大型油藏组合型复合地基设计方法研究

大型油藏组合型复合地基设计方法研究

大型储油罐基础设计和变形储层大型基础设施的特点是荷载大，底板大，基本处理和基础投资比例大。从国内外的储罐工程事故分析来看,多由储罐基础小均匀沉降导致储罐的变形破坏,造成的经济损失十分严重。另一方面,由于设计中对储罐地基变形机理认识不清,计算方法不切合实际,有时过高估计了基础沉降值,因而采用了不恰当的地基处理方法甚至盲目采用桩基础,造成了巨大的浪费。从已有资料的显示出的建罐经验看,例如大庆石油多年的建罐经验,各种规模的罐基础沉降的实际观测值都比计算值小,仅有极少数罐基础因基础沉降过大而影响正常使用,因此有理由认为现行规范提供的设计计算方法不能完全适用于不同地区罐基础设计,需要对其大型储油罐的底板和地基分析方法和设计方法进行深入研究。基于此,本文提出并研究相关内容,将有助于进一步明确目前已有的大型储油罐底板和地基设计的方法和原理,同时对于完善相关的理论和方法技术具有重要的理论价值。1原油长距离加固方法及原理分析1.1预压固结法是否满足工程要求是解决基层固结难的因素原理是在逐级加荷过程中产生的总沉降量为S1,压载过程中产生的沉降量为S2;卸掉预压荷载后基础产生回弹量为S3(一般回弹沉降量很小),储罐交付使用后,基础产生的一些剩余沉降为S4(在工程实践中,通过预压固结后该值也不是很大,一般仅为基础总沉降S的20%～30%)。预压固结法能否获得满足工程要求的实际效果,主要取决于地基土层均匀性、固结特性、土层的厚度、预压荷载的大小预压时间的长短等因素。如果软土层不太厚或土的固结系数较大,则不需要预压很长时间就可以获得较好的效果;反之,饱和软土层比较厚,而且土的固结系数比较小,则预压固结使土排水固结所需的时间就长,为了加速土的排水固结,预压加固法常常与砂井排水法等并用。1.2振冲砾石桩振冲碎石桩根据加固机理的不同可分为振冲置换法和振冲挤压法。1.2.1砂颗粒重新排列主要是利用振动和压力水使砂层发生液化,砂颗粒重新排列,孔隙减少,从而提高砂层的承载力和抗液化能力,此方法主要用于挤密砂土地基。其加固机理如下。1.2.1.抗液化作用对振冲挤密法,在施工过程中由于水冲使松散砂土处于饱和状态,砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化,并重新排列致密,且在桩孔中填入大量的粗骨料后,被强大的水平振动力挤入周围土中,使砂土的相对密实度增加,孔隙率降低,干密度和内磨擦角增大,土的物理力学性能得以改善,使地基承载力大幅度提高,因此抗液化的性能得到改善。1.2.1.体积收缩和虚实对砂土液化机理的研究证明,当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时,将发生体积收缩和趋于密实。在砂土无排水条件时,体积的快速收缩将导致超孔隙水压力来不及消散而急剧上升,当砂土中有效应力降低为零时,便形成了完全液化。1.2.1.确保地基土的压、裂振冲法施工时,振冲器以每分钟1450次振动频率,98m/s2水平加速度和90kN激震力喷水沉入土中时,使填料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震,这对砂土增强抗液化能力是极为有利的。1.2.2农村岩溶实行粉碎桩此方法主要用来加固粘性土地基。对粘性土地基(特别是饱和粘土),由于土的粘粒含量多,粒间结合力强,渗透性低,在振动力或挤压力的作用下土中水不易排走,所以碎石桩的作用不是使地基挤密,而是置换。振冲碎石桩是一种换土置换,即以性能良好的碎石来替换不良的地基土。2罐基础选型原则目前主要采用的储油罐地基处理方法为:护坡式基础、护圈式基础、环台式基础和环墙式基础,其加固原理有预压排水加固及振冲碎石桩加固。其主要的各种基础的构造结构图如图1到图3。罐基础的选型,应根据储罐的型式、容积、地质条件、材料供应情况、业主要求及施工条件、地基处理方法和经济合理性等条件综合考虑。罐基础按现场地质条件的选型,宜符合下列要求:(1)当地基土能满足承载力设计值和沉降差的要求及建罐场地不受限时,宜采用护坡式罐基础的选型。(2)当地基土不能满足承载力设计值要求时,但沉降差不超过现行国家行标规定允许值时,可采用环墙式、外环墙式(钢筋混凝土)、护坡式罐基础。