16万m3原油储罐基础沉降计算及施工方案的确定

高 飞，张 敏

（中国石油工程建设公司，北京 100120）

16万m3原油储罐基础沉降计算及施工方案的确定

高 飞，张 敏

（中国石油工程建设公司，北京 100120）

阿布扎比原油管道项目的2座16万m3浮顶原油储罐位于沙漠中，地质结构复杂，储罐自身荷载大，罐基础设计难度大。文章详细介绍了这2座储罐罐基础的沉降计算，通过对地质结构、储罐构造和荷载的计算分析，针对不同地层分别确定模型参数，利用Plaxis软件构造了二维储罐基础沉降模型，计算得出罐底部沉降曲线；通过计算沉降量与沉降标准的对比，拟采用预压法和强夯法相结合的施工方案，以控制沉降量；经现场试夯前后试验结果的对比，确定强夯施工方案及参数；证明强夯对于改善罐底部基础机械特性和控制沉降量的效果是显著的，设计的罐基础施工方案可以满足对沉降量的控制要求。

钢质储罐；Plaxis软件；模型构造；沉降计算；预压法；强夯法

1 工程背景

阿布扎比原油管道项目由阿拉伯联合酋长国国际石油投资公司 （IPIC）投资、中国石油工程建设公司与中石油管道局联合承包、英国PENSPEN公司设计。管道起始于阿布扎比的哈伯善，终止于富查伊拉酋长国境内的阿拉伯海出海口，横跨阿布扎比、沙迦、哈伊马角、富查伊拉四个酋长国，直抵阿拉伯海，经海上终端装船，因而避开霍尔木兹海峡，保障了阿联酋石油输出安全，是一条具有战略意义的输油管道。

管道陆上全长371 km、管径1 219 mm （48 in），包括13个阀站，途经盐碱、沙丘、戈壁和山区等多种地形，项目建成后设计输送原油能力为24万m3/d。该项目合同总额超过32亿美元，是中国石油天然气集团公司迄今为止在海外获得的最大规模的EPC总承包项目，也是中石油与阿联酋开展的第一个大型石油合作项目。

其中，在位于哈伯善油田的首站将建设2座直径110 m、容积16万m3的浮顶原油储罐 （分别为T1501，T1502）。因为哈伯善油田位于沙漠地带，且位于板块交界处，地质情况复杂，加上储罐自身荷载大，罐基础的设计工作面临很大困难。

2 地质结构

根据中石油华东勘察设计研究院对现场地质勘探得出的报告显示，地表至地下32.5 m处为沙丘砂，该部分的密度随深度的增加而增大，根据钻孔获得的数据，可以把该部分分为3个分布层：低密实至中密实层，中密实至部分极密实层和中密实至全部极密实层。在沙丘砂层以下至62 m处为砂岩和粉砂岩的间歇分布层，厚度变化范围在6 m以内，62～80 m处分布为砂岩层和粉砂岩层。

3 沉降标准及模型构造

3.1 沉降标准

根据API 650-2009《钢制焊接石油储罐》的规定以及与储罐分包商协商，最后确定如下沉降标准：

（1）罐壁底部最大沉降100 mm。

（2）罐壁底部任意两点间最大沉降50 mm。

（3）罐壁底部任意10 m距离两点间最大沉降13 mm。

（4）罐底中心距罐壁最大沉降100 mm。

3.2 储罐构造及荷载计算

储罐直径110 m，高23.9 m，为锥形底板的内浮顶罐，两罐中心距离为罐直径的4.6倍。初步设计报告确定：罐基础由具有良好级配能力的材料回填，罐基础外围区域为砂砾层圈梁用以支撑罐壁。

通过水力学试验计算得出的储罐内流体的荷载与储罐底板本身产生的荷载合计为220 kPa，罐壁产生的垂直重力为31 200 kN，通过以下公式得出罐壁圆周荷载值：

式中D——储罐直径；

H——储罐高度。

计算得出圆周荷载为4.5 kPa。储罐内流体产生的横向压力在模型中表示为水平荷载，由罐壁顶部为零向下均匀增加分布，罐壁底部为200 kPa。

3.3 模型构造

根据地质报告及沉降标准，拟定采用Plaxis 2D v8.6（Plaxis 2007）软件构造模型，对地质状况进行分析。该软件为大型岩土工程有限元设计计算软件，能够以十分先进的构造模型来模拟土壤的非线性和时间依赖行为等复杂的工程地质条件。根据对相邻罐基础的灵敏度分析，确定两罐中心距离大于直径的2.3倍时，罐基础的相互影响可忽略，因为两储罐实际中心距离为罐直径的4.6倍，所以，每个储罐的模型均为独立制作。在模型构造过程中，采用以下假定作为设计模型纵剖面的依据，完成二维轴向对称模型的制作。

