大型储油罐地基沉降有限元研究

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1、大型储油罐地基沉降有限元研究　　摘要:随着石油需求量的不断上升，大型、大容量石油储罐的建设日益增加，但同时也面临着许多技术难题，而储油罐地基沉降就是其一。本文以某大型储油罐工程为例，采用有限元分析软件PLAXIS进行有限元计算并分析了油罐的最大沉降、最大差异沉降及罐壁每10m的差异沉降，再与实际的监测结果进行比较，其方法和思路可供参考。关键词:油罐；地基沉降；有限元；Plaxis2D；沉降计算中图分类号：TE976文献标识码：A文章编号：1引言8近年来，随着我国经济的持续发展，社会对石油的需求量不断上升，同时随着国际产油地区不稳

2、定因素增加，国际石油价格波动日益增大，石油储备能力问题日益突现，原油储罐也向大型化方向发展。大型化储油罐基础荷载大，覆盖面积也较大，在罐体设计、建造、使用均正常的情况下，地基对大罐的安全起决定作用。国内外油罐工程事故分析表明，油罐的破坏多数是由于基础的不均匀沉降所致。要减小油罐罐底沉降，特别是减小置有深厚软弱覆盖层地基上大型油罐罐底的过大差异沉降，需要对油罐地基进行适当的处理，控制油罐的差异沉降在安全允许界限之内，以满足油罐正常工作要求。本文以某大型油罐项目为研究对象，以Plaxis程序作为油罐罐地基沉降有限元计算平台，分析预测

3、大型油罐地基变形，并与充水预压监测资料进行对比，以确定合适的岩土本构模型及相关模型参数，为油罐地基沉降预测与设计提供参考。2工程概况2.1工程地质条件本文选取油罐作为沉降计算研究对象。为提高地基土强度、改善地基土的均匀性，以减小大罐基础的沉降与不均匀沉降量，场地进行了5000kN·m的强夯。根据勘察与施工资料，罐基础地层主要可以描述为:工程碎石垫层、砂层、钙质胶结基础及辉长岩4部分。各地层特征分述如下:(l)工程填土:上部1.5m为环墙内填土层，主要是级配砂，经过分层碾压。下部3.5m为工程碎石垫层，主要成分为级配碎石，经强夯处

4、理。(2)砂层:砂层主要是钙质砂，含一定的砾石(贝壳，石英，石灰石，碎片)。局部为淤泥。单位密度随着深度增加，从钻孔资料确定密度有3个范围(主要是松散的，中等密实和密实)。层底标高:1.09～2.6m。8(3)钙质胶结岩层:主要为非常弱到中度弱胶结的硅质灰屑岩、砾岩，并有层状的弱胶结钙质砂和砾石大小的碎块。有粉砂屑石灰岩间断的存在断层底标高:-3.7～7.4m。(4)辉长岩:本单元从中等大小至粗粒，多数具有微风化，有从中度到高度的岩石强度。2.2大罐构造及荷载概况根据油罐设计图，油罐高度将达到23.9m，直径11Om。碎石环墙高

5、1.5m，顶部宽8.Om，底部宽12.5m。3油罐设计沉降标准根据API650-2009《钢制焊接石油储罐》的规定及设计要求，油罐设计施工沉降标准如下:(l)罐壁最大沉降小于等于l00mm;(2)罐壁最大差异沉降小于等于50mm;(3)罐壁每10m不均匀沉降差小于等于13mm;(4)由罐中心到罐壁最大差异沉降不大于1OOmm。3油罐地基沉降有限元分析本计算以Plaxis2D程序作为计算平台，采用弹塑性Mohr-coulomb(MC)模型作为计算依据。由于轴对称模型能较为准确的模拟油罐的沉降，而平面计算模型与实际工况存在一定的差异

6、。因此计算中以环墙展开平面应变模型作为确认环墙最大与最小沉降点位置和差异沉降，而以轴对称模型作为模拟油罐实际沉降的依据。3.1有限元计算分析方法8根据需要预测的沉降标准要求，采用Plaxis有限元分析计算步骤如下:(l)由钻孔资料建立沿油罐环墙下的地层剖面图，根据地层剖面图建立平面应变模型，计算中预加均布荷载为10kPa，根据现场试验与规范暂定此时素填土模型参数;(2)通过第1步的计算结果，找出沉降最大和最小点;(3)建立最大最小沉降点的轴对称计算模型，通过计算沉降，获得环墙沉降最大、最小值;(4)根据第3步结果修改第1步平面应

7、变模型中均布荷载和主要的计算参数，使最大、最小点沉降与轴对称计算结果相符合;(5)获取环墙沉降曲线，计算环墙每10m差异沉降分布曲线。3.2有限元计算模型建立根据计算步骤分别建立如下计算模型:(l)沿环墙某一点展开环墙，根据环墙下钻孔资料建立平面应变模型;(2)根据环墙上所需计算沉降点与罐中心连线建立轴对称计算模型。所建立模型边界条件如下:(l)模型深度选取高程-35或是辉长岩顶部作为计算边界;(2)对于轴对称模型选取离罐中心250m(约2.3倍罐直径)作为边界，以消除边缘效应对模型计算的影响。3.3计算荷载组合确定8以油罐底部

8、作用220kPa压力来替代油罐中的储存的流体总重量和油罐底板重量。罐板及油罐顶部所做用的垂直荷载为31200kN，计算可得其在环墙上部产生的集中荷载为90kN.m-1。3.4计算参数的选取根据勘察资料及检测资料选取计算参数的物理力学参数(表1)。3.5沉降计算根