大型储油罐地基承载状态模拟及实例分析

朱 晓 明

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

大型储油罐地基承载状态模拟及实例分析

朱 晓 明

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

通过FLAC2D软件对大型石化厂区大型储油罐地基承载状态进行了模拟，选取了各种土层参数和基础参数，将计算结果的地基沉降和实际监测数据作了对比分析，研究了在大型储油罐荷载下地基内部的应力变化和土体的屈服状态，并以广东某石油化工厂区为例，从附加应力响应、土体变形和周围土体变形进行数值分析，结合工程实测数据进行对比研究，得出了一些结论。

大型储油罐，地基处理方法，FLAC2D数值模拟

1 概述

由于大型化储罐的荷载大、使用情况特殊等特点，对地基的承载力提出了新的要求，致使储罐的地基和基础建设施工难度加大，如按常规的地基基础规范进行设计，则会出现较大的差错，大型储罐基础的基础设计与地基处理已成为岩土工程中研究的重要问题之一。

FLAC数值模拟方法是目前对地基处理方法仿真模拟研究比较实用的一种方法。FLAC程序(Fast Lagrangian Analysis of Continua)可以准确的模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独特的优点。

本文即以广东某石油化工厂区为例，从附加应力响应、土体变形和周围土体变形进行数值分析，并结合工程实测数据进行对比研究。

2 计算模型选择

本研究地基处理模拟选用FLAC的摩尔—库仑模型。摩尔—库仑模型(Mohr-Coulomb Model)使用时需要确定以下6个参数：1)Density：密度；2)Bulk：体积模量；3)Shear：剪切模量；4)Cohesion：内聚力；5)Friction：摩擦角；6)Dilation：剪胀角；7)Tension：抗拉强度。

其中，密度、内聚力和摩擦角可根据岩土工程勘测报告提供的参数取值；对于一般土体，剪胀角(Dilation)和抗拉强度(Tension)可设为0；体积模量(Bulk)和剪切模量(Shear)通过以下公式由杨氏弹性模量E换算：

(1)

(2)

其中，K为体积模量；G为剪切模量；E为杨氏弹性模量；υ为泊松比。

3 模型建立

3.1 工程简介

广东某石油化工厂区占地面积约5 km2，建设规模2 000万t/年，配套建设工艺装置共29套，以及30万t原油码头和3万t～5万t产品码头，最大储油罐16×104m3内置浮顶罐，直径109 m,高17.8 m[2]，工程地区内土层地质资料见表1。

3.2 模型构建方法

运用FLAC2D采用轴对称方法建立模型对实际的储油罐圆形荷载进行模拟，其中基础部分的本构模型选用弹性模型，地基的本构模型选择摩尔—库仑模型。具体建模过程如下：

1)建模思路。由于储油罐荷载为圆形荷载，模型可以考虑为柱状对称。而一般的FLAC2D建模为二维建模，但可以运用FLAC2D中的轴对称功能将模型设置为柱形，这样就使建立模型与实际情况相符合。

表1 本工程土层参数

2)建立基本网格。运用FLAC中的内置语言Fish编写程序生成满足要求的网格，并调整使之在荷载作用部位网格较密，远处较疏，以便于同时满足高的计算效率和准确的计算精度要求。

3)材料属性参数赋值。按照各材料的室内试验测的参数对储油罐基础和各土层赋予相应的参数。

4)添加边界条件。考虑到模型选用的是对称模型。在水平方向理论上为无限远，模型设置竖直边界条件时只添加水平约束。底部的边界条件对计算结果影响很小，模型建立时选用的是水平和竖直方向同时约束。

5)初始应力计算。按照上述顺序将模型建立以后，使模型在自重下进行平衡，得到类似自然场地的自重应力。

6)储油罐荷载施加。在自然场地的上部储油罐荷载作用范围内施加竖向应力，并再次求解，得到储油罐荷载作用下的计算结果。

7)后处理。对运用FLAC2D计算后的结果进行后处理得到地表沉降、储油罐墙体下部的土体水平位移和地基内附加应力的结果。

图1为数值模型的边界条件示意图，图2是在FLAC2D中建立的数值模型。

3.3 参数取值

在本文中有限差分数值分析所采用本构模型的参数中，地层的参数主要通过对其扰动样的室内模型试验获得，因此可以得到较为全面的参数；储油罐基础模型材料参数参考常见的混凝土。

