舟山國(guó)家石油儲(chǔ)備基地軟基堆載預(yù)壓大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

舟山國(guó)家石油儲(chǔ)備基地軟基堆載預(yù)壓大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

1油罐規(guī)模及地基加固工程的必要性隨著中國(guó)石油、石化行業(yè)的快速發(fā)展，以及國(guó)際市場(chǎng)原油價(jià)格的變化，以及能源儲(chǔ)量的戰(zhàn)略要求，中國(guó)對(duì)大型儲(chǔ)油罐的建設(shè)需求日益緊迫，油罐的規(guī)模也在不斷大。2003年,中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司北山嶺油庫建造了2臺(tái)125000m3浮頂油罐,油罐內(nèi)徑90m,罐高21.8m。在國(guó)際上,近40年來,國(guó)際石油石化行業(yè)儲(chǔ)罐建設(shè)迅速向大型化發(fā)展,據(jù)文獻(xiàn)介紹,國(guó)外原油儲(chǔ)罐單罐最大容積已達(dá)200000m3。從理論上講,儲(chǔ)罐容積越大,單位容積的鋼材耗用指標(biāo)越低,建罐投資越省,同時(shí)罐區(qū)總占地面積也越小。大型油罐,一般指直徑大于60m、容積在50000m3以上的儲(chǔ)罐,其罐壁、底層鋼板厚度(一般可達(dá)數(shù)10mm)相對(duì)于60m以上的直徑而言,油罐就如薄膜塑料袋裝水,加上油罐本身的幾何不連續(xù),結(jié)構(gòu)受力相當(dāng)復(fù)雜,對(duì)不均勻沉降尤為敏感。對(duì)于浮頂油罐,罐體傾斜將導(dǎo)致浮頂卡壓,影響其正常使用。因此,油罐直徑越大,其基礎(chǔ)沉降差允許值控制越嚴(yán)格,油罐結(jié)構(gòu)及其地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定和變形要求越高。目前對(duì)于儲(chǔ)量小于100000m3的油罐,罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算以及地基加固處理方面積累的工程經(jīng)驗(yàn)較多,綜合幾十年的工程實(shí)踐和國(guó)內(nèi)外的研究成果,制定了一些相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn);對(duì)于100000m3及以上規(guī)模油罐,相對(duì)于國(guó)際而言,國(guó)內(nèi)在罐體設(shè)計(jì)、建造及相應(yīng)的地基加固處理方面的工程實(shí)踐相對(duì)較少,有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)性不強(qiáng),結(jié)合地域特點(diǎn)具有中國(guó)特色的相關(guān)理論研究更是缺乏。對(duì)于沿海地區(qū)的軟弱地基土,預(yù)先施加荷載進(jìn)行預(yù)壓是一種行之有效的地基加固方法,進(jìn)行堆載的同時(shí)打設(shè)豎向排水體能加速土體固結(jié)。通過以往工程實(shí)踐證明,這也是一種比較經(jīng)濟(jì)合理的方法。本文通過對(duì)舟山國(guó)家石油儲(chǔ)備基地堆載預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)打設(shè)塑料排水板結(jié)合堆載預(yù)壓的地基處理方法的加固效果進(jìn)行了深入分析,以期掌握加固過程,明確加固效果,探索控制加載速率、確保地基穩(wěn)定安全的方法并使之指導(dǎo)施工。2固土開采試驗(yàn)方案在建的舟山國(guó)家石油儲(chǔ)備基地位于浙江省舟山市岙山島南部,南鄰東海,庫區(qū)占地面積137公頃,設(shè)計(jì)總庫容5000000m3,油罐共9組,每組油罐最多6座,油罐直徑80m,高21.8m,單個(gè)油罐儲(chǔ)量達(dá)100000m3。油罐大部分建于軟土上,且軟土厚度達(dá)30~40m,場(chǎng)地內(nèi)上部土層以粉質(zhì)黏土為主,中部以粉質(zhì)黏土和黏土為主,下部為粉質(zhì)黏土夾粗粒砂或碎石,地下水位埋深約為0~1.5m。有關(guān)土性參數(shù)指標(biāo)見表1。由表1可知,舟山石油儲(chǔ)備基地軟土深厚且堆載面積大,地基沉降和不均勻沉降難以滿足油罐對(duì)變形的嚴(yán)格要求,為了保證地基沉降和不均勻沉降能滿足要求并指導(dǎo)整個(gè)場(chǎng)地堆載預(yù)壓施工,在9號(hào)罐組西側(cè)設(shè)試驗(yàn)區(qū)采用塑料排水板結(jié)合堆載預(yù)壓加固軟土地基。試驗(yàn)區(qū)塑料排水板在砂墊層上按正三角形布置,排水板間距1m,排水板打入土體深度為20m,上端高出砂墊層20cm。試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)121.7m,堆載底面寬69.7m。在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)鋪設(shè)50cm厚的中粗砂砂墊層,長(zhǎng)邊方向上設(shè)置2條盲溝,其距離各自外邊界均為49m,短邊方向上設(shè)置1條盲溝。堆載高度6m,采用分級(jí)加荷方式,堆載體自然放坡,堆載施工從2005年4月23日至2005年8月27日,分6級(jí)進(jìn)行。