軟土地基大型油罐沉降數值分析

馬永峰，郭冰鑫，張志豪，曹力橋，周訓軍

1.中國石油天然氣華東勘察設計研究院巖土工程處，山東青島266071

2.中國港灣工程有限責任公司，北京100027

3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063

軟土地基大型油罐沉降數值分析

馬永峰1，郭冰鑫2，張志豪1，曹力橋3，周訓軍1

1.中國石油天然氣華東勘察設計研究院巖土工程處，山東青島266071

2.中國港灣工程有限責任公司，北京100027

3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063

文章以廣西石化1 000萬t/a煉油項目為背景，建立軟土地基大型油罐沿環墻圓周方向展開的二維有限元模型。基于該模型計算出環墻最大和最小沉降點，沿通過最大或最小沉降點的環墻徑向建立了相應的二維軸對稱模型，并進行模擬計算，分析了這兩個關鍵點所在的油罐底板沉降特征?；谟凸拮畲蟪两迭c沉降值，反演出合適的均布荷載，并在該荷載下對整個環墻沉降進行模擬計算，并與環墻實際監測結果進行了對比。模擬結果表明：二維有限元模擬方法適用于軟土地基油罐沉降分析；素填土是油罐沉降控制的關鍵，對素填土進行加固處理可實現對油罐沉降控制；油罐沉降是一個長期的過程，需加強后期監測與控制。所得結論可為類似工程設計提供參考。

油罐；軟土地基；沉降；數值分析

隨著我國能源需求的進一步加大，越來越多的沿海地區興建了大型煉廠。大量工程實踐表明，軟土地基上的大型油罐，其基礎不均勻沉降和傾斜是影響正常運營和使用的關鍵因素。目前，不少專家和學者通過現場試驗、室內試驗以及數值模擬等手段，對軟弱地基大型油罐沉降變形進行了大量研究[1-10]。本文以廣西石化1 000萬t/a煉油項目為背景，建立軟土地基大型油罐沉降的二維有限元模型，在數值分析的基礎上，介紹了油罐沉降的特點，分析了油罐沉降的特征指標：最大沉降及差異沉降，并與實際監測結果進行了對比。以期為類似工程設計提供一定的借鑒與參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣西石化1 000萬t/a煉油項目位于廣西欽州，擬建廠區的原始地貌為海岸丘陵，場地中部原為一條北東走向，寬60～110 m，深8～9 m的天然海溝，該海溝是溝通南北水流的唯一通道。場地經人工挖山、填方回填整平，并初步夯實，地勢平坦。

1.2 場區地質條件

廠區地層主要由第四系和基巖組成，分別為：

①素填土：巖性不均勻，呈稍密～密實、稍濕～飽和狀態，粒徑變化大，經夯實后呈細粒土狀。

②海陸混合相沉積層：土性不均勻，局部夾有粘土薄層，層厚變化較大。

③-1亞層全風化頁巖、泥巖：結構構造基本破壞，該層分布較少且不連續，層厚變化大。

③-2層全風化砂巖、泥質砂巖：分布較少且不連續，層厚變化大。

④-1層強風化頁巖、泥巖：結構構造大部分已破壞，巖體破碎，完整性極差，分布較廣泛，含中風化基巖夾層，局部地段相變為強風化砂巖、泥質砂巖。

④-2層強風化砂巖、泥質砂巖：巖體破碎，完整性極差，分布較廣泛。

⑤-1層中風化頁巖、泥巖：結構、構造部分破壞，巖體裂隙發育；巖石質量指標RQD差，分布較廣泛。

⑤-2層中風化砂巖、泥質砂巖：結構、構造部分破壞，巖體裂隙發育，巖石質量指標RQD差，分布較廣泛。

2 有限元分析模型

（1）原油罐區015-TK201A罐地基模型見圖1（a），容量10萬m3，底部壓應力（源自罐中儲存的水和油罐底板的總重量）為195 kN/m2，假定罐板及油罐上部所作用的垂直荷載為18 600 kN，則環墻上的罐壁荷載切向負荷為：

18 600/（πD）≈75（kN/m），（D為油罐的直徑/m），即在環墻上施加75 kN/m壓力來代表油罐重量作用在環墻上的集中荷載。

（2）儲備庫工程TK-101D罐地基模型見圖1（b），容量15萬m3，底部壓應力為190 kN/m2，假定垂直載荷為27 500 kN，則環墻承受的單位長度負荷為90 kN/m。

