非滑道區(qū)LNG組塊建造地基不均勻沉降分析

石繼程，孟 珣，劉宇婕，徐學軍，田會元

(1.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266000；2.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

非滑道區(qū)LNG組塊建造地基不均勻沉降分析

石繼程1，孟 珣2*，劉宇婕1，徐學軍1，田會元2

(1.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266000；2.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

針對既有海工場地非滑道區(qū)大型LNG組塊一體化建造需求，根據(jù)場地地基歷史檢測勘察資料和擬建組塊特點，采用有限元參數(shù)化建模技術(shù)(ANSYS-APDL)模擬了地基非線性應力應變關(guān)系及項目整體建造過程中地基沉陷狀態(tài)，通過敏感性分析確定復雜土體參數(shù)對地基沉降的影響程度，用以指導參數(shù)選擇。研究表明：非滑道區(qū)場地地基不均勻沉降會對大型結(jié)構(gòu)的建造存在影響，其主要地基影響參數(shù)為場區(qū)第一層土的彈性模量和基礎荷載量級。通過數(shù)值模擬手段獲取建造過程中地基沉降的相對不均勻性參數(shù)既可以與實測結(jié)果進行比較，又可以獲取預報值用以及時指導施工安裝及臨時加固措施。

ANSYS參數(shù)化設計語言；非滑道區(qū)；地基；不均勻沉降；液化天然氣儲存裝置

海洋開發(fā)需求使得海工結(jié)構(gòu)物組塊呈現(xiàn)大型化、復雜化特點。近日，中海油在南海發(fā)現(xiàn)大型油氣田，深海萬億大氣區(qū)正走進現(xiàn)實，LNG建造安裝技術(shù)日益成為研究熱點，并有著廣泛的應用需求[1-2]。適應該發(fā)展趨勢的特殊建造要求給既有海工施工場地提出新的挑戰(zhàn)[3-5]。

研究選用的超大型LNG管廊結(jié)構(gòu)，因其占地面積大、不適宜滑道建造等原因，決定了其與海工建造場地設置常規(guī)組塊產(chǎn)品有較大區(qū)別[6-7]?？紤]非滑道區(qū)填土地基不均勻性，以及工程建造周期長、工藝復雜等原因，僅靠單一的地基承載力試驗得到的數(shù)據(jù)是不全面的，因此有必要對于非滑道區(qū)建造的大型結(jié)構(gòu)與地基不均勻沉降問題的作用機制進行研究，用以保障建造精度和安全生產(chǎn)。

1 工程概況

研究選址為海洋石油工程青島有限公司青島制造場[8]。該場位于膠州灣南端薛家島，其東、南、西三面受海西半島環(huán)抱，具有良好的自然避風條件。場地總面積約90萬m2，填?？傇斓孛娣e約80萬m2。場地目標產(chǎn)品為鋼質(zhì)樁基式平臺、FPSO以及深水浮式平臺(TLPs，Spars)等海洋石油工程產(chǎn)品。場地設置產(chǎn)品總裝下水滑道4組：1#滑道(設計生產(chǎn)能力4 000 t)，2#滑道(設計生產(chǎn)能力12 000 t)，3#滑道(設計生產(chǎn)能力8 000 t)，4#滑道(設計生產(chǎn)能力30 000 t)。LNG管廊模塊ICHTHYS項目選用3#滑道與4#滑道之間的非滑道區(qū)。場地平面布置圖見圖1。

圖1 海工場地平面布置示意圖

2 研究基礎資料

2.1 場地地質(zhì)情況

根據(jù)場地建設時期的巖土工程勘察報告，場地為2005-2007年填海造地經(jīng)過強夯處理形成的。在強夯地基土的上部鋪設了0.5 m厚的塊石墊層，塊石直徑0.2～0.5 m。場地地層主要有素填土(碎石素填土和粉質(zhì)黏土素填土)、淤泥、殘坡積土(粉質(zhì)黏土混砂礫)和基巖。第四紀地層厚度6.3～19.7 m。

