靜力觸探技術用于西北大型油氣儲罐地基勘察

陳迎輝 河北省地礦局第三地質大隊

靜力觸探技術用于西北大型油氣儲罐地基勘察

陳迎輝 河北省地礦局第三地質大隊

靜力觸探技術的基本工作原理主要包括胡克定律、電阻定律和電橋原理。巖土的類型、質地、存在狀態等差異使靜力觸探探頭下壓時受到的貫入阻力也不同，依據靜力觸探獲得的參數值，便可判斷地下巖土的基本受力和存在狀態。某大型油氣儲罐建設工程位于我國西北地區，由于黃土承載能力較低，在油氣儲罐工程中需實施地基處理作業。一般的地基處理多運用孔內深層強夯方法。此方法先用機械設備鉆孔，然后用灰土進行夯擊充填，使壓實系數達到0.97以上。在此過程中利用靜力觸探技術估算單樁垂向承載力，當承載能力滿足工程需要時，完成地基處理作業，工程實踐效果良好。

靜力觸探；儲罐地基勘察；地基承載力；地基處理

隨著我國現代化事業的不斷發展，石油的需求量不斷增加，對石油儲存設備的要求越來越高。大型油氣儲罐最大容積可達20×104m3，并且具有節約設備管網、節省原材料、合理規劃占地、操作管理便捷等優點，這使得大型儲罐在諸多地區得到廣泛應用。大型油氣儲罐具有大直徑、重載荷、高沉降敏感性等特點，當儲罐地基發生不穩定變化時，容易造成儲罐原油泄漏，管道扭曲破裂，環境污染，甚至爆炸火災等災難性事故，不但使石油企業經濟利益受損，而且直接威脅人民群眾的人身財產安全。因此，在大型油氣儲罐建設施工之前需要對儲罐地基進行詳細勘察。地基勘察是大型油氣儲罐建設工程的基礎，關系到儲罐質量、安全和能否長期穩定運行。

傳統的地基勘察技術主要以鉆探取樣為主，再到實驗室進行實驗處理，獲得工程所需參數。但是鉆探深度難以精確控制，取樣擾動變化大，室內試驗與真實環境存在誤差；同時，鉆探取樣等方法無法連續取得測試剖面，不能準確對地層進行評價。靜力觸探技術能夠對地層進行連續測試，獲得各個目的層位的貫入阻力，可取得整個孔眼的巖石力學剖面，可進行地層界線識別、計算地基承載能力、估算單樁豎向承載力等。因此，靜力觸探已經成為了一項被廣泛應用的、高連續性、高精確性、省時省力的實用地基勘察技術。

1 靜力觸探技術

1.1 發展歷程

靜力觸探技術1917年在瑞典問世，逐漸走入人們的視野。20世紀30年代兩位荷蘭工程師進行了靜力觸探試驗和貫入裝置試驗，開始對探頭進行研究。20年后，Vermeiden與Plantema合作，對靜力觸探探頭進行進一步改進，在頭部增加錐形防護組件，避免了使用過程中地層雜質沿套管與鋼管間的縫隙混入儀器。20世紀50年代，測量儀器側面阻力的摩擦套開始用于靜力觸探儀上，增加了靜力觸探儀的測量范圍。以上這些早期機械式靜力觸探儀器操作簡單、使用方便，一些國家和地區一直沿用至今。但是，機械式靜力觸探儀器不能有效控制套管與鋼管間的摩擦以及泥土灌入等問題，導致測量精度受到極大限制，難以滿足現代科技高精尖的發展需求，電測式靜力觸探儀器應運而生。

20世紀40年代末，荷蘭工程師申請了世界第一臺電測式靜力觸探探頭專利，標志著電測式靜力觸探技術開始起步。歷經30年的發展，該領域的科學家們先后研制出了側阻力電測試探頭、密閉探頭等，并建立了行業標準，使后續的電測靜力觸探儀器的研究更加規范化、統一化。截至20世紀70年代末，靜力觸探技術開始百花齊放、蓬勃發展。中國自20世紀30年代開始引進荷蘭的靜力觸探儀，經過科研人員的廣泛試驗和艱苦攻關，終于在30年后成功研制出具有獨立知識產權的單橋靜力觸探儀，10年后又研制出雙橋靜力觸探儀。在后續的科研和工程實踐中，單橋、雙橋靜力觸探儀得到了廣泛應用和發展。