為確保各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目所布設(shè)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)均能提供正確的測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)每個(gè)觀測(cè)儀標(biāo)的布置埋設(shè)均要求十分認(rèn)真仔細(xì),并及時(shí)用相應(yīng)儀器進(jìn)行測(cè)試,確保其能正常工作,埋設(shè)后必須采取可靠措施加以有效保護(hù)。試驗(yàn)區(qū)共埋設(shè)了地表沉降板(GS1~GS16)16塊;分層沉降管(DS1,DS2)2根,埋深30m,測(cè)斜管(CX1,CX2)2根,分別埋深35m,10m;孔隙水壓力測(cè)頭(U1~U8)8只,埋深4~24m;地表水平位移儀標(biāo)(H1~H10)10只,以及地下水觀測(cè)管(W1,W2)2根。2005年4月8日,試驗(yàn)區(qū)排水板施工結(jié)束后進(jìn)行儀標(biāo)埋設(shè),至2005年4月20日完成。試驗(yàn)區(qū)儀標(biāo)埋設(shè)布置如圖1,2所示。3試驗(yàn)結(jié)果的分析本次試驗(yàn)時(shí)間從2005年4月21日至2006年1月3日,下面對(duì)各試驗(yàn)成果進(jìn)行分析。3.1實(shí)際荷載調(diào)整根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反饋調(diào)整后的實(shí)際加載如圖3。實(shí)際加荷計(jì)劃比設(shè)計(jì)加荷計(jì)劃提前30d完成,計(jì)劃根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)反饋由原來計(jì)劃7級(jí)加荷改為6級(jí)加荷,其中每一級(jí)荷載也有相應(yīng)的調(diào)整,具體體現(xiàn)在持荷時(shí)間的縮短,圖中虛線部分為理論計(jì)算加載計(jì)劃,而實(shí)線部分則為實(shí)際工程加載計(jì)劃。3.2沉降變化特征地表沉降觀測(cè)點(diǎn)GS1~GS10在堆載體上,其最后一次觀測(cè)時(shí)間為2006年1月3日;GS11~GS16在堆載區(qū)南面中心線上,其最后一次觀測(cè)時(shí)間為2005年9月22日。由圖4可知,地表沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律與實(shí)際加荷情況一致,規(guī)律良好。堆載體上觀測(cè)點(diǎn)測(cè)得的沉降發(fā)展明顯大于堆載體下觀測(cè)點(diǎn)測(cè)得的沉降,至2006年1月3日測(cè)得累計(jì)沉降最大值為GS6點(diǎn)測(cè)得的1557mm,對(duì)比未堆載區(qū)累計(jì)沉降,2005年9月20日GS6累計(jì)沉降1190mm,GS11累計(jì)沉降195mm,可知在預(yù)壓荷載下,地基的沉降較大,而同時(shí)期非加固區(qū)沉降較小,說明打設(shè)塑料排水板加速地基沉降發(fā)展。圖5為不同時(shí)間沉降沿堆載中心斷面分布曲線。不同時(shí)間點(diǎn)不同點(diǎn)位的沉降增量對(duì)比,其中3,6,9號(hào)沉降增量較快,呈“駝峰”形。圖6為中心斷面地表沉降速率隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律。3.3未打設(shè)排水板及堆載中心土層變形由圖7分層沉降的變化規(guī)律可進(jìn)一步反應(yīng)出塑料排水板加快地基固結(jié)的效果。圖中表明地基的變形主要發(fā)生在打設(shè)排水板的地基加固區(qū),未打設(shè)排水板的加固區(qū)土層的變形只占地表沉降的一小部分。而同時(shí)間DS1(位于堆載南面坡趾處)測(cè)得的未打設(shè)排水板區(qū)沉降所占比例則要高于堆載中心處所測(cè)值。圖8為不同深度地基豎向位移隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律(DS2),接近地表處的點(diǎn)位沉降發(fā)展明顯快于遠(yuǎn)離地表的點(diǎn)位。3.4地表水平位移圖9為測(cè)斜管(CX1)不同時(shí)間土體水平位移沿深度分布曲線,從圖中可以看出土體水平位移主要集中在地基15m深度以內(nèi)的范圍,累計(jì)最大水平位移發(fā)生在地表下4m處附近。同時(shí)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)堆載后期水平位移會(huì)出現(xiàn)內(nèi)縮現(xiàn)象,如最后一級(jí)停荷后期,9月10日測(cè)得數(shù)據(jù)出現(xiàn)內(nèi)縮現(xiàn)象。3.5孔壓發(fā)展規(guī)律圖10為堆載中心位置處不同深度超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出,超靜孔隙水壓力隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律明顯,較好地反應(yīng)了土體中超靜孔壓的增長(zhǎng)和消散規(guī)律,孔壓過程線與荷載過程線形成良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系;同一位置不同深度的孔壓發(fā)展規(guī)律為,隨深度的增加,孔壓增長(zhǎng)消散速率減小,其中U6埋深18m,在堆載后期消散緩慢,這與排水板井阻作用的增加、土體塑性變形引起排水通道改變有關(guān)。