静力触探技术用于西北大型油气储罐地基勘察

陈迎辉 河北省地矿局第三地质大队

静力触探技术用于西北大型油气储罐地基勘察

陈迎辉 河北省地矿局第三地质大队

静力触探技术的基本工作原理主要包括胡克定律、电阻定律和电桥原理。岩土的类型、质地、存在状态等差异使静力触探探头下压时受到的贯入阻力也不同，依据静力触探获得的参数值，便可判断地下岩土的基本受力和存在状态。某大型油气储罐建设工程位于我国西北地区，由于黄土承载能力较低，在油气储罐工程中需实施地基处理作业。一般的地基处理多运用孔内深层强夯方法。此方法先用机械设备钻孔，然后用灰土进行夯击充填，使压实系数达到0.97以上。在此过程中利用静力触探技术估算单桩垂向承载力，当承载能力满足工程需要时，完成地基处理作业，工程实践效果良好。

静力触探；储罐地基勘察；地基承载力；地基处理

随着我国现代化事业的不断发展，石油的需求量不断增加，对石油储存设备的要求越来越高。大型油气储罐最大容积可达20×104m3，并且具有节约设备管网、节省原材料、合理规划占地、操作管理便捷等优点，这使得大型储罐在诸多地区得到广泛应用。大型油气储罐具有大直径、重载荷、高沉降敏感性等特点，当储罐地基发生不稳定变化时，容易造成储罐原油泄漏，管道扭曲破裂，环境污染，甚至爆炸火灾等灾难性事故，不但使石油企业经济利益受损，而且直接威胁人民群众的人身财产安全。因此，在大型油气储罐建设施工之前需要对储罐地基进行详细勘察。地基勘察是大型油气储罐建设工程的基础，关系到储罐质量、安全和能否长期稳定运行。

传统的地基勘察技术主要以钻探取样为主，再到实验室进行实验处理，获得工程所需参数。但是钻探深度难以精确控制，取样扰动变化大，室内试验与真实环境存在误差；同时，钻探取样等方法无法连续取得测试剖面，不能准确对地层进行评价。静力触探技术能够对地层进行连续测试，获得各个目的层位的贯入阻力，可取得整个孔眼的岩石力学剖面，可进行地层界线识别、计算地基承载能力、估算单桩竖向承载力等。因此，静力触探已经成为了一项被广泛应用的、高连续性、高精确性、省时省力的实用地基勘察技术。

1 静力触探技术

1.1 发展历程

静力触探技术1917年在瑞典问世，逐渐走入人们的视野。20世纪30年代两位荷兰工程师进行了静力触探试验和贯入装置试验，开始对探头进行研究。20年后，Vermeiden与Plantema合作，对静力触探探头进行进一步改进，在头部增加锥形防护组件，避免了使用过程中地层杂质沿套管与钢管间的缝隙混入仪器。20世纪50年代，测量仪器侧面阻力的摩擦套开始用于静力触探仪上，增加了静力触探仪的测量范围。以上这些早期机械式静力触探仪器操作简单、使用方便，一些国家和地区一直沿用至今。但是，机械式静力触探仪器不能有效控制套管与钢管间的摩擦以及泥土灌入等问题，导致测量精度受到极大限制，难以满足现代科技高精尖的发展需求，电测式静力触探仪器应运而生。

20世纪40年代末，荷兰工程师申请了世界第一台电测式静力触探探头专利，标志着电测式静力触探技术开始起步。历经30年的发展，该领域的科学家们先后研制出了侧阻力电测试探头、密闭探头等，并建立了行业标准，使后续的电测静力触探仪器的研究更加规范化、统一化。截至20世纪70年代末，静力触探技术开始百花齐放、蓬勃发展。中国自20世纪30年代开始引进荷兰的静力触探仪，经过科研人员的广泛试验和艰苦攻关，终于在30年后成功研制出具有独立知识产权的单桥静力触探仪，10年后又研制出双桥静力触探仪。在后续的科研和工程实践中，单桥、双桥静力触探仪得到了广泛应用和发展。