夯實后兩罐的填土層、上部回填土及環墻部分構造剖面見圖1，模型地面標高分別為10.00 m和11.00 m。模擬中土體采用MC模型，材料參數列于表1中。

圖1 油罐地基模型示意

3 模擬結果與分析

模擬過程為：

（1）將油罐在平面上沿圓周展開為長軸，建立油罐沿環墻的地層剖面圖。

（2）根據步驟（1）中的地層剖面圖建立二維有限元模型，并進行計算，找出環墻的最大和最小沉降點。

（3）沿通過最大或最小沉降點的環墻徑向建立二維軸對稱模型。

（4）對步驟（3）中建立的模型進行計算模擬。

表1 材料參數表

3.1 有限元模型的建立

依據鉆孔資料建立環墻下地層剖面模型，其中以順時針旋轉沿圓周的方向為X軸（模型長邊），以高程為Y軸（模型短邊）。原油罐區015-TK201A罐和儲備庫TK-101D罐的地層橫剖面情況如圖2所示。

圖2 沿環墻地層橫剖面

經過2D平面應變模型計算可知：

（1）原油罐區015-TK201A罐的最大、最小沉降點分別為環墻45°處和270°處。根據鉆孔資料建立015-TK201A罐環墻沉降最大點與最小點所在位置軸對稱模型，見圖3，所加均布荷載為195 kPa/m，集中荷載為75 kPa。

（2）儲備庫TK-101D罐的最大、最小沉降點分別為環墻112.5°處和247.5°處。根據鉆孔資料建立TK-101D罐環墻沉降最大點與最小點所在位置軸對稱模型，見圖4，所加均布荷載為190 kPa/m，集中荷載為90 kPa。

圖3 015-TK201A罐軸對稱模型

圖4 TK-101D罐軸對稱模型

3.2 計算結果與分析

（1）對于原油罐區015-TK201A罐，在均布荷載及集中荷載的作用下，板邊緣（環墻45°）點平均沉降值為23.4 mm，從中心到環墻的罐底板沉降曲線見圖5（a）；板邊緣（環墻270°）點平均沉降值為5 mm，從中心到環墻的罐底板沉降曲線見圖5（b）。

圖5 015-TK201A罐軸對稱模型罐底板沉降曲線

（2）對于儲備庫TK-101D罐，在均布荷載及集中荷載的作用下，板邊緣（環墻112.5°）點平均沉降值為48.8 mm，從中心到環墻的罐底板沉降曲線見圖6（a）；板邊緣（環墻47.5°）點平均沉降值為17.8 mm，從中心到環墻的罐底板沉降曲線見圖6（b）。

圖6 TK-101D罐軸對稱模型罐底板沉降曲線

3.3 模擬與實測結果對比

（1）調整平面應變模型上均布荷載，使最大沉降點沉降值與監測數據吻合，原油罐區015-TK201A罐調整后環墻沉降計算與實測結果對比曲線見圖7，其中環墻沉降最大值為29.3 mm，最小值為4.3 mm；環墻每10 m差異沉降最大值為3.4 mm，最小值為0.1 mm。

（2）經過平面應變模型上均布荷載的調整，儲備庫TK-101D罐環墻沉降計算與實測結果對比曲線見圖8，其中環墻沉降最大值為55.1 mm，最小值為22.7 mm，環墻每10 m差異沉降最大值為4.1 mm，最小值為0.1 mm。

由圖7和圖8可看出，二維有限元數值模擬的環墻沉降走勢基本上與實際監測沉降一致，表明使用數值模擬來計算分析軟土地基油罐沉降是可行的。此外，分別對比圖7與圖2（a）、圖8與圖2（b），可發現，環墻沉降情況與素填土的分布有關，有素填土的環墻位置沉降量要比沒有素填土的環墻位置沉降量大得多，因此素填土是控制軟土地基油罐沉降的關鍵，應對其進行適當加固處理，控制油罐的沉降。

圖7 015-TK201A罐環墻沉降計算與實測對比

4 結論

通過對軟土地基大型油罐沉降的二維有限元數值模擬，得出以下結論：

（1）二維有限元數值模擬的環墻沉降走勢基本上與環墻實際監測變形一致，表明使用數值模擬手段來計算分析軟土地基油罐沉降是可行的。

（2）二維有限元數值模擬計算結果與油罐實際監測沉降值均在規范允許的變形許可范圍內，說明該工程為安全狀態；因油罐沉降是一個長期的過程，應加強長期監測，及時了解變形動態，確保油罐的安全運營。

（3）對于本區域這種半填半挖地基，對填方區域素填土的處理，是保證儲罐能否均勻沉降的關鍵。因此對填土質量的控制及強夯后應達到的效果提出了很高的要求，在設計與施工時應充分注意。

[1]徐光明，王鐵儒，易進棟.軟粘土層上的油罐差異沉降[J].巖土力學，2003，24（S2）：499-504.

[2]趙同順，周波.大型油罐地基變形特性的研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23（6）：1 037-1 043.

[3]王文軍，朱向榮.大型油罐地基變形特性分析[J].建筑結構，2007，（11）：45-48.

[4]應宏偉，楊曉剛，卞守中，等.大型油罐地基現場試驗分析[J].巖土工程學報，2005，27（2）：157-161.

