大型油藏組合型復(fù)合地基設(shè)計方法研究

大型油藏組合型復(fù)合地基設(shè)計方法研究

大型儲油罐基礎(chǔ)設(shè)計和變形儲層大型基礎(chǔ)設(shè)施的特點是荷載大，底板大，基本處理和基礎(chǔ)投資比例大。從國內(nèi)外的儲罐工程事故分析來看,多由儲罐基礎(chǔ)小均勻沉降導(dǎo)致儲罐的變形破壞,造成的經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。另一方面,由于設(shè)計中對儲罐地基變形機(jī)理認(rèn)識不清,計算方法不切合實際,有時過高估計了基礎(chǔ)沉降值,因而采用了不恰當(dāng)?shù)牡鼗幚矸椒ㄉ踔撩つ坎捎脴痘A(chǔ),造成了巨大的浪費。從已有資料的顯示出的建罐經(jīng)驗看,例如大慶石油多年的建罐經(jīng)驗,各種規(guī)模的罐基礎(chǔ)沉降的實際觀測值都比計算值小,僅有極少數(shù)罐基礎(chǔ)因基礎(chǔ)沉降過大而影響正常使用,因此有理由認(rèn)為現(xiàn)行規(guī)范提供的設(shè)計計算方法不能完全適用于不同地區(qū)罐基礎(chǔ)設(shè)計,需要對其大型儲油罐的底板和地基分析方法和設(shè)計方法進(jìn)行深入研究?；诖?本文提出并研究相關(guān)內(nèi)容,將有助于進(jìn)一步明確目前已有的大型儲油罐底板和地基設(shè)計的方法和原理,同時對于完善相關(guān)的理論和方法技術(shù)具有重要的理論價值。1原油長距離加固方法及原理分析1.1預(yù)壓固結(jié)法是否滿足工程要求是解決基層固結(jié)難的因素原理是在逐級加荷過程中產(chǎn)生的總沉降量為S1,壓載過程中產(chǎn)生的沉降量為S2;卸掉預(yù)壓荷載后基礎(chǔ)產(chǎn)生回彈量為S3(一般回彈沉降量很小),儲罐交付使用后,基礎(chǔ)產(chǎn)生的一些剩余沉降為S4(在工程實踐中,通過預(yù)壓固結(jié)后該值也不是很大,一般僅為基礎(chǔ)總沉降S的20%～30%)。預(yù)壓固結(jié)法能否獲得滿足工程要求的實際效果,主要取決于地基土層均勻性、固結(jié)特性、土層的厚度、預(yù)壓荷載的大小預(yù)壓時間的長短等因素。如果軟土層不太厚或土的固結(jié)系數(shù)較大,則不需要預(yù)壓很長時間就可以獲得較好的效果;反之,飽和軟土層比較厚,而且土的固結(jié)系數(shù)比較小,則預(yù)壓固結(jié)使土排水固結(jié)所需的時間就長,為了加速土的排水固結(jié),預(yù)壓加固法常常與砂井排水法等并用。1.2振沖礫石樁振沖碎石樁根據(jù)加固機(jī)理的不同可分為振沖置換法和振沖擠壓法。1.2.1砂顆粒重新排列主要是利用振動和壓力水使砂層發(fā)生液化,砂顆粒重新排列,孔隙減少,從而提高砂層的承載力和抗液化能力,此方法主要用于擠密砂土地基。其加固機(jī)理如下。1.2.1.抗液化作用對振沖擠密法,在施工過程中由于水沖使松散砂土處于飽和狀態(tài),砂土在強烈的高頻強迫振動下產(chǎn)生液化,并重新排列致密,且在樁孔中填入大量的粗骨料后,被強大的水平振動力擠入周圍土中,使砂土的相對密實度增加,孔隙率降低,干密度和內(nèi)磨擦角增大,土的物理力學(xué)性能得以改善,使地基承載力大幅度提高,因此抗液化的性能得到改善。1.2.1.體積收縮和虛實對砂土液化機(jī)理的研究證明,當(dāng)飽和松散砂土受到剪切循環(huán)荷載作用時,將發(fā)生體積收縮和趨于密實。在砂土無排水條件時,體積的快速收縮將導(dǎo)致超孔隙水壓力來不及消散而急劇上升,當(dāng)砂土中有效應(yīng)力降低為零時,便形成了完全液化。1.2.1.確保地基土的壓、裂振沖法施工時,振沖器以每分鐘1450次振動頻率,98m/s2水平加速度和90kN激震力噴水沉入土中時,使填料和地基土在擠密的同時獲得強烈的預(yù)震,這對砂土增強抗液化能力是極為有利的。1.2.2農(nóng)村巖溶實行粉碎樁此方法主要用來加固粘性土地基。對粘性土地基(特別是飽和粘土),由于土的粘粒含量多,粒間結(jié)合力強,滲透性低,在振動力或擠壓力的作用下土中水不易排走,所以碎石樁的作用不是使地基擠密,而是置換。振沖碎石樁是一種換土置換,即以性能良好的碎石來替換不良的地基土。