(3)当地基图为软土,地基图不能满足承载力设计值要求,且计算沉降差不能满足现行国家行标规定允许值或地震作用地基图有液化时,宜采用环墙式(钢筋混凝土)罐基础。(4)当建罐场地受限制时,宜采用环墙式(钢筋混凝土)罐基础。(5)当罐基础建在山区时,应根据具体情况采用不同方案处理,基础垫层可采用当地的粘性土,但必须做好截水与排水措施。(6)对建在沿海大风地区的罐基础,应沿罐底周边设置锚固螺栓。3组合型复合地基当天然地基不能满足结构物对地基的要求时,就需进行地基处理,而复合地基是地基加固处理的一种非常有效的方式,它能充分利用天然地基和桩体的潜在能力,经济效益显著。但每种复合地基都有自己的优缺点,柔性桩复合地基的承载力最低,一般只能提高天然地基承载力的40%-60%,但它对处理砂土液化特别有效,且排水性能好,有利于处理范围内的地基土固结,提高复合地基早期强度;而对于加固含水量较高的软土地基,半刚性桩发挥了自己独有的优势,但它毕竟受桩体强度的影响,限制了它向高层建筑以及高强度地基处理方面的使用。刚性桩复合地基的承载力最强,且沉降量小,但对地质条件要求较严,主要用于地基土承载力特征值>80kPa的地基处理中。为了充分发挥各自优点,出现了一种新型的复合地基,即组合型复合地基。所谓组合型复合地基,就是把两种或两种以上的桩进行合理组合而形成的一种特殊的复合地基,这两种桩类型可以相同,也可以不同,它们的地位一般的以一种为主承担荷载,有时也可平分秋色(多数为同类桩型的)。这两类桩大多数由刚性桩+刚性桩(或柔性桩)组成,也有由半刚性桩和柔性桩或两种不同刚度的同类桩组成的。组合型复合地基可分两类,一类是一种桩不承担或承担较少荷载、而以另一种桩和土为主承担荷载,另一类是两种桩和土共同承担荷载。下面将对这些组合型复合地基的原理及特点进行分析。3.1水泥粉碎石桩cfg对松散砂和粘土的加固机制3.1.1稳定结构的发生疏松的单粒结构,颗粒间孔隙较大,位置不稳定。在振冲荷载作用下,可使其产生较大变形——挤密,单粒、松散结构则变成密实的稳定结构。土体的干密度和摩擦角有所增大,土体物理力学性能得到改善,从而提高了地基承载力。3.1.2人工竖向排水CFG桩复合地基在成桩初期,因桩孔内和周边充填过滤性较好的粗颗粒填料,在地基中就形成了渗透性能良好的人工竖向排水、减压的通道,可以有效地消散和防止振冲产生的超孔隙水压力的增高,加速地基的排水和固结。3.1.3震冲频率或冲击水平向加速激振土体的方向发展CFG桩复合地基成桩过程中,振冲器以一定的振动频率或冲击水平向加速激振土体,使填料和地基土在提高相对密实度的同时获得强烈的预震。这种预震对砂土增强抗液化能力极为有利。3.2水泥粉碎石桩cfg对粘性土的加固机制3.2.1复合地基中的应力集中现象CFG桩复合地基不同于碎石桩复合地基。它的桩体是具有一定粘结强度的混合料的柱体。在荷载作用下桩体压缩性明显小于桩周上,因此基础传至复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中在桩体上,出现应力集中现象。CFG桩在复合地基中起到桩体的作用。试验表明桩上应力比(桩承受的荷载与桩间上承受的荷载之比)可在24-35之间变化,桩承受的荷载通过桩周的摩阻力传到更深层的地基土中。3.2.2桩间土挤压作用CFG桩复合地基一般采用振动(冲击)沉管法施工。由于振动或冲击的挤压作用使桩间土得到一定程度的挤密。加固后的地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所减少和降低,而土体的重度、压缩模量均有所增加。3.2.3不同灵敏度土体的结构强度利用振动或冲击成桩法工艺施工将对桩间土产生扰动,特别是对高灵敏度的土体,其结构强度将有一定程度的丧失,土体的强度降低。但在施工结束后,随着恢复期的增长,结构强度也会逐渐恢复。4工程实例分析4.1基本罐体及结构荷重华北油田位于河北某地48000m3储油浮顶罐是华北石油的一项重点工程,也是目前该地区建造的最大储油罐。储油罐设计荷载220kPa,天然地基承载力仅为95kPa,无法满足储油罐荷载要求,必须对地基进行处理。