第1層：素填土和淤泥。其中碎石素填土主要為開山石和風化砂，級配差。碎石素填土厚度6.3～17.1 m,層底標高-3.21～-11.27 m，原位標準貫入試驗擊數(shù)均大于50擊。在碎石填土的下部，局部為粉質(zhì)黏土素填土，混有數(shù)量不等的碎石，厚度2.6～6.2 m，原位標準貫入試驗擊數(shù)17～25擊。在素填土下部還存在一定數(shù)量的淤泥，局部缺失，厚度0.1～3.0 m，原位標準貫入試驗擊數(shù)1～3擊，由于該層?；煊兴槭?，混碎石處標準貫入擊數(shù)大于50擊。

第2層：褐黃色、棕黃色粉質(zhì)黏土、黏土混砂礫，可塑硬塑狀態(tài)。礫石、碎石主要為花崗斑巖，含量不均勻，風化程度差異較大。該層分布不連續(xù)，層厚0.0～2.0 m。原位標準貫入試驗擊數(shù)13～29擊。

第3層：基巖，工區(qū)基巖主要為花崗斑巖，局部存在煌斑巖和安山玢巖。基巖面埋深15.9～19.0 m。

2.2 地基勘察資料

場地承載力試驗工作采用平板載荷試驗的方法進行，試驗板面積0.25～10.50 m2，最大加荷800～4 000 kPa。根據(jù)進行的承載力檢測試驗結(jié)果分析，場地極限承載力大于4 000 kPa，承載力特征值可以達到2 000 kPa，承載力特征值對應的沉降為1.19～53.05 mm。由于現(xiàn)有場地地基土為回填碎石土，各試驗點沉降差別較大。圖2為廠區(qū)歷史地基檢測荷載試驗位置(ICNHTHYS1～ICHTHYS5)及3#和4#滑道間非滑道區(qū)400 kPa荷載作用下地基沉降等值線圖。

圖2 荷載試驗位置及400 kPa 荷載作用沉降等值線圖

2.3 上部組件情況

非滑道區(qū)擬建組件為陸上液化天然氣LNG管廊結(jié)構(gòu)。該模塊由8個子組件A1PA～A2PD組成，其在非滑道區(qū)的布置如圖3所示。覆蓋寬度約為100 m，長度約為400 m。

圖3 ICHTHYS項目建造平面布置示意圖

LNG廊道模塊為多層空間剛架結(jié)構(gòu)，構(gòu)件類別多，連接貫通形式復雜，有嚴格的施工工藝工序要求。單個子模塊的設計凈重約為6 500 t，其中項目子模塊A2PD結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 項目子模塊A2PD結(jié)構(gòu)示意圖

3 有限元模型

地基不均勻沉降分析中，巖土介質(zhì)的力學性質(zhì)非常復雜，影響其應力和變形的因素也很多，例如巖土的結(jié)構(gòu)、孔隙、密度、歷史應力、荷載特征、孔隙水及時間效應等，在如此多的因素作用下要獲取理論解幾乎是不可能的。對于建造在非滑道區(qū)的大型組件，土體與結(jié)構(gòu)的相互作用直接影響到結(jié)構(gòu)的受力及變形情況，過去限于計算方法，結(jié)構(gòu)設計中對于土體與結(jié)構(gòu)的相互作用以及地基的沉降，只能作一些粗糙的假定，使得計算結(jié)果與實際情況差距甚遠。采用ANSYS有限元中的巖土DP模型和接觸技術(shù)考慮地基與結(jié)構(gòu)相互作用的非線性應力-應變關(guān)系，可以合理反映實際情況。

3.1 Drucker-Prager(DP)土模型

巖石和土壤材料受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度，且材料受剪時，顆粒會膨脹，常用的VonMises屈服準則不適用于這類材料。能準確描述這類材料的強度標準為Drucker-Prager準則，使用該準則的材料簡稱為DF材料。

Drucker-Prager屈服準則是對Mahr-coulomb準則的近似，用以修正VonMises屈服準則，即在VonMises表達式中包含一個附加項。其流動準則既可以使用相關(guān)流動準則，也可以使用不相關(guān)流動準則，其屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而改變，因此沒有強化準則，然而其屈服強度隨著側(cè)限壓力的增加而相應增加。對于DP材料，當材料參數(shù)給定后，屈服面為一圓錐面，此圓錐面是六角形的Mahr-coulomb屈服面的外切錐面(圖5)[9]。

圖5 Drucker-Prage屈服面[9]