2罐基礎(chǔ)選型原則目前主要采用的儲油罐地基處理方法為:護(hù)坡式基礎(chǔ)、護(hù)圈式基礎(chǔ)、環(huán)臺式基礎(chǔ)和環(huán)墻式基礎(chǔ),其加固原理有預(yù)壓排水加固及振沖碎石樁加固。其主要的各種基礎(chǔ)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)圖如圖1到圖3。罐基礎(chǔ)的選型,應(yīng)根據(jù)儲罐的型式、容積、地質(zhì)條件、材料供應(yīng)情況、業(yè)主要求及施工條件、地基處理方法和經(jīng)濟(jì)合理性等條件綜合考慮。罐基礎(chǔ)按現(xiàn)場地質(zhì)條件的選型,宜符合下列要求:(1)當(dāng)?shù)鼗聊軡M足承載力設(shè)計值和沉降差的要求及建罐場地不受限時,宜采用護(hù)坡式罐基礎(chǔ)的選型。(2)當(dāng)?shù)鼗敛荒軡M足承載力設(shè)計值要求時,但沉降差不超過現(xiàn)行國家行標(biāo)規(guī)定允許值時,可采用環(huán)墻式、外環(huán)墻式(鋼筋混凝土)、護(hù)坡式罐基礎(chǔ)。(3)當(dāng)?shù)鼗鶊D為軟土,地基圖不能滿足承載力設(shè)計值要求,且計算沉降差不能滿足現(xiàn)行國家行標(biāo)規(guī)定允許值或地震作用地基圖有液化時,宜采用環(huán)墻式(鋼筋混凝土)罐基礎(chǔ)。(4)當(dāng)建罐場地受限制時,宜采用環(huán)墻式(鋼筋混凝土)罐基礎(chǔ)。(5)當(dāng)罐基礎(chǔ)建在山區(qū)時,應(yīng)根據(jù)具體情況采用不同方案處理,基礎(chǔ)墊層可采用當(dāng)?shù)氐恼承酝?但必須做好截水與排水措施。(6)對建在沿海大風(fēng)地區(qū)的罐基礎(chǔ),應(yīng)沿罐底周邊設(shè)置錨固螺栓。3組合型復(fù)合地基當(dāng)天然地基不能滿足結(jié)構(gòu)物對地基的要求時,就需進(jìn)行地基處理,而復(fù)合地基是地基加固處理的一種非常有效的方式,它能充分利用天然地基和樁體的潛在能力,經(jīng)濟(jì)效益顯著。但每種復(fù)合地基都有自己的優(yōu)缺點,柔性樁復(fù)合地基的承載力最低,一般只能提高天然地基承載力的40%-60%,但它對處理砂土液化特別有效,且排水性能好,有利于處理范圍內(nèi)的地基土固結(jié),提高復(fù)合地基早期強度;而對于加固含水量較高的軟土地基,半剛性樁發(fā)揮了自己獨有的優(yōu)勢,但它畢竟受樁體強度的影響,限制了它向高層建筑以及高強度地基處理方面的使用。剛性樁復(fù)合地基的承載力最強,且沉降量小,但對地質(zhì)條件要求較嚴(yán),主要用于地基土承載力特征值>80kPa的地基處理中。為了充分發(fā)揮各自優(yōu)點,出現(xiàn)了一種新型的復(fù)合地基,即組合型復(fù)合地基。所謂組合型復(fù)合地基,就是把兩種或兩種以上的樁進(jìn)行合理組合而形成的一種特殊的復(fù)合地基,這兩種樁類型可以相同,也可以不同,它們的地位一般的以一種為主承擔(dān)荷載,有時也可平分秋色(多數(shù)為同類樁型的)。這兩類樁大多數(shù)由剛性樁+剛性樁(或柔性樁)組成,也有由半剛性樁和柔性樁或兩種不同剛度的同類樁組成的。組合型復(fù)合地基可分兩類,一類是一種樁不承擔(dān)或承擔(dān)較少荷載、而以另一種樁和土為主承擔(dān)荷載,另一類是兩種樁和土共同承擔(dān)荷載。下面將對這些組合型復(fù)合地基的原理及特點進(jìn)行分析。3.1水泥粉碎石樁cfg對松散砂和粘土的加固機(jī)制3.1.1穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的發(fā)生疏松的單粒結(jié)構(gòu),顆粒間孔隙較大,位置不穩(wěn)定。在振沖荷載作用下,可使其產(chǎn)生較大變形——擠密,單粒、松散結(jié)構(gòu)則變成密實的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。土體的干密度和摩擦角有所增大,土體物理力學(xué)性能得到改善,從而提高了地基承載力。