舟山國家石油儲備基地軟基堆載預壓大型現場試驗研究

1油罐規模及地基加固工程的必要性隨著中國石油、石化行業的快速發展，以及國際市場原油價格的變化，以及能源儲量的戰略要求，中國對大型儲油罐的建設需求日益緊迫，油罐的規模也在不斷大。2003年,中國石油化工股份有限公司茂名分公司北山嶺油庫建造了2臺125000m3浮頂油罐,油罐內徑90m,罐高21.8m。在國際上,近40年來,國際石油石化行業儲罐建設迅速向大型化發展,據文獻介紹,國外原油儲罐單罐最大容積已達200000m3。從理論上講,儲罐容積越大,單位容積的鋼材耗用指標越低,建罐投資越省,同時罐區總占地面積也越小。大型油罐,一般指直徑大于60m、容積在50000m3以上的儲罐,其罐壁、底層鋼板厚度(一般可達數10mm)相對于60m以上的直徑而言,油罐就如薄膜塑料袋裝水,加上油罐本身的幾何不連續,結構受力相當復雜,對不均勻沉降尤為敏感。對于浮頂油罐,罐體傾斜將導致浮頂卡壓,影響其正常使用。因此,油罐直徑越大,其基礎沉降差允許值控制越嚴格,油罐結構及其地基基礎的穩定和變形要求越高。目前對于儲量小于100000m3的油罐,罐體結構設計計算以及地基加固處理方面積累的工程經驗較多,綜合幾十年的工程實踐和國內外的研究成果,制定了一些相應的規范和標準;對于100000m3及以上規模油罐,相對于國際而言,國內在罐體設計、建造及相應的地基加固處理方面的工程實踐相對較少,有關規范、標準的指導性不強,結合地域特點具有中國特色的相關理論研究更是缺乏。對于沿海地區的軟弱地基土,預先施加荷載進行預壓是一種行之有效的地基加固方法,進行堆載的同時打設豎向排水體能加速土體固結。通過以往工程實踐證明,這也是一種比較經濟合理的方法。本文通過對舟山國家石油儲備基地堆載預壓試驗區的現場試驗,對打設塑料排水板結合堆載預壓的地基處理方法的加固效果進行了深入分析,以期掌握加固過程,明確加固效果,探索控制加載速率、確保地基穩定安全的方法并使之指導施工。2固土開采試驗方案在建的舟山國家石油儲備基地位于浙江省舟山市岙山島南部,南鄰東海,庫區占地面積137公頃,設計總庫容5000000m3,油罐共9組,每組油罐最多6座,油罐直徑80m,高21.8m,單個油罐儲量達100000m3。油罐大部分建于軟土上,且軟土厚度達30~40m,場地內上部土層以粉質黏土為主,中部以粉質黏土和黏土為主,下部為粉質黏土夾粗粒砂或碎石,地下水位埋深約為0~1.5m。有關土性參數指標見表1。由表1可知,舟山石油儲備基地軟土深厚且堆載面積大,地基沉降和不均勻沉降難以滿足油罐對變形的嚴格要求,為了保證地基沉降和不均勻沉降能滿足要求并指導整個場地堆載預壓施工,在9號罐組西側設試驗區采用塑料排水板結合堆載預壓加固軟土地基。試驗區塑料排水板在砂墊層上按正三角形布置,排水板間距1m,排水板打入土體深度為20m,上端高出砂墊層20cm。試驗區長121.7m,堆載底面寬69.7m。在整個試驗區鋪設50cm厚的中粗砂砂墊層,長邊方向上設置2條盲溝,其距離各自外邊界均為49m,短邊方向上設置1條盲溝。堆載高度6m,采用分級加荷方式,堆載體自然放坡,堆載施工從2005年4月23日至2005年8月27日,分6級進行。為確保各監測項目所布設的各個測點均能提供正確的測試數據,對每個觀測儀標的布置埋設均要求十分認真仔細,并及時用相應儀器進行測試,確保其能正常工作,埋設后必須采取可靠措施加以有效保護。試驗區共埋設了地表沉降板(GS1~GS16)16塊;分層沉降管(DS1,DS2)2根,埋深30m,測斜管(CX1,CX2)2根,分別埋深35m,10m;孔隙水壓力測頭(U1~U8)8只,埋深4~24m;地表水平位移儀標(H1~H10)10只,以及地下水觀測管(W1,W2)2根。2005年4月8日,試驗區排水板施工結束后進行儀標埋設,至2005年4月20日完成。試驗區儀標埋設布置如圖1,2所示。3試驗結果的分析本次試驗時間從2005年4月21日至2006年1月3日,下面對各試驗成果進行分析。3.1實際荷載調整根據實測數據反饋調整后的實際加載如圖3。實際加荷計劃比設計加荷計劃提前30d完成,計劃根據實際觀測數據反饋由原來計劃7級加荷改為6級加荷,其中每一級荷載也有相應的調整,具體體現在持荷時間的縮短,圖中虛線部分為理論計算加載計劃,而實線部分則為實際工程加載計劃。3.2沉降變化特征地表沉降觀測點GS1~GS10在堆載體上,其最后一次觀測時間為2006年1月3日;GS11~GS16在堆載區南面中心線上,其最后一次觀測時間為2005年9月22日。由圖4可知,地表沉降隨時間發展規律與實際加荷情況一致,規律良好。