该厂区地基处理问题采用数值模拟软件FLAC2D进行分析。在建立土体模型时采用轴对称模型，荷载统一选用P=250 kPa，一共建立四个土层，见图2。

4 计算结果

4.1 土体附加应力响应

大型油罐数值计算实例分析主要针对直径为109 m的大型储油罐进行计算，从附加应力响应、土体变形和周围土体变形进行数值分析，并结合工程实测数据进行对比研究。

图3为油罐荷载作用下基础中心处地基中附加应力随深度的变化(油罐半径基础为26 m)。可以看出附加应力随深度而逐渐减小，到80 m深度处，附加应力急剧减小；而后随着深度的增加逐渐减小。

4.2 中心土体变形分析

图4中为储油罐地基顶面自中心向外的土体沉降曲线，由该计算曲线可以看出基础中心处的沉降最大，达到512 mm。这是由于该点位于罐体荷载的中心，由于大型储油罐罐体半径尺寸较大(有时甚至达到百米)。尽管油罐基础为混凝土板浇筑而成，但整体呈现出柔性的特点。另外可以发现在罐体基础边缘处，基础下方的地表沉降与基础外侧的沉降发生急剧的突变。在计算过程中可以发现基础边缘部位的地基发生了屈服。

图5中为某公司新油库区的大型储油罐在充水预压下的地表沉降监测曲线。可以看出与模拟得到的曲线很相似，都是在基础中心处沉降最大，在基础边缘处沉降曲线出现突变，验证了数值模拟的结果。但不同的是，实际测量中，在油罐基础以外的区域也发生了一定的沉降，有50 mm之多。考虑到现场的情况比较复杂，与数值模拟不同，现场的土体在荷载的影响下会发生徐变、自重沉降等等情况。

图6中为将实测值和计算值的纵、横坐标按照沉降总量和基础宽度归一化以后的曲线对比，可以看出由数值模拟得到的地表沉降曲线形状与实测曲线形状基本一致。只是实测值的罐体基础差异沉降较计算值较大，且数值模拟中只是用摩尔—库仑模型模拟土体在荷载作用下的变形，故储油罐基础边缘以外的部分并没有发生沉降。

4.3 周围土体变形分析

图7为数值模拟计算得到的储油罐墙体下方土体的水平位移。可以看出灌顶的土体没有发生大的水平侧移，随着深度的增加，土体的水平位移逐渐增大，在10 m深度处达到最大100 mm，而后随着深度的增加又减小为0。

图8为某新油库区的大型储油罐在充水预压下的罐周下方水平位移测斜曲线。整体来看，土体的水平位移随土体深度呈现出与数值模拟一样的规律，验证数值模拟的结果。由于实测曲线的工程与数值模拟的土层条件有出入，故曲线的实际位置并不相同。图9是储油罐墙体下土体水平位移实测值和模拟值经归一化后的对比，可以发现模拟结果与实测曲线的变化规律较为一致。

5 结语

本文通过按照模拟的步骤通过后处理得到了地表沉降，罐周以下土体水平位移以及地基内附加应力的变化规律。并引入实测数据进行对比，证明了数值模型的可行性。通过上述计算对比，主要可以得到以下结论：

1)用FLAC可以从多个方面，包括地表沉降、水平位移以及附加应力等方面来对大型储油罐进行模拟。

2)从计算以及实测结果可以看出，储油罐中心的沉降最大，边缘的沉降小于基础中心沉降，会导致差异沉降的出现，这对构筑物是不利的。此外，由于土的非连续性，且在油罐荷载的作用下，基础边缘处的地基会发生屈服现象，这导致在基础边缘处，土体的沉降有较大的突变。

3)从储油罐罐周墙体以下的土体水平位移可以看出，土体在基础下某一深度处会发生较大的水平位移，但相对于地基的竖向位移较小。这是由于土体在竖向荷载的作用下发生挤压，基础下方受到挤压的土体会朝侧面运动。

[1] 贾庆山.粉细砂夹层的软粘土上建造大型油罐[J].岩土工程学报,1988(1):57-68.

[2] 丁建洋.日本大学创新能力的历史建构研究[D].南京：南京大学,2013.

[3] 隆 威,梁专明.充水预压法加固油罐软土地基数值分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2009(6):44-46，50.

On simulation of large-scale oil tank storage foundation bearing status and example analysis

Zhu Xiaoming

(CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The paper simulates the large-scale oil tank storage foundation bearing status at some large petrochemical areas with FLAC2D software, selects the stratum and foundation parameter, undertakes the comparative analysis of the foundation settlement and factual monitoring data with the calculation results, researches the stress in the foundation and yielding status under the large-scale oil tank storage bearing, has the numeric analysis of the additional stress response, soil deformation and surrounding soil deformation by taking some petrochemical factory in Guangdong as the example, has the comparison by combining with engineering data, and achieves some conclusions.

large-scale oil tank storage, foundation treatment method, FLAC2D numeric simulation

2015-05-27

朱晓明(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)22-0081-03

TU470

A