criteria.DC construction procedure and parameters were confirmed by the comparison of test results before and after the DC trail.It is concluded that DC has an obvious effect to improve the mechanical characteristics and settlement control,and the construction procedure adopted is satisfactory for settlement control.

steel tank;software Plaxis;modeling;settlement calculation;preloading;dynamic compaction method

TE972

B

1001－2206（2011）01－0050－04

高 飛 （1983-），男，山西五寨人，工程師，2007年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，從事國際石油工程建設(shè)管理工作。

2010-01-31