该48000方浮顶油罐的一些基本计算参数如下:直径D=58m,高19.2m;罐底板高出地面lm,地面以下砂垫层厚lm;罐体白重:875t;充水重:47412.4t;环墙自重:307.6t;环墙内填砂重:10476.4t;油罐建成后结构荷重:12368.3t;总荷重:60963.7t。该地在地貌单元土属环渤海地区的冲积平原,地下水位埋藏较浅,丰水期埋深为1.1米。程地质条件如下:4.1.1多层压缩性土持力层该层为华北环海地区普遍存在的沉积硬壳层,第四纪陆相沉积,分布均匀,平均含水量为33.3%,压缩系数为0.621MPa-1,压缩模量为3.775MPa,属高压缩性土,孔隙比为1.091,承载力标准值为100kPa,该层可作为多层房屋及小型油罐的持力层。4.1.2滤材过滤模量、压缩系数及压缩模量该层为基础以下的软弱层,滨海相沉积,平均含水量为33.64%,最大含水量为44.9%,孔隙比为1.022。压缩系数为0.526MPa-1,压缩模量为4.265MPa。属高压缩性土,平均承载力标准值为90.0kPa,本层在勘察区内厚度由南向北逐渐变薄至尖灭,在油罐设计时应注意因本层的存在而引起的不均匀沉降。4.1.3催化剂的选择该层属滨海相沉积,分布均匀,厚度稳定,普遍存在于勘察场区内,透水性能良好,承载力相对较高,其标准质为140kPa,是油罐基础以下良好的下卧层和排水层。4.1.4压缩系数为8.5%a-1,孔隙结构为10.该层分布均匀,厚度稳定,平均含水量为26.8%,孔隙比为0.879,压缩系数0.336MPa-1,压缩模量为8.813MPa,属中压缩性土,承载力标准值为130kPa。4.1.5工程地质条件基础以下良好的下卧层,若采用桩基础,本层是桩端良好的持力层,透水性较好,承载力平均值为210kPa,其表层5.0～6.0米承载力为180kPa,底部承载力可达230kPa,工程地质条件良好。4.1.6粘土粉该层分布均匀,层顶埋深26.5～31m,厚度2～3,承载力标准值为300kPa,是基础良好下卧层。4.1.7细砂该层分布均匀,层顶埋深31m,承载力标准值为350kPa,强度较高,是基础良好下卧层。4.2地基处理方案1根据该地区48000方油罐工程特点及场地工程地质条件,可采用的地基处理方案有:(1)水泥深层搅拌法;(2)CFG桩;(3)排水固结。其中加固CFG桩的计算分析如下:4.2.1计算公共格式4.2.1.1单链生产力kr的计算式中:vp为桩的周长;qsi为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值;qp为桩的极限端阻力标准植;li为第i层土的厚度。4.2.1.单桩承载力分析fsp,k为复合地基承载力标准植(kPa);m为面积置换率;pA为桩的截面面积(m2);fk为天然地基承载力标准值(kPa);α为加固后桩基土承载力标准值与天然地基承载力标准值之比;β为桩间土强度发挥系数,0.75～1.0;对变形要求较高的建筑物应取低值;kR为单桩承载力标准值(kN);其中α的取值,一般应符合下列规定:4.2.1.2.1挤土成桩时一般粘性土和粉土α=1.0～1.2,孔隙比大,塑性指数小时取高值,孔隙比小,塑性指数大时取低值;对不能恢复到原土强度和60d以后才能恢复到原十强度的结构性土,如淤泥质土;施工速度较快时,α<1,宜由现场试验确定,对60d以内可以恢复到原土强度的结构性土,可取α=1,松散粉细砂、松散填土宜通过实测确定。4.2.1.2.2非挤土成桩时,取α=1。4.2.2fg桩的施工(1)的选取,如表1;(2)由于CFG桩在河北该地区施工采用长螺旋钻孔灌注成桩,所以为非挤土桩,取α=1。且油罐对变形要求较高,则β取0.75。4.2.3单桩承载力计算经反复试算,计算结果如下:桩长L=12m;桩径D=400mm;桩顶标高=1.0m;单桩承载力标准值Rk=350kN;面积置换率m=0.05;5结论和期待5.1储罐基础沉降大型储油罐地基与基础设计内容包括工程地质勘察、罐基础的选型、环墙计算、地基承载力及稳定性计算、地基变形计算、罐基础构造设计、罐体试水预压与沉降控制等内容。从国内外的工程实例分析来看,储罐工程事故多是由于罐基础沉降过大影响储罐正常使用或不均匀沉降过大导致储罐的变形甚至破坏,造成的经济损失十分严重;另一方面,由于设计中对储罐地基变形机理认识不清,过高估计了基础沉降值,因而采用了小恰当的地基处理方法甚