3.2 接觸問題

實際工程中，上部管廊結(jié)構(gòu)組件通過鋼結(jié)構(gòu)墩墊即基礎將結(jié)構(gòu)自重及施工安裝過程中的環(huán)境荷載及工作荷載傳遞給地基。墩墊結(jié)構(gòu)與地基的相互作用是一種高度非線性行為，其接觸狀態(tài)隨荷載、材料、邊界條件等發(fā)生變化，同時也存在摩擦非線性問題。研究取墩墊底面積作為目標剛性接觸面，單元類型為TARGE170；第一層土層的頂表面作為柔性接觸面，單元類型為CONTA173。采用面面接觸的方式來模擬墩墊與地基的接觸效果。

3.3 ANSYS參數(shù)化模型

利用APDL(ANSYS Parametric Design Language)與宏技術(shù)組織管理ANSYS有限元命令，可以實現(xiàn)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化荷載與求解以及參數(shù)化后處理結(jié)果的顯示，從而實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程，這也是ANSYS批處理分析的最高技術(shù)。在參數(shù)化的分析過程中簡單地修改其中的參數(shù)即可修改各種尺寸、不同荷載大小，生成多種設計方案，可以極大地提高分析效率、減少分析成本。

圖6 地基沉降分析模型

依據(jù)項目特點，研究擬設下述類別參數(shù)：基礎參數(shù)定義墩墊底板的長、寬、高用以討論接觸面積對沉降的影響；土體參數(shù)包含土層分類、各層的厚度及物理力學參數(shù)。參照地質(zhì)報告及檢測資料，沉降計算深度取至基巖表面，即模型取基巖上兩個土層，其厚度分別為6.4～20.1 m和0.0～2.0 m。各土層的計算參數(shù)主要包括DP材料的黏聚力c，內(nèi)摩擦角φ，膨脹角ψ，保守做法本計算中土層膨脹角取0。土層的彈性模量依據(jù)現(xiàn)場檢測的變形模量獲取，泊松比根據(jù)土體特征假設。表1中列出地基不均勻沉降分析模型中定義的參數(shù)類別,其中各參數(shù)值都可調(diào)整。單個墩墊基礎底板與地基整體分析1/4對稱體幾何模型及有限元模型如圖6所示，實體單元類型為SOLID45。

表1 地基不均勻沉降模型分析參數(shù) Table 1 Parameters for the uneven foundation settlement model

4 分析結(jié)果

4.1 測點地基沉降值

根據(jù)ICHTHYS項目建造廠區(qū)1#地基試驗數(shù)據(jù)，采用上述有限元分析模型所得到的不同基礎底面積、不同均布荷載作用下的地基沉降值列于表2。

表2 地基沉降值(mm) Table 2 Values of foundation settlement(mm)

圖7 400 kPa荷載1.5 m×1.5 m基礎地基沉降位移圖

400 kPa均布荷載作用下該位置基礎沉降值為12 mm，與圖2中該位置檢測沉降值8 mm接近。沉降云圖如圖7所示，位移云圖變化表明計算分析范圍即土體長度、寬度及土層深度取值合理。根據(jù)表2數(shù)據(jù)的分析結(jié)果見圖8，對應相同均布荷載效應，地基的沉降值隨著基礎尺度的增大而增大，即對重型結(jié)構(gòu)不能單純依賴增加單個墩墊的平面尺度來達到減小最終沉降的目的。

圖8 不同等級荷載對應不同基礎尺度時地基沉降

4.2 設計參數(shù)敏感性

計算模型的各參數(shù)對基礎沉降影響的重要性程度有所不同。結(jié)合敏感性分析結(jié)果可以找到影響沉降的關(guān)鍵因素，為最終設計沉降監(jiān)測方法及抑制措施提供依據(jù)。本文結(jié)合分析模型設置參數(shù)考證基礎、外荷載、土體材料參數(shù)對地基沉降的敏感性。控制影響度指標5%所得到的各個參數(shù)相對于地基沉降的敏感性指標見圖9。

圖9 分析參數(shù)對地基沉降影響敏感度指標

由圖9可見，本分析對于控制基礎沉降最為敏感的參數(shù)主要為荷載值和第1層土體的彈性模量；其次為基礎尺度參數(shù)，如墩墊底板的長、寬、高等；其他相關(guān)的土體力學物理參數(shù)，如土層厚度、第2層土的參數(shù)等對沉降影響不顯著。