[5]孫曉峰，樓曉明.油罐地基沉降的概率預測與實測比較[J].工業建筑，2005，35（7）：64-66.

[6]葉觀寶，趙建忠，徐超，等.油罐地基壓縮層厚度的研究[J].水文地質工程地質，2002，（6）：54-56.

[7]丁小軍，王旭，張延杰，等.大型油罐CFG樁復合地基變形與承載性能試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32（9）：1 851-1 857.

[8]劉小文，常立君，耿小牧.油罐地基產生不均勻沉降的原因分析及糾偏方法探討[J].建筑技術，2008，39（5）：354-356.

[9]劉紅軍，李鵬，張志豪，等.大型儲油罐碎石樁地基差異沉降有限元數值分析[J].土木建筑與環境工程，2010，32（5）：9-15.

[10]劉紅軍，李鵬，賈貴智，等.大型油罐軟土地基現場試驗與數值分析[J].中國海洋大學學報，2010，40（8）：117-120.

中石油管道局穿越公司采取最前沿技術完成3 500 m長江穿越再創世界紀錄

2015年1月29日凌晨2點36分，經過近24h的地下穿行，一條管徑為610 mm、全長3 500 m的鋼鐵氣龍從海門長江北岸破土而出，至此，中石油管道局穿越公司成功完成了如東－海門－崇明島輸氣管道最大的控制性工程長江定向穿越，并創造了一項管徑610 mm、長度3 500 m的定向穿越世界紀錄。

這是該公司繼2013年在江都－如東二期管道三穿長江連創三項世界紀錄后創造的又一項新的世界之最。據了解，如東－海門－崇明島天然氣管道是中石油西氣東輸管道公司為保障上海崇明島潔能電廠按期投用，打造上海、江蘇天然氣接收第三戰略通道投資建設的重要項目，其中長江定向鉆穿越是決定全線能否貫通的天字號控制性工程。

此次穿越長江達3 500 m，難度和風險前所未有。同時，這項工程線圈布置困難，未采用全程海纜布置線圈，管道局穿越公司通過木船在江南側淺水江面進行線圈布置，江面線圈布置長度約300 m。由于長江水的流速較大，無法實現糍粑校正，即最終盲區長度約1 150 m，通過精準的控向最終順利實現導向孔對接，符合設計要求。

在沿線地方政府和業主的積極協調和大力支持下，管道局穿越公司精心制定施工方案，于2014年12月8日正式鳴機開鉆。他們精確實施世界上最前沿的對接穿越技術，高標準、高質量完成了導向孔作業，采用專有泥漿對注技術并結合電子儀器回饋的鉆進推力、鉆桿扭矩等數據信息及時調整泥漿排量，優化泥漿性能，有效規避了穿越超長距離粉砂地層磨阻大、攜屑難、易發鉆桿抱死、折斷的致命風險，順利完成三級擴孔作業，而后采用發送溝和滾輪架相結合的方式順利完成管道回拖作業。

（本刊摘錄）

Numerical Analysis on Settlement of L arge-scale Oil Tank on Soft Foundation

Ma Yongfeng1，Guo Bingxin2，Zhang Zhihao1，Cao Liqiao3，Zhou Xunjun1
1.GeotechnicalEngineering Department，CNPC East China Design Institute，Qingdao 266071，China
2.China Harbour Engineering Company，Ltd.，Beijing 100027，China
3.China Railway Fourth Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China

Based on the Guangxi Petrochemical 1 Mt/a Refinery Project，2D FEM numerical analysis model of large-scale oil tank on soft foundation was built along ring-wall circumferential direction.With that 2D model，the maximum and minimum settlement points were determined.2D radial axisymmetric models with the maximum and minimum settlement points were respectively built and simulation calculations were carried out. Settlement characteristics of the tank bottom plate，where those two key settlement points located，were analyzed.Based on the settlement value of the maximum point，suitable uniformly distributed load was got by inversed calculation.Under that load，the whole ring-wall settlement was simulated.Besides，the simulation and monitoring results of the ring-wall were compared.Some conclusions were drawn，such as 2D FEM numericalmethod was feasible for large oiltank settlement analysis in soft foundation；plain fillwas the key to control oil tank settlement，and it needed to be reinforced in order to control tank settlement.The settlement of oil tank is a long term course，long-term monitoring and control should be taken in the future.The results are usefulfor similar projects.

oiltank；soft foundation；settlement；numericalanalysis

中國石油工程建設公司科研項目“二維有限元數值法在大型儲罐地基沉降分析中的應用研究”（CPECC2010KJ19）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.004

馬永峰（1981-），男，山東日照人，工程師，2006年畢業于中國地質大學（武漢）巖土工程專業，碩士，主要從事巖土工程勘察與設計工作。

2014-05-22