圖11為不同位置處孔壓發(fā)展曲線比較,圖中兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置不同但深度相近,其中U1埋深3m,處于堆載區(qū)邊緣,U5埋深4m,處于堆載區(qū)中心,由圖可知,U5測(cè)得的孔壓隨時(shí)間增長(zhǎng)、消散速率快于U1,打設(shè)排水板加固區(qū)孔壓增長(zhǎng)消散較快,而未打設(shè)排水板區(qū)增長(zhǎng)消散的較慢,并表現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象。這說明打設(shè)排水板加速地基排水固結(jié)的效果比較顯著。4通過測(cè)量分析基本結(jié)構(gòu)4.1雙曲線法、asoaka法、相對(duì)于3種方法的推高對(duì)比根據(jù)實(shí)測(cè)沉降推算地基的最終沉降,選取堆載中心GS3,GS5,GS6,GS7,GS95個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。根據(jù)地基沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律,推算地基的變形和固結(jié)指標(biāo)的方法較多,本文分別采用“三點(diǎn)法”、“雙曲線法”、“Asaoka法”進(jìn)行分析。其中“三點(diǎn)法”是《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79—2002)》推薦的方法?！半p曲線法”也是工程中常用的推算方法?！叭c(diǎn)法”推算的結(jié)果如表2所示,瞬時(shí)沉降Sd大小與其位置有關(guān),中心點(diǎn)GS6點(diǎn)67.9mm,兩側(cè)GS5,GS7分別為88mm和90.7mm,最大值出現(xiàn)在GS9點(diǎn)為108.1mm。該表同時(shí)還反應(yīng)出在10月18日,即堆載預(yù)壓178d后,地基平均固結(jié)度達(dá)到80%以上。3種方法推算得到的結(jié)果對(duì)比分析如表3所示,其中Asaoka法由于沉降觀測(cè)時(shí)間較短而僅得到主固結(jié)沉降Sc。由表3可知,3種方法的結(jié)果相近,規(guī)律性一致。其中雙曲線法推得最終沉降S∞比三點(diǎn)法推算得到的沉降值偏大,而由Asaoka法推算得到的主固結(jié)沉降Sc小于三點(diǎn)法推算得到的主固結(jié)沉降Sc,最后給出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)m,m為S∞與Sc的比值。根據(jù)這5點(diǎn)的推算結(jié)果,舟山國(guó)家石油儲(chǔ)備基地堆載預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)的m的建議值為1.18。4.2孔隙水壓力測(cè)試根據(jù)實(shí)測(cè)孔隙水壓力也可以推算地基的固結(jié)參數(shù)β,其計(jì)算公式為式中:u1,u2分別為相應(yīng)時(shí)間t1,t2的實(shí)測(cè)超靜孔隙水壓力。表4列出了6個(gè)不同位置不同深度最后一級(jí)加荷過程中的實(shí)測(cè)超靜孔隙水壓力推算得到的β值。由表4可知,根據(jù)應(yīng)力分析得到的固結(jié)參數(shù)β與按照應(yīng)變分析所得的接近,對(duì)比表2中的推算值0.0167~0.0196/d,表4中埋深最淺的測(cè)點(diǎn)U5比較接近,而深層的推算值較小,與深度成反比,說明井阻作用比較明顯;堆載區(qū)推算值較大,堆載區(qū)以外點(diǎn)推算值小,說明排水板結(jié)合堆載預(yù)壓法加速排水固結(jié)的效果良好。5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果通過本文對(duì)舟山國(guó)家石油儲(chǔ)備基地堆載預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)過程和成果的分析討論,得到以下結(jié)論:(1)本次試驗(yàn)工程設(shè)計(jì)合理,各種觀測(cè)設(shè)備工作正常,觀測(cè)結(jié)果規(guī)律性良好,通過觀測(cè)數(shù)據(jù)反饋修正設(shè)計(jì)計(jì)劃合理,測(cè)試結(jié)果也較為可靠。這能較好地指導(dǎo)整個(gè)場(chǎng)地的軟基加固工程的實(shí)施,對(duì)以后相關(guān)工程也有指導(dǎo)意義。(2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果說明:在舟山國(guó)家石油儲(chǔ)備基地試驗(yàn)區(qū)采用打設(shè)塑料排水板結(jié)合堆載預(yù)壓法處理軟弱地基,地基沉降穩(wěn)定,地基強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng),水平位移發(fā)展穩(wěn)定,排水固結(jié)效果明顯,加荷計(jì)劃的設(shè)計(jì)、調(diào)整和控制是成功的。這說明了塑料排水板以及砂墊層的施工質(zhì)量良好。(3)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中,通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