1.2 技术原理

静力触探技术的基本工作原理主要包括胡克定律、电阻定律和电桥原理。静力触探仪先利用机械设备以准静力标准将准备好的探头垂直插入地层，探头下压插入过程受到地层岩土的阻力，岩土强度越大，探头受到的阻力越大，安装在探头上的压力传感器将其所受到的各个方向的力转化成电信号，在仪表上显示出来。整个静力触探仪工作工程中，探头传感器受到围岩阻力后，在材料弹性承受范围内，发生弹性形变。依据胡克定律，应变量与受力成正比，与受力面积成反比。因此，通过测量传感器应变量和受力面积，即可得到岩土的力学参数。为了精确获得传感器的应变量，在传感器上黏贴电阻形变片，使其在受力时能够与传感器同步发生形变。依据电阻定律，形变片的电阻值与电阻器长度成正比，与其横截面积成反比。由此，传感器的应变量便转化成了电阻阻值的变化量。但是，一般钢材弹性应变很小，电阻变化也不明显，为此应用电桥原理，将电阻纳入电桥系统，将电阻变化转化为电压变化，通过放大器，将电压放大到易观测读取的倍数。通过传感器应变—电阻值变化—电压变化—电压放大等系列手段，实现钢材微小形变到高精度的数字化输出。岩土的类型、质地、存在状态等差异使静力触探探头下压时受到的贯入阻力也不同，依据静力触探获得的参数值，便可判断地下岩土的基本受力和存在状态。静力触探技术工作原理如图1所示。

图1 静力触探技术工作原理

2 储罐地基勘察

某大型油气储罐建设工程位于我国西北地区，该区域地势平坦、起伏不大、较为开阔，为黄土土质。建设场地东西方向较宽，南北方向较长，大致成不规则长方形分布。现准备建设库容60×104m3一级油气储罐，储罐设计参数要求见表1。

2.1 地层界线识别

根据静力触探钻孔数据，场地目的地层主要分为黄土状土、马兰黄土、离石黄土三种类型，空间分布较为均匀、规则。地层的成因不同、沉积环境不同都会导致静力触探探头锥尖阻力和侧壁阻力的差异。在地层实际划分过程中，可以根据锥尖阻力、侧壁阻力以及它们的比值（摩阻比）三个参数相互比较进行划分工作。对工区钻孔进行静力触探作业，得到静力触探曲线参数如图2。

图2 工区静力触探曲线参数

由图2可知，目的层位地层界线较为清晰，与钻孔数据能够较好的吻合。其中，锥头阻力曲线和侧壁摩阻力曲线变化同步，随岩性差异幅度变化明显，并都超前于岩性变化；摩阻比曲线与岩性变化同步，可据此精确卡点划分地层。

2.2 地基承载力计算

目前，静力触探勘探成果不能直接应用于地基承载力计算，国内外现在一般采用静力触探成果与室内载荷实验结果相比对的方式，最终确定储罐地基承载力。根据工区静力触探测试参数和工程地质手册经验公式，计算地基承载力，详见表2。计算结果与室内实验结果相仿，地基承载力取两者中的最小值。

表1 油气储罐设计参数

2.3 地基处理

由于黄土承载能力较低，在油气储罐工程中需实施地基处理作业。一般的地基处理多运用孔内深层强夯方法。此方法先用机械设备钻孔，然后用灰土进行夯击充填，使压实系数达到0.97以上。在此过程中利用静力触探技术估算单桩垂向承载力，当承载能力满足工程需要时，完成地基处理作业，工程实践效果良好。

表2 地基承载力参数

3 结语

静力触探技术是地基勘探作业中一项重要的原位测试方法。以其精准高效、使用便利、操作简单、节能环保等优势获得广泛应用。在大型油气储罐地基勘探的实际工作中，静力触探技术能够精确识别地层界线，计算地层承载能力，并在后续地基加固处理中提供数据支持。在工程实践中为提高地基施工质量，增强地基勘察水平提供了有力保障。

（栏目主持 焦晓梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.3.026