大型儲油罐地基承載狀態(tài)模擬及實例分析

朱 曉 明

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

大型儲油罐地基承載狀態(tài)模擬及實例分析

朱 曉 明

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

通過FLAC2D軟件對大型石化廠區(qū)大型儲油罐地基承載狀態(tài)進行了模擬，選取了各種土層參數(shù)和基礎參數(shù)，將計算結果的地基沉降和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)作了對比分析，研究了在大型儲油罐荷載下地基內部的應力變化和土體的屈服狀態(tài)，并以廣東某石油化工廠區(qū)為例，從附加應力響應、土體變形和周圍土體變形進行數(shù)值分析，結合工程實測數(shù)據(jù)進行對比研究，得出了一些結論。

大型儲油罐，地基處理方法，F(xiàn)LAC2D數(shù)值模擬

1 概述

由于大型化儲罐的荷載大、使用情況特殊等特點，對地基的承載力提出了新的要求，致使儲罐的地基和基礎建設施工難度加大，如按常規(guī)的地基基礎規(guī)范進行設計，則會出現(xiàn)較大的差錯，大型儲罐基礎的基礎設計與地基處理已成為巖土工程中研究的重要問題之一。

FLAC數(shù)值模擬方法是目前對地基處理方法仿真模擬研究比較實用的一種方法。FLAC程序(Fast Lagrangian Analysis of Continua)可以準確的模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領域有其獨特的優(yōu)點。

本文即以廣東某石油化工廠區(qū)為例，從附加應力響應、土體變形和周圍土體變形進行數(shù)值分析，并結合工程實測數(shù)據(jù)進行對比研究。

2 計算模型選擇

本研究地基處理模擬選用FLAC的摩爾—庫侖模型。摩爾—庫侖模型(Mohr-Coulomb Model)使用時需要確定以下6個參數(shù)：1)Density：密度；2)Bulk：體積模量；3)Shear：剪切模量；4)Cohesion：內聚力；5)Friction：摩擦角；6)Dilation：剪脹角；7)Tension：抗拉強度。

其中，密度、內聚力和摩擦角可根據(jù)巖土工程勘測報告提供的參數(shù)取值；對于一般土體，剪脹角(Dilation)和抗拉強度(Tension)可設為0；體積模量(Bulk)和剪切模量(Shear)通過以下公式由楊氏彈性模量E換算：

(1)

(2)

其中，K為體積模量；G為剪切模量；E為楊氏彈性模量；υ為泊松比。

3 模型建立

3.1 工程簡介

廣東某石油化工廠區(qū)占地面積約5 km2，建設規(guī)模2 000萬t/年，配套建設工藝裝置共29套，以及30萬t原油碼頭和3萬t～5萬t產(chǎn)品碼頭，最大儲油罐16×104m3內置浮頂罐，直徑109 m,高17.8 m[2]，工程地區(qū)內土層地質資料見表1。

3.2 模型構建方法

運用FLAC2D采用軸對稱方法建立模型對實際的儲油罐圓形荷載進行模擬，其中基礎部分的本構模型選用彈性模型，地基的本構模型選擇摩爾—庫侖模型。具體建模過程如下：

1)建模思路。由于儲油罐荷載為圓形荷載，模型可以考慮為柱狀對稱。而一般的FLAC2D建模為二維建模，但可以運用FLAC2D中的軸對稱功能將模型設置為柱形，這樣就使建立模型與實際情況相符合。

表1 本工程土層參數(shù)

2)建立基本網(wǎng)格。運用FLAC中的內置語言Fish編寫程序生成滿足要求的網(wǎng)格，并調整使之在荷載作用部位網(wǎng)格較密，遠處較疏，以便于同時滿足高的計算效率和準確的計算精度要求。

3)材料屬性參數(shù)賦值。按照各材料的室內試驗測的參數(shù)對儲油罐基礎和各土層賦予相應的參數(shù)。

4)添加邊界條件?？紤]到模型選用的是對稱模型。在水平方向理論上為無限遠，模型設置豎直邊界條件時只添加水平約束。底部的邊界條件對計算結果影響很小，模型建立時選用的是水平和豎直方向同時約束。

5)初始應力計算。按照上述順序將模型建立以后，使模型在自重下進行平衡，得到類似自然場地的自重應力。

6)儲油罐荷載施加。在自然場地的上部儲油罐荷載作用范圍內施加豎向應力，并再次求解，得到儲油罐荷載作用下的計算結果。

7)后處理。對運用FLAC2D計算后的結果進行后處理得到地表沉降、儲油罐墻體下部的土體水平位移和地基內附加應力的結果。

圖1為數(shù)值模型的邊界條件示意圖，圖2是在FLAC2D中建立的數(shù)值模型。

3.3 參數(shù)取值

在本文中有限差分數(shù)值分析所采用本構模型的參數(shù)中，地層的參數(shù)主要通過對其擾動樣的室內模型試驗獲得，因此可以得到較為全面的參數(shù)；儲油罐基礎模型材料參數(shù)參考常見的混凝土。

該廠區(qū)地基處理問題采用數(shù)值模擬軟件FLAC2D進行分析。在建立土體模型時采用軸對稱模型，荷載統(tǒng)一選用P=250 kPa，一共建立四個土層，見圖2。

4 計算結果

4.1 土體附加應力響應

大型油罐數(shù)值計算實例分析主要針對直徑為109 m的大型儲油罐進行計算，從附加應力響應、土體變形和周圍土體變形進行數(shù)值分析，并結合工程實測數(shù)據(jù)進行對比研究。

