16萬m3原油儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降計(jì)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(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降計(jì)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(xiàng)目的2座16萬m3浮頂原油儲(chǔ)罐位于沙漠中，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲(chǔ)罐自身荷載大，罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難度大。文章詳細(xì)介紹了這2座儲(chǔ)罐罐基礎(chǔ)的沉降計(jì)算，通過對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)罐構(gòu)造和荷載的計(jì)算分析，針對(duì)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(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降模型，計(jì)算得出罐底部沉降曲線；通過計(jì)算沉降量與沉降標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，擬采用預(yù)壓法和強(qiáng)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(yàn)結(jié)果的對(duì)比，確定強(qiáng)夯施工方案及參數(shù)；證明強(qiáng)夯對(duì)于改善罐底部基礎(chǔ)機(jī)械特性和控制沉降量的效果是顯著的，設(shè)計(jì)的罐基礎(chǔ)施工方案可以滿足對(duì)沉降量的控制要求。

鋼質(zhì)儲(chǔ)罐；Plaxis軟件；模型構(gòu)造；沉降計(jì)算；預(yù)壓法；強(qiáng)夯法

1 工程背景

阿布扎比原油管道項(xiàng)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(jì)。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(gè)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(gè)閥站，途經(jīng)鹽堿、沙丘、戈壁和山區(qū)等多種地形，項(xiàng)目建成后設(shè)計(jì)輸送原油能力為24萬m3/d。該項(xiàng)目合同總額超過32億美元，是中國石油天然氣集團(tuán)公司迄今為止在海外獲得的最大規(guī)模的EPC總承包項(xiàng)目，也是中石油與阿聯(lián)酋開展的第一個(gè)大型石油合作項(xiàng)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(chǔ)罐 （分別為T1501，T1502）。因?yàn)楣朴吞镂挥谏衬貛В椅挥诎鍓K交界處，地質(zhì)情況復(fù)雜，加上儲(chǔ)罐自身荷載大，罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)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(jì)研究院對(duì)現(xiàn)場地質(zhì)勘探得出的報(bào)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(gè)分布層：低密實(shí)至中密實(shí)層，中密實(shí)至部分極密實(shí)層和中密實(shí)至全部極密實(shí)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(biāo)準(zhǔn)及模型構(gòu)造

3.1 沉降標(biāo)準(zhǔn)

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

（1）罐壁底部最大沉降100 mm。

（2）罐壁底部任意兩點(diǎn)間最大沉降50 mm。

（3）罐壁底部任意10 m距離兩點(diǎn)間最大沉降13 mm。

（4）罐底中心距罐壁最大沉降100 mm。

3.2 儲(chǔ)罐構(gòu)造及荷載計(jì)算

儲(chǔ)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(jì)報(bào)告確定：罐基礎(chǔ)由具有良好級(jí)配能力的材料回填，罐基礎(chǔ)外圍區(qū)域?yàn)樯暗[層圈梁用以支撐罐壁。

通過水力學(xué)試驗(yàn)計(jì)算得出的儲(chǔ)罐內(nèi)流體的荷載與儲(chǔ)罐底板本身產(chǎn)生的荷載合計(jì)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(chǔ)罐直徑；

H——儲(chǔ)罐高度。

計(jì)算得出圓周荷載為4.5 kPa。儲(chǔ)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(bào)告及沉降標(biāo)準(zhǔn)，擬定采用Plaxis 2D v8.6（Plaxis 2007）軟件構(gòu)造模型，對(duì)地質(zhì)狀況進(jìn)行分析。該軟件為大型巖土工程有限元設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，能夠以十分先進(jìn)的構(gòu)造模型來模擬土壤的非線性和時(shí)間依賴行為等復(fù)雜的工程地質(zhì)條件。根據(jù)對(duì)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(shí)，罐基礎(chǔ)的相互影響可忽略，因?yàn)閮蓛?chǔ)罐實(shí)際中心距離為罐直徑的4.6倍，所以，每個(gè)儲(chǔ)罐的模型均為獨(dú)立制作。在模型構(gòu)造過程中，采用以下假定作為設(shè)計(jì)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(chǔ)罐設(shè)計(jì)方在最終的模型確認(rèn)中假定的。

（3）儲(chǔ)罐的連續(xù)注入和放空引發(fā)的循環(huán)作用和長期蠕動(dòng)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(qiáng)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(duì)罐沉降產(chǎn)生的影響由于其相對(duì)較大的變形系數(shù)而忽略不計(jì)。

3.4 模型參數(shù)

儲(chǔ)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(duì)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(jì)算得到如圖2所示的罐底部沉降縱斷面示意。

對(duì)應(yīng)之前制訂的沉降標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)任意兩點(diǎn)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(duì)不同地層垂直壓力值的計(jì)算得出，對(duì)于T1501罐，18%的沉降來自于回填夯實(shí)材料，中密實(shí)度細(xì)砂和密實(shí)粉砂的沉降分別占總沉降的18.5%和22%。相似地，對(duì)于T1502罐，15%的沉降來自回填夯實(shí)材料，中密實(shí)度細(xì)砂和密實(shí)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(dá)到沉降標(biāo)準(zhǔn)的要求，擬定使用預(yù)壓法預(yù)加等同于儲(chǔ)罐產(chǎn)生220 kPa的荷載。通過計(jì)算設(shè)計(jì)出儲(chǔ)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(qiáng)夯法增強(qiáng)抗液化能力，同時(shí)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(qiáng)夯法對(duì)沉降程度影響的模型計(jì)算，得到如圖3、圖4所示的沉降對(duì)比曲線。可以非常明顯地看到，通過預(yù)壓法和強(qiáng)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(jì)方案

作為罐基礎(chǔ)強(qiáng)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(duì)原土進(jìn)行碾壓至最大干密度98%，然后進(jìn)行強(qiáng)夯測試，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析確定強(qiáng)夯施工方案，回填第一層回填料 （厚度1 m），進(jìn)行強(qiáng)夯，然后利用滾筒式振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)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(qiáng)夯施工方案，需要在現(xiàn)場進(jìn)行試夯，通過對(duì)試夯前后試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)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(yàn)區(qū)域，整平后進(jìn)行夯前HPT試驗(yàn) （Heave and Penetration Test，隆起貫入試驗(yàn)）和PMT試驗(yàn)（Pressure Meter Test，旁壓試驗(yàn)），然后進(jìn)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(jìn)行第二組HPT試驗(yàn)，然后進(jìn)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(jìn)行夯后PMT試驗(yàn)。

兩次夯前HPT試驗(yàn)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(yàn)在第5~7次夯擊后出現(xiàn)一個(gè)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(qiáng)夯作用的飽和階段，所以第一階段強(qiáng)夯次數(shù)應(yīng)確定為8~10次。同理，第二次夯前HPT試驗(yàn)在第4~5次夯擊后出現(xiàn)一個(gè)飽和彎曲，確定第二階段強(qiáng)夯次數(shù)應(yīng)為6~8次。

強(qiáng)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(jì)參數(shù)，計(jì)算得出PMT試驗(yàn)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(duì)比可以看出，強(qiáng)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(dá)到有限元分析的要求，從而得出如下結(jié)論：強(qiáng)夯對(duì)于改善罐底部基礎(chǔ)的機(jī)械特性、控制沉降量的效果是顯著的，設(shè)計(jì)的罐基礎(chǔ)施工方案可以滿足對(duì)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