舟山国家石油储备基地软基堆载预压大型现场试验研究

舟山国家石油储备基地软基堆载预压大型现场试验研究

1油罐规模及地基加固工程的必要性随着中国石油、石化行业的快速发展，以及国际市场原油价格的变化，以及能源储量的战略要求，中国对大型储油罐的建设需求日益紧迫，油罐的规模也在不断大。2003年,中国石油化工股份有限公司茂名分公司北山岭油库建造了2台125000m3浮顶油罐,油罐内径90m,罐高21.8m。在国际上,近40年来,国际石油石化行业储罐建设迅速向大型化发展,据文献介绍,国外原油储罐单罐最大容积已达200000m3。从理论上讲,储罐容积越大,单位容积的钢材耗用指标越低,建罐投资越省,同时罐区总占地面积也越小。大型油罐,一般指直径大于60m、容积在50000m3以上的储罐,其罐壁、底层钢板厚度(一般可达数10mm)相对于60m以上的直径而言,油罐就如薄膜塑料袋装水,加上油罐本身的几何不连续,结构受力相当复杂,对不均匀沉降尤为敏感。对于浮顶油罐,罐体倾斜将导致浮顶卡压,影响其正常使用。因此,油罐直径越大,其基础沉降差允许值控制越严格,油罐结构及其地基基础的稳定和变形要求越高。目前对于储量小于100000m3的油罐,罐体结构设计计算以及地基加固处理方面积累的工程经验较多,综合几十年的工程实践和国内外的研究成果,制定了一些相应的规范和标准;对于100000m3及以上规模油罐,相对于国际而言,国内在罐体设计、建造及相应的地基加固处理方面的工程实践相对较少,有关规范、标准的指导性不强,结合地域特点具有中国特色的相关理论研究更是缺乏。对于沿海地区的软弱地基土,预先施加荷载进行预压是一种行之有效的地基加固方法,进行堆载的同时打设竖向排水体能加速土体固结。通过以往工程实践证明,这也是一种比较经济合理的方法。本文通过对舟山国家石油储备基地堆载预压试验区的现场试验,对打设塑料排水板结合堆载预压的地基处理方法的加固效果进行了深入分析,以期掌握加固过程,明确加固效果,探索控制加载速率、确保地基稳定安全的方法并使之指导施工。2固土开采试验方案在建的舟山国家石油储备基地位于浙江省舟山市岙山岛南部,南邻东海,库区占地面积137公顷,设计总库容5000000m3,油罐共9组,每组油罐最多6座,油罐直径80m,高21.8m,单个油罐储量达100000m3。油罐大部分建于软土上,且软土厚度达30~40m,场地内上部土层以粉质黏土为主,中部以粉质黏土和黏土为主,下部为粉质黏土夹粗粒砂或碎石,地下水位埋深约为0~1.5m。有关土性参数指标见表1。由表1可知,舟山石油储备基地软土深厚且堆载面积大,地基沉降和不均匀沉降难以满足油罐对变形的严格要求,为了保证地基沉降和不均匀沉降能满足要求并指导整个场地堆载预压施工,在9号罐组西侧设试验区采用塑料排水板结合堆载预压加固软土地基。试验区塑料排水板在砂垫层上按正三角形布置,排水板间距1m,排水板打入土体深度为20m,上端高出砂垫层20cm。试验区长121.7m,堆载底面宽69.7m。在整个试验区铺设50cm厚的中粗砂砂垫层,长边方向上设置2条盲沟,其距离各自外边界均为49m,短边方向上设置1条盲沟。堆载高度6m,采用分级加荷方式,堆载体自然放坡,堆载施工从2005年4月23日至2005年8月27日,分6级进行。为确保各监测项目所布设的各个测点均能提供正确的测试数据,对每个观测仪标的布置埋设均要求十分认真仔细,并及时用相应仪器进行测试,确保其能正常工作,埋设后必须采取可靠措施加以有效保护。试验区共埋设了地表沉降板(GS1~GS16)16块;分层沉降管(DS1,DS2)2根,埋深30m,测斜管(CX1,CX2)2根,分别埋深35m,10m;孔隙水压力测头(U1~U8)8只,埋深4~24m;地表水平位移仪标(H1~H10)10只,以及地下水观测管(W1,W2)2根。2005年4月8日,试验区排水板施工结束后进行仪标埋设,至2005年4月20日完成。试验区仪标埋设布置如图1,2所示。3试验结果的分析本次试验时间从2005年4月21日至2006年1月3日,下面对各试验成果进行分析。3.1实际荷载调整根据实测数据反馈调整后的实际加载如图3。实际加荷计划比设计加荷计划提前30d完成,计划根据实际观测数据反馈由原来计划7级加荷改为6级加荷,其中每一级荷载也有相应的调整,具体体现在持荷时间的缩短,图中虚线部分为理论计算加载计划,而实线部分则为实际工程加载计划。3.2沉降变化特征地表沉降观测点GS1~GS10在堆载体上,其最后一次观测时间为2006年1月3日;GS11~GS16在堆载区南面中心线上,其最后一次观测时间为2005年9月22日。由图4可知,地表沉降随时间发展规律与实际加荷情况一致,规律良好。