3.1.2人工豎向排水CFG樁復(fù)合地基在成樁初期,因樁孔內(nèi)和周邊充填過濾性較好的粗顆粒填料,在地基中就形成了滲透性能良好的人工豎向排水、減壓的通道,可以有效地消散和防止振沖產(chǎn)生的超孔隙水壓力的增高,加速地基的排水和固結(jié)。3.1.3震沖頻率或沖擊水平向加速激振土體的方向發(fā)展CFG樁復(fù)合地基成樁過程中,振沖器以一定的振動頻率或沖擊水平向加速激振土體,使填料和地基土在提高相對密實度的同時獲得強烈的預(yù)震。這種預(yù)震對砂土增強抗液化能力極為有利。3.2水泥粉碎石樁cfg對粘性土的加固機(jī)制3.2.1復(fù)合地基中的應(yīng)力集中現(xiàn)象CFG樁復(fù)合地基不同于碎石樁復(fù)合地基。它的樁體是具有一定粘結(jié)強度的混合料的柱體。在荷載作用下樁體壓縮性明顯小于樁周上,因此基礎(chǔ)傳至復(fù)合地基的附加應(yīng)力隨地基的變形逐漸集中在樁體上,出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。CFG樁在復(fù)合地基中起到樁體的作用。試驗表明樁上應(yīng)力比(樁承受的荷載與樁間上承受的荷載之比)可在24-35之間變化,樁承受的荷載通過樁周的摩阻力傳到更深層的地基土中。3.2.2樁間土擠壓作用CFG樁復(fù)合地基一般采用振動(沖擊)沉管法施工。由于振動或沖擊的擠壓作用使樁間土得到一定程度的擠密。加固后的地基土的含水量、孔隙比、壓縮系數(shù)均有所減少和降低,而土體的重度、壓縮模量均有所增加。3.2.3不同靈敏度土體的結(jié)構(gòu)強度利用振動或沖擊成樁法工藝施工將對樁間土產(chǎn)生擾動,特別是對高靈敏度的土體,其結(jié)構(gòu)強度將有一定程度的喪失,土體的強度降低。但在施工結(jié)束后,隨著恢復(fù)期的增長,結(jié)構(gòu)強度也會逐漸恢復(fù)。4工程實例分析4.1基本罐體及結(jié)構(gòu)荷重華北油田位于河北某地48000m3儲油浮頂罐是華北石油的一項重點工程,也是目前該地區(qū)建造的最大儲油罐。儲油罐設(shè)計荷載220kPa,天然地基承載力僅為95kPa,無法滿足儲油罐荷載要求,必須對地基進(jìn)行處理。該48000方浮頂油罐的一些基本計算參數(shù)如下:直徑D=58m,高19.2m;罐底板高出地面lm,地面以下砂墊層厚lm;罐體白重:875t;充水重:47412.4t;環(huán)墻自重:307.6t;環(huán)墻內(nèi)填砂重:10476.4t;油罐建成后結(jié)構(gòu)荷重:12368.3t;總荷重:60963.7t。該地在地貌單元土屬環(huán)渤海地區(qū)的沖積平原,地下水位埋藏較淺,豐水期埋深為1.1米。程地質(zhì)條件如下:4.1.1多層壓縮性土持力層該層為華北環(huán)海地區(qū)普遍存在的沉積硬殼層,第四紀(jì)陸相沉積,分布均勻,平均含水量為33.3%,壓縮系數(shù)為0.621MPa-1,壓縮模量為3.775MPa,屬高壓縮性土,孔隙比為1.091,承載力標(biāo)準(zhǔn)值為100kPa,該層可作為多層房屋及小型油罐的持力層。4.1.2濾材過濾模量、壓縮系數(shù)及壓縮模量該層為基礎(chǔ)以下的軟弱層,濱海相沉積,平均含水量為33.64%,最大含水量為44.9%,孔隙比為1.022。壓縮系數(shù)為0.526MPa-1,壓縮模量為4.265MPa。屬高壓縮性土,平均承載力標(biāo)準(zhǔn)值為90.0kPa,本層在勘察區(qū)內(nèi)厚度由南向北逐漸變薄至尖滅,在油罐設(shè)計時應(yīng)注意因本層的存在而引起的不均勻沉降。4.1.3催化劑的選擇該層屬濱海相沉積,分布均勻,厚度穩(wěn)定,普遍存在于勘察場區(qū)內(nèi),透水性能良好,承載力相對較高,其標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)為140kPa,是油罐基礎(chǔ)以下良好的下臥層和排水層。4.1.4壓縮系數(shù)為8.5%a-1,孔隙結(jié)構(gòu)為10.該層分布均勻,厚度穩(wěn)定,平均含水量為26.8%,孔隙比為0.879,壓縮系數(shù)0.336MPa-1,壓縮模量為8.813MPa,屬中壓縮性土,承載力標(biāo)準(zhǔn)值為130kPa。