圖10，11為上述重要性參數(shù)：均布荷載值及第1層土體彈性模量的概率密度模擬結(jié)果。荷載參數(shù)均值400 kPa、1.5 m×1.5 m基礎底板、第1層土彈性模量均值參照檢測值確定，假設方差為相應參數(shù)均值取值的1%，比較各參數(shù)變化對地基沉降的影響。從曲線輪廓和迭代擬和的結(jié)果可見，數(shù)值分析迭代合理。

圖10 荷載概率分布

圖11 第1層土體彈性模型概率分布

4.3 場區(qū)不均勻沉降

根據(jù)ICHTHYS項目建造廠區(qū)范圍及各模塊的特點，參照上述參數(shù)敏感性程度，取土層1對應不同彈性模量結(jié)果下單位墩墊的沉降差值，評估場區(qū)不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)影響程度。墩墊尺度為1.5 m×1.5 m?？紤]建造安裝荷載，取單個管廊模塊重力為6 500 t，不考慮偏心影響下，設計假設40個墩墊每個分配載荷為722.2 kPa。由表3可見，現(xiàn)有假設條件下，ICHTHYS場區(qū)單個墩墊下最大沉降值為26 mm，沉降凈值符合建造要求，但其不同區(qū)塊存在明顯的不均勻性，最大差值比達到229%。

表3 ICHTHYS場區(qū)地基不均勻沉降值 Table 3 Values of uneven foundation settlement at ICHTHYS site

5 結(jié) 論

1)海工大型組塊大范圍場地一體化建造安裝，除了考慮單位凈沉降值外，應關(guān)注場區(qū)同一組塊及相鄰組塊的相對不均勻沉降差，并應對加工組件進行施工過程地基不均勻沉降影響分析，以減少組裝構(gòu)件的內(nèi)應力和安裝誤差，提高建造精度保證生產(chǎn)安全。

2)對于場地非滑道區(qū)，由于地質(zhì)情況復雜，分析模型應做參數(shù)敏感性分析，用以確定影響分析指標的關(guān)鍵控制因素，以指導相關(guān)控制參數(shù)的選擇和施工方案的確定。

3)大體積重型組塊建造安裝應合理優(yōu)化選擇墩墊基礎的平面布置及結(jié)構(gòu)形式，不能單純依賴增加單個墩墊基礎的尺度來達到減小地基沉降。

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Uneven Settlement Analysis of the Foundation of LNG Modules Constructed in Non-Slideway Zone

SHI Ji-cheng1, MENG Xun2, LIU Yu-jie1, XU Xue-jun1, TIAN Hui-yuan2

(1.OffshoreOilEngineeringCO.LTD(Qingdao), Qingdao 266000, China; 2.EngineeringCollege,OceanUniversityofChina, Qingdao 266100, China)

According to the demands of integrated construction of large-scaled LNG modules in non-slideway zone at marine construction site, and based on the historical foundation data and the features of the modules to be constructed, the finite element analysis with parametric modeling technology (ANSYS-APDL) is conducted to simulate the nonlinear stress-strain relationship and the settlement state of the foundation in the whole stage of model construction. For guiding the selection of parameters, the influence of the complicated parameters of soil mass on the foundation settlement is determined through sensitivity analysis. The results indicate that the uneven settlement of the foundation in the non-slideway zone could influence the construction of large-scaled structures. The major influencing factors are the elastic modulus of the 1st soil layer and the load pressure of foundation. The relative inhomogeneity of the foundation settlement occurring in the construction and obtained by means of numerical simulation can either compare with the measured results, or acquire the prediction values of foundation settlement, so that the installation and temporary reinforcement can be guided in time.

ANSYS Parametric Design Language (APDL); non-slideway zone; foundation; uneven settlement; LNG

1002-3682(2015)03-0024-09

2015-04-07

國家自然科學基金項目——深水大兆瓦風機新型浮式支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)及多準則決策研究(51309209)

石繼程(1981-)，男，工程師，碩士，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)物設計及建造安裝分析方面研究.E-mail:shijc@mail-cooec.com.cn*通訊作者：孟 珣(1973-)，女，副教授，博士，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物力學特性研究及綜合評價方面研究.E-mail:mengxun@ouc.edu.cn(王佳實 編輯)

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