堆載體上觀測點測得的沉降發展明顯大于堆載體下觀測點測得的沉降,至2006年1月3日測得累計沉降最大值為GS6點測得的1557mm,對比未堆載區累計沉降,2005年9月20日GS6累計沉降1190mm,GS11累計沉降195mm,可知在預壓荷載下,地基的沉降較大,而同時期非加固區沉降較小,說明打設塑料排水板加速地基沉降發展。圖5為不同時間沉降沿堆載中心斷面分布曲線。不同時間點不同點位的沉降增量對比,其中3,6,9號沉降增量較快,呈“駝峰”形。圖6為中心斷面地表沉降速率隨時間發展規律。3.3未打設排水板及堆載中心土層變形由圖7分層沉降的變化規律可進一步反應出塑料排水板加快地基固結的效果。圖中表明地基的變形主要發生在打設排水板的地基加固區,未打設排水板的加固區土層的變形只占地表沉降的一小部分。而同時間DS1(位于堆載南面坡趾處)測得的未打設排水板區沉降所占比例則要高于堆載中心處所測值。圖8為不同深度地基豎向位移隨時間發展規律(DS2),接近地表處的點位沉降發展明顯快于遠離地表的點位。3.4地表水平位移圖9為測斜管(CX1)不同時間土體水平位移沿深度分布曲線,從圖中可以看出土體水平位移主要集中在地基15m深度以內的范圍,累計最大水平位移發生在地表下4m處附近。同時在試驗中發現堆載后期水平位移會出現內縮現象,如最后一級停荷后期,9月10日測得數據出現內縮現象。3.5孔壓發展規律圖10為堆載中心位置處不同深度超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線。從圖中可以看出,超靜孔隙水壓力隨時間發展規律明顯,較好地反應了土體中超靜孔壓的增長和消散規律,孔壓過程線與荷載過程線形成良好的對應關系;同一位置不同深度的孔壓發展規律為,隨深度的增加,孔壓增長消散速率減小,其中U6埋深18m,在堆載后期消散緩慢,這與排水板井阻作用的增加、土體塑性變形引起排水通道改變有關。圖11為不同位置處孔壓發展曲線比較,圖中兩個監測點位置不同但深度相近,其中U1埋深3m,處于堆載區邊緣,U5埋深4m,處于堆載區中心,由圖可知,U5測得的孔壓隨時間增長、消散速率快于U1,打設排水板加固區孔壓增長消散較快,而未打設排水板區增長消散的較慢,并表現出明顯的滯后現象。這說明打設排水板加速地基排水固結的效果比較顯著。4通過測量分析基本結構4.1雙曲線法、asoaka法、相對于3種方法的推高對比根據實測沉降推算地基的最終沉降,選取堆載中心GS3,GS5,GS6,GS7,GS95個測點進行分析。根據地基沉降隨時間的變化規律,推算地基的變形和固結指標的方法較多,本文分別采用“三點法”、“雙曲線法”、“Asaoka法”進行分析。其中“三點法”是《建筑地基處理技術規范(JGJ79—2002)》推薦的方法?！半p曲線法”也是工程中常用的推算方法?！叭c法”推算的結果如表2所示,瞬時沉降Sd大小與其位置有關,中心點GS6點67.9mm,兩側GS5,GS7分別為88mm和90.7mm,最大值出現在GS9點為108.1mm。該表同時還反應出在10月18日,即堆載預壓178d后,地基平均固結度達到80%以上。3種方法推算得到的結果對比分析如表3所示,其中Asaoka法由于沉降觀測時間較短而僅得到主固結沉降Sc。由表3可知,3種方法的結果相近,規律性一致。其中雙曲線法推得最終沉降S∞比三點法推算得到的沉降值偏大,而由Asaoka法推算得到的主固結沉降Sc小于三點法推算得到的主固結沉降Sc,最后給出一個經驗系數m,m為S∞與Sc的比值。根據這5點的推算結果,舟山國家石油儲備基地堆載預壓試驗區的m的建議值為1.18。4.2孔隙水壓力測試根據實測孔隙水壓力也可以推算地基的固結參數β,其計算公式為式中:u1,u2分別為相應時間t1,t2的實測超靜孔隙水壓力。表4列出了6個不同位置不同深度最后一級加荷過程中的實測超靜孔隙水壓力推算得到的β值。由表4可知,根據應力分析得到的固結參數β與按照應變分析所得的接近,對比表2中的推算值0.0167~0.0196/d,表4中埋深最淺的測點U5比較接近,而深層的推算值較小,與深度成反比,說明井阻作用比較明顯;堆載區推算值較大,堆載區以外點推算值小,說明排水板結合堆載預壓法加速排水固結的效果良好。5現場試驗監測結果通過本文對舟山國家石油儲備基地堆載預壓試驗區試驗過程和成果的分析討論,得到以下結論:(1)本次試驗工程設計合理,各種觀測設備工作正常,觀測結果規律性良好,通過觀測數據反饋修正設計計劃合理,測試結果也較為可靠。這能較好地指導整個場地的軟基加固工程的實施,對以后相關工程也有指導意義。(2)現場試驗監測結果說明:在舟山國家石油儲備基地試驗區采用打設塑料排水板結合堆載預壓法處理軟弱地基,地基沉降穩定,地基強度穩定增長,水平位移發展穩定,排水固結效果明顯,加荷計劃的設計、調整和控制是成功的。這說明了塑料排水板以及砂墊層的施工質量良好。(3)在現場試驗過程中,通過監測數據反饋