1.2 技術原理

靜力觸探技術的基本工作原理主要包括胡克定律、電阻定律和電橋原理。靜力觸探儀先利用機械設備以準靜力標準將準備好的探頭垂直插入地層，探頭下壓插入過程受到地層巖土的阻力，巖土強度越大，探頭受到的阻力越大，安裝在探頭上的壓力傳感器將其所受到的各個方向的力轉化成電信號，在儀表上顯示出來。整個靜力觸探儀工作工程中，探頭傳感器受到圍巖阻力后，在材料彈性承受范圍內，發生彈性形變。依據胡克定律，應變量與受力成正比，與受力面積成反比。因此，通過測量傳感器應變量和受力面積，即可得到巖土的力學參數。為了精確獲得傳感器的應變量，在傳感器上黏貼電阻形變片，使其在受力時能夠與傳感器同步發生形變。依據電阻定律，形變片的電阻值與電阻器長度成正比，與其橫截面積成反比。由此，傳感器的應變量便轉化成了電阻阻值的變化量。但是，一般鋼材彈性應變很小，電阻變化也不明顯，為此應用電橋原理，將電阻納入電橋系統，將電阻變化轉化為電壓變化，通過放大器，將電壓放大到易觀測讀取的倍數。通過傳感器應變—電阻值變化—電壓變化—電壓放大等系列手段，實現鋼材微小形變到高精度的數字化輸出。巖土的類型、質地、存在狀態等差異使靜力觸探探頭下壓時受到的貫入阻力也不同，依據靜力觸探獲得的參數值，便可判斷地下巖土的基本受力和存在狀態。靜力觸探技術工作原理如圖1所示。

圖1 靜力觸探技術工作原理

2 儲罐地基勘察

某大型油氣儲罐建設工程位于我國西北地區，該區域地勢平坦、起伏不大、較為開闊，為黃土土質。建設場地東西方向較寬，南北方向較長，大致成不規則長方形分布。現準備建設庫容60×104m3一級油氣儲罐，儲罐設計參數要求見表1。

2.1 地層界線識別

根據靜力觸探鉆孔數據，場地目的地層主要分為黃土狀土、馬蘭黃土、離石黃土三種類型，空間分布較為均勻、規則。地層的成因不同、沉積環境不同都會導致靜力觸探探頭錐尖阻力和側壁阻力的差異。在地層實際劃分過程中，可以根據錐尖阻力、側壁阻力以及它們的比值（摩阻比）三個參數相互比較進行劃分工作。對工區鉆孔進行靜力觸探作業，得到靜力觸探曲線參數如圖2。

圖2 工區靜力觸探曲線參數

由圖2可知，目的層位地層界線較為清晰，與鉆孔數據能夠較好的吻合。其中，錐頭阻力曲線和側壁摩阻力曲線變化同步，隨巖性差異幅度變化明顯，并都超前于巖性變化；摩阻比曲線與巖性變化同步，可據此精確卡點劃分地層。

2.2 地基承載力計算

目前，靜力觸探勘探成果不能直接應用于地基承載力計算，國內外現在一般采用靜力觸探成果與室內載荷實驗結果相比對的方式，最終確定儲罐地基承載力。根據工區靜力觸探測試參數和工程地質手冊經驗公式，計算地基承載力，詳見表2。計算結果與室內實驗結果相仿，地基承載力取兩者中的最小值。

表1 油氣儲罐設計參數

2.3 地基處理

由于黃土承載能力較低，在油氣儲罐工程中需實施地基處理作業。一般的地基處理多運用孔內深層強夯方法。此方法先用機械設備鉆孔，然后用灰土進行夯擊充填，使壓實系數達到0.97以上。在此過程中利用靜力觸探技術估算單樁垂向承載力，當承載能力滿足工程需要時，完成地基處理作業，工程實踐效果良好。

表2 地基承載力參數

3 結語

靜力觸探技術是地基勘探作業中一項重要的原位測試方法。以其精準高效、使用便利、操作簡單、節能環保等優勢獲得廣泛應用。在大型油氣儲罐地基勘探的實際工作中，靜力觸探技術能夠精確識別地層界線，計算地層承載能力，并在后續地基加固處理中提供數據支持。在工程實踐中為提高地基施工質量，增強地基勘察水平提供了有力保障。

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.3.026