堆载体上观测点测得的沉降发展明显大于堆载体下观测点测得的沉降,至2006年1月3日测得累计沉降最大值为GS6点测得的1557mm,对比未堆载区累计沉降,2005年9月20日GS6累计沉降1190mm,GS11累计沉降195mm,可知在预压荷载下,地基的沉降较大,而同时期非加固区沉降较小,说明打设塑料排水板加速地基沉降发展。图5为不同时间沉降沿堆载中心断面分布曲线。不同时间点不同点位的沉降增量对比,其中3,6,9号沉降增量较快,呈“驼峰”形。图6为中心断面地表沉降速率随时间发展规律。3.3未打设排水板及堆载中心土层变形由图7分层沉降的变化规律可进一步反应出塑料排水板加快地基固结的效果。图中表明地基的变形主要发生在打设排水板的地基加固区,未打设排水板的加固区土层的变形只占地表沉降的一小部分。而同时间DS1(位于堆载南面坡趾处)测得的未打设排水板区沉降所占比例则要高于堆载中心处所测值。图8为不同深度地基竖向位移随时间发展规律(DS2),接近地表处的点位沉降发展明显快于远离地表的点位。3.4地表水平位移图9为测斜管(CX1)不同时间土体水平位移沿深度分布曲线,从图中可以看出土体水平位移主要集中在地基15m深度以内的范围,累计最大水平位移发生在地表下4m处附近。同时在试验中发现堆载后期水平位移会出现内缩现象,如最后一级停荷后期,9月10日测得数据出现内缩现象。3.5孔压发展规律图10为堆载中心位置处不同深度超静孔隙水压力随时间变化曲线。从图中可以看出,超静孔隙水压力随时间发展规律明显,较好地反应了土体中超静孔压的增长和消散规律,孔压过程线与荷载过程线形成良好的对应关系;同一位置不同深度的孔压发展规律为,随深度的增加,孔压增长消散速率减小,其中U6埋深18m,在堆载后期消散缓慢,这与排水板井阻作用的增加、土体塑性变形引起排水通道改变有关。图11为不同位置处孔压发展曲线比较,图中两个监测点位置不同但深度相近,其中U1埋深3m,处于堆载区边缘,U5埋深4m,处于堆载区中心,由图可知,U5测得的孔压随时间增长、消散速率快于U1,打设排水板加固区孔压增长消散较快,而未打设排水板区增长消散的较慢,并表现出明显的滞后现象。这说明打设排水板加速地基排水固结的效果比较显著。4通过测量分析基本结构4.1双曲线法、asoaka法、相对于3种方法的推高对比根据实测沉降推算地基的最终沉降,选取堆载中心GS3,GS5,GS6,GS7,GS95个测点进行分析。根据地基沉降随时间的变化规律,推算地基的变形和固结指标的方法较多,本文分别采用“三点法”、“双曲线法”、“Asaoka法”进行分析。其中“三点法”是《建筑地基处理技术规范(JGJ79—2002)》推荐的方法。“双曲线法”也是工程中常用的推算方法。“三点法”推算的结果如表2所示,瞬时沉降Sd大小与其位置有关,中心点GS6点67.9mm,两侧GS5,GS7分别为88mm和90.7mm,最大值出现在GS9点为108.1mm。该表同时还反应出在10月18日,即堆载预压178d后,地基平均固结度达到80%以上。3种方法推算得到的结果对比分析如表3所示,其中Asaoka法由于沉降观测时间较短而仅得到主固结沉降Sc。由表3可知,3种方法的结果相近,规律性一致。其中双曲线法推得最终沉降S∞比三点法推算得到的沉降值偏大,而由Asaoka法推算得到的主固结沉降Sc小于三点法推算得到的主固结沉降Sc,最后给出一个经验系数m,m为S∞与Sc的比值。根据这5点的推算结果,舟山国家石油储备基地堆载预压试验区的m的建议值为1.18。4.2孔隙水压力测试根据实测孔隙水压力也可以推算地基的固结参数β,其计算公式为式中:u1,u2分别为相应时间t1,t2的实测超静孔隙水压力。表4列出了6个不同位置不同深度最后一级加荷过程中的实测超静孔隙水压力推算得到的β值。由表4可知,根据应力分析得到的固结参数β与按照应变分析所得的接近,对比表2中的推算值0.0167~0.0196/d,表4中埋深最浅的测点U5比较接近,而深层的推算值较小,与深度成反比,说明井阻作用比较明显;堆载区推算值较大,堆载区以外点推算值小,说明排水板结合堆载预压法加速排水固结的效果良好。5现场试验监测结果通过本文对舟山国家石油储备基地堆载预压试验区试验过程和成果的分析讨论,得到以下结论:(1)本次试验工程设计合理,各种观测设备工作正常,观测结果规律性良好,通过观测数据反馈修正设计计划合理,测试结果也较为可靠。这能较好地指导整个场地的软基加固工程的实施,对以后相关工程也有指导意义。(2)现场试验监测结果说明:在舟山国家石油储备基地试验区采用打设塑料排水板结合堆载预压法处理软弱地基,地基沉降稳定,地基强度稳定增长,水平位移发展稳定,排水固结效果明显,加荷计划的设计、调整和控制是成功的。这说明了塑料排水板以及砂垫层的施工质量良好。(3)在现场试验过程中,通过监测数据反馈