4.1.5工程地質(zhì)條件基礎(chǔ)以下良好的下臥層,若采用樁基礎(chǔ),本層是樁端良好的持力層,透水性較好,承載力平均值為210kPa,其表層5.0～6.0米承載力為180kPa,底部承載力可達(dá)230kPa,工程地質(zhì)條件良好。4.1.6粘土粉該層分布均勻,層頂埋深26.5～31m,厚度2～3,承載力標(biāo)準(zhǔn)值為300kPa,是基礎(chǔ)良好下臥層。4.1.7細(xì)砂該層分布均勻,層頂埋深31m,承載力標(biāo)準(zhǔn)值為350kPa,強度較高,是基礎(chǔ)良好下臥層。4.2地基處理方案1根據(jù)該地區(qū)48000方油罐工程特點及場地工程地質(zhì)條件,可采用的地基處理方案有:(1)水泥深層攪拌法;(2)CFG樁;(3)排水固結(jié)。其中加固CFG樁的計算分析如下:4.2.1計算公共格式4.2.1.1單鏈生產(chǎn)力kr的計算式中:vp為樁的周長;qsi為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qp為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)植;li為第i層土的厚度。4.2.1.單樁承載力分析fsp,k為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)植(kPa);m為面積置換率;pA為樁的截面面積(m2);fk為天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);α為加固后樁基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值與天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值之比;β為樁間土強度發(fā)揮系數(shù),0.75～1.0;對變形要求較高的建筑物應(yīng)取低值;kR為單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kN);其中α的取值,一般應(yīng)符合下列規(guī)定:4.2.1.2.1擠土成樁時一般粘性土和粉土α=1.0～1.2,孔隙比大,塑性指數(shù)小時取高值,孔隙比小,塑性指數(shù)大時取低值;對不能恢復(fù)到原土強度和60d以后才能恢復(fù)到原十強度的結(jié)構(gòu)性土,如淤泥質(zhì)土;施工速度較快時,α<1,宜由現(xiàn)場試驗確定,對60d以內(nèi)可以恢復(fù)到原土強度的結(jié)構(gòu)性土,可取α=1,松散粉細(xì)砂、松散填土宜通過實測確定。4.2.1.2.2非擠土成樁時,取α=1。4.2.2fg樁的施工(1)的選取,如表1;(2)由于CFG樁在河北該地區(qū)施工采用長螺旋鉆孔灌注成樁,所以為非擠土樁,取α=1。且油罐對變形要求較高,則β取0.75。4.2.3單樁承載力計算經(jīng)反復(fù)試算,計算結(jié)果如下:樁長L=12m;樁徑D=400mm;樁頂標(biāo)高=1.0m;單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rk=350kN;面積置換率m=0.05;5結(jié)論和期待5.1儲罐基礎(chǔ)沉降大型儲油罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計內(nèi)容包括工程地質(zhì)勘察、罐基礎(chǔ)的選型、環(huán)墻計算、地基承載力及穩(wěn)定性計算、地基變形計算、罐基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計、罐體試水預(yù)壓與沉降控制等內(nèi)容。從國內(nèi)外的工程實例分析來看,儲罐工程事故多是由于罐基礎(chǔ)沉降過大影響儲罐正常使用或不均勻沉降過大導(dǎo)致儲罐的變形甚至破壞,造成的經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重;另一方面,由于設(shè)計中對儲罐地基變形機(jī)理認(rèn)識不清,過高估計了基礎(chǔ)沉降值,因而采用了小恰當(dāng)?shù)牡鼗幚矸椒ㄉ?/p>