圖3為油罐荷載作用下基礎中心處地基中附加應力隨深度的變化(油罐半徑基礎為26 m)?？梢钥闯龈郊討﹄S深度而逐漸減小，到80 m深度處，附加應力急劇減??；而后隨著深度的增加逐漸減小。

4.2 中心土體變形分析

圖4中為儲油罐地基頂面自中心向外的土體沉降曲線，由該計算曲線可以看出基礎中心處的沉降最大，達到512 mm。這是由于該點位于罐體荷載的中心，由于大型儲油罐罐體半徑尺寸較大(有時甚至達到百米)。盡管油罐基礎為混凝土板澆筑而成，但整體呈現(xiàn)出柔性的特點。另外可以發(fā)現(xiàn)在罐體基礎邊緣處，基礎下方的地表沉降與基礎外側的沉降發(fā)生急劇的突變。在計算過程中可以發(fā)現(xiàn)基礎邊緣部位的地基發(fā)生了屈服。

圖5中為某公司新油庫區(qū)的大型儲油罐在充水預壓下的地表沉降監(jiān)測曲線?？梢钥闯雠c模擬得到的曲線很相似，都是在基礎中心處沉降最大，在基礎邊緣處沉降曲線出現(xiàn)突變，驗證了數(shù)值模擬的結果。但不同的是，實際測量中，在油罐基礎以外的區(qū)域也發(fā)生了一定的沉降，有50 mm之多?？紤]到現(xiàn)場的情況比較復雜，與數(shù)值模擬不同，現(xiàn)場的土體在荷載的影響下會發(fā)生徐變、自重沉降等等情況。

圖6中為將實測值和計算值的縱、橫坐標按照沉降總量和基礎寬度歸一化以后的曲線對比，可以看出由數(shù)值模擬得到的地表沉降曲線形狀與實測曲線形狀基本一致。只是實測值的罐體基礎差異沉降較計算值較大，且數(shù)值模擬中只是用摩爾—庫侖模型模擬土體在荷載作用下的變形，故儲油罐基礎邊緣以外的部分并沒有發(fā)生沉降。

4.3 周圍土體變形分析

圖7為數(shù)值模擬計算得到的儲油罐墻體下方土體的水平位移?？梢钥闯龉囗?shù)耐馏w沒有發(fā)生大的水平側移，隨著深度的增加，土體的水平位移逐漸增大，在10 m深度處達到最大100 mm，而后隨著深度的增加又減小為0。

圖8為某新油庫區(qū)的大型儲油罐在充水預壓下的罐周下方水平位移測斜曲線。整體來看，土體的水平位移隨土體深度呈現(xiàn)出與數(shù)值模擬一樣的規(guī)律，驗證數(shù)值模擬的結果。由于實測曲線的工程與數(shù)值模擬的土層條件有出入，故曲線的實際位置并不相同。圖9是儲油罐墻體下土體水平位移實測值和模擬值經(jīng)歸一化后的對比，可以發(fā)現(xiàn)模擬結果與實測曲線的變化規(guī)律較為一致。

5 結語

本文通過按照模擬的步驟通過后處理得到了地表沉降，罐周以下土體水平位移以及地基內附加應力的變化規(guī)律。并引入實測數(shù)據(jù)進行對比，證明了數(shù)值模型的可行性。通過上述計算對比，主要可以得到以下結論：

1)用FLAC可以從多個方面，包括地表沉降、水平位移以及附加應力等方面來對大型儲油罐進行模擬。

2)從計算以及實測結果可以看出，儲油罐中心的沉降最大，邊緣的沉降小于基礎中心沉降，會導致差異沉降的出現(xiàn)，這對構筑物是不利的。此外，由于土的非連續(xù)性，且在油罐荷載的作用下，基礎邊緣處的地基會發(fā)生屈服現(xiàn)象，這導致在基礎邊緣處，土體的沉降有較大的突變。

3)從儲油罐罐周墻體以下的土體水平位移可以看出，土體在基礎下某一深度處會發(fā)生較大的水平位移，但相對于地基的豎向位移較小。這是由于土體在豎向荷載的作用下發(fā)生擠壓，基礎下方受到擠壓的土體會朝側面運動。

[1] 賈慶山.粉細砂夾層的軟粘土上建造大型油罐[J].巖土工程學報,1988(1):57-68.

[2] 丁建洋.日本大學創(chuàng)新能力的歷史建構研究[D].南京：南京大學,2013.

[3] 隆 威,梁專明.充水預壓法加固油罐軟土地基數(shù)值分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009(6):44-46，50.

On simulation of large-scale oil tank storage foundation bearing status and example analysis

Zhu Xiaoming

(CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The paper simulates the large-scale oil tank storage foundation bearing status at some large petrochemical areas with FLAC2D software, selects the stratum and foundation parameter, undertakes the comparative analysis of the foundation settlement and factual monitoring data with the calculation results, researches the stress in the foundation and yielding status under the large-scale oil tank storage bearing, has the numeric analysis of the additional stress response, soil deformation and surrounding soil deformation by taking some petrochemical factory in Guangdong as the example, has the comparison by combining with engineering data, and achieves some conclusions.

large-scale oil tank storage, foundation treatment method, FLAC2D numeric simulation

2015-05-27

朱曉明(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)22-0081-03

TU470

A