（1）碳酸盐砂层假定为非萨布哈 （盐沼）状态。

（2）罐体本身的恒载是根据储罐设计方在最终的模型确认中假定的。

（3）储罐的连续注入和放空引发的循环作用和长期蠕动沉降在分析过程中不予考虑。

（4）由于可能的液化作用引起的地质硬度和强度的侵蚀作用在分析过程中不予考虑。

（5）模型选择深度为75 m，该深度以下地层对罐沉降产生的影响由于其相对较大的变形系数而忽略不计。

3.4 模型参数

储罐底板、罐壁底部底板和罐壁的模型参数见表1。

表1 罐壁及底板模型参数

针对粉砂、粉砂岩和砂砾岩的模型以莫尔—库仑理论 （Mohr-Coulomb）作为依据，模型参数见表2。

表2 莫尔—库仑理论模型参数

根据以上分析及数据建模，得到如图1所示的Plaxis模型示意，经计算得到如图2所示的罐底部沉降纵断面示意。

对应之前制订的沉降标准发现，当任意两点间最大沉降值超过了允许值 （50 mm），必须确定罐底部不同地层的沉降量，以确定有效改善基础沉降的方法。通过对不同地层垂直压力值的计算得出，对于T1501罐，18%的沉降来自于回填夯实材料，中密实度细砂和密实粉砂的沉降分别占总沉降的18.5%和22%。相似地，对于T1502罐，15%的沉降来自回填夯实材料，中密实度细砂和密实粉砂的沉降分别占总沉降的25%和11%。

4 施工方法分析及方案确定

4.1 方法分析

为了达到沉降标准的要求，拟定使用预压法预加等同于储罐产生220 kPa的荷载。通过计算设计出储罐底部到自然地面之间回填料的材质和回填高度，从而满足预加荷载下的沉降要求。但是预加荷载后液化问题仍然存在，所以使用强夯法增强抗液化能力，同时也可以减小蠕变荷载和周期荷载引起的长期沉降。

通过预压法和强夯法对沉降程度影响的模型计算，得到如图3、图4所示的沉降对比曲线。可以非常明显地看到，通过预压法和强夯法的结合作用，罐基础的总沉降值明显降低，沉降槽的曲率凸度也明显减小。T1501罐中心最大沉降值减小到40 mm，为总沉降值的54%；T1502罐中心最大沉降值减小到50 mm，为总沉降值的51%。

4.2 罐基础设计方案

作为罐基础强夯施工的分包商，法国Menard公司根据以上分析最后拟定罐基础施工方案如下：首先对原土进行碾压至最大干密度98%，然后进行强夯测试，通过对试验结果的分析确定强夯施工方案，回填第一层回填料 （厚度1 m），进行强夯，然后利用滚筒式振动压路机进行逐层碾压，每层碾压后高度为250 mm，共4层，中间敷设HDPE垫层和土工布用于防止原油泄漏及防水，罐壁底部敷设沥青混凝土2层，厚200 mm，最后罐基础回填沥青砂厚50 mm，见图5。

4.3 试夯

为了确定最终的强夯施工方案，需要在现场进行试夯，通过对试夯前后试验结果的对比分析确定回填料的高度和夯锤重量、落距、夯击次数等。

在原土上回填长×宽为65 m×40 m、高1 m的试验区域，整平后进行夯前HPT试验 （Heave and Penetration Test，隆起贯入试验）和PMT试验（Pressure Meter Test，旁压试验），然后进行第一阶段试夯，试夯参数为：夯锤质量20 t、落距20 m、夯击次数12次。夯后平整场地，再进行第二组HPT试验，然后进行第二阶段试夯，试夯参数为：夯锤质量20 t、落距20 m、夯击次数10次。最后进行夯后PMT试验。

两次夯前HPT试验结果见图6、图7。由图中曲线可以看出，第一次夯前HPT试验在第5~7次夯击后出现一个明显弯曲，其后的每次夯击贯入量小于5 cm，表示该阶段为强夯作用的饱和阶段，所以第一阶段强夯次数应确定为8~10次。同理，第二次夯前HPT试验在第4~5次夯击后出现一个饱和弯曲，确定第二阶段强夯次数应为6~8次。

强夯前后旁压极限荷载和旁压模量的变化见图8。

根据沉降模型的有限元沉降分析采用的设计参数，计算得出PMT试验的可接受旁压极限荷载为16.5 MPa，旁压模量为1.4 MPa。通过图8中曲线对比可以看出，强夯后平均旁压极限荷载大于22 MPa，平均旁压模量大于1.8 MPa，达到有限元分析的要求，从而得出如下结论：强夯对于改善罐底部基础的机械特性、控制沉降量的效果是显著的，设计的罐基础施工方案可以满足对沉降量的控制要求。

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Foundation Settlement Calculation and Construction Scheme Determination of 16 × 104m3Oil Storage Tank

GAO Fei（China Petroleum Engineering&Construction Co.,Ltd， Beijing 100120， China），ZHANG Min

This article describes the foundation settlement calculation of two 16× 104m3floating roof tanks located in desert which belong to Abu Dhabi crude oil pipeline project.A 2-D axisymmetric model was created for each tank by applying the software Plaxis based on the research of ground condition,tank configurations and loads.The settlement curve of tank foundation was calculated based on modeling parameters of different layers.Preloading and dynamic compaction （DC）were adopted to control the settlement after making the comparison of the calculated settlement with the criteria.DC construction procedure and parameters were confirmed by the comparison of test results before and after the DC trail.It is concluded that DC has an obvious effect to improve the mechanical characteristics and settlement control,and the construction procedure adopted is satisfactory for settlement control.

steel tank;software Plaxis;modeling;settlement calculation;preloading;dynamic compaction method

TE972

B

1001－2206（2011）01－0050－04

高 飞 （1983-），男，山西五寨人，工程师，2007年毕业于哈尔滨工业大学，从事国际石油工程建设管理工作。

2010-01-31