大型化学品及石油储罐充水预压地基处理方法浅析.pdf

〔 收稿日期〕 2002 - 10 - 23 大型化学品及石油储罐 充水预压地基处理方法浅析 隆 威1 刘永球2 曹增国3 1. 中南大学 2.湖南省电力勘测设计院 3.中国化学工程第一岩土公司 摘 要 总结了在化学品及石油储罐地基处理中充水预压、 先充水预压后真空预压相结合的预压处理方 法,并利用工程数据的分析结果,提出了真空预压联合充水预压处理方法的建议。 关键词 化学品及石油储罐地基 充水预压 真空预压 真空预压联合充水预压 某石油化工有限公司要建造一个8座储量 2500 m3、4座储量4000 m3、5座储量5000 m3、1座 储量10000 m3的罐群。场地土为高压缩性软土。 为满足各罐基承载力要求,综合考虑建设质量、 工期 和造价等条件,针对不同的情况选择了不同的地基 处理方法。工期较长时选择造价较低的直接排水式 充水预压;工期有要求造价又可以适当提高时,选择 了先真空预压后充水预压的方法;工期较短时选择 刚性桩复合地基。结果都取得了很好的效果。本文 对充水预压方法进行了总结,并在此基础上提出了 在不提高工程造价的情况下,进一步缩短工期的真 空预压联合充水预压方法。 1 工程地质条件简介 罐区地基土层为第四系全新统,上更新统地层, 自上而下分层,各土层主要物理力学性质指标见表 1。 2 地基处理方法及结构设计 依据储罐荷载及结构对变形要求的特点,结合 地基土条件和以往的工程经验,在工程实施过程中 首先对选择的成熟的充水预压方法的应用情况进行 了分析,然后在此基础上结合真空预压方法,对其优 缺点进行比较,并提出了真空预压联合充水预压方 法。 2. 1 储罐地基处理采用3种方法 1充水预压在储罐使用前利用水密度大于油 密度的特点对储罐充水,使地基土体在荷载作用下 排水固结,抗剪强度相应提高。 2先真空预压后充水预压在真空预压处理地 基达到预期设计要求后,拆除真空预压设施,储罐充 水至地基满足设计要求及变形要求。 3真空预压联合充水预压利用真空负压和 74 岩土工程界 第6卷 第3期地基基础工程 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 充水正压,通过两种荷载作用效果的叠加满足大型 储罐地基对承载力及沉降的要求。 2. 2 地基处理范围的确定 建筑设计要求,地基处理后承载力标准值不小 于200 kPa左右,且沉降量和差异沉降量满足 石油 化工企业钢罐地基与基础设计规范SH3068 - 95 要求。设 ② 粉质粘土顶面坐标为Z 0 ,在设计满载 载荷为200 kPa作用下,以罐区最大油罐直径D 30 m为圆形均布载荷直径,根据分层求和法进行沉 降分析得表2。 根据ΔS′ n≤0. 025ΔS′i计算得压缩层深度为 18 m ,沉降经验系数 ψs取1. 4 ,则总沉降量为 1. 176 m。因18～19. 2 m为淤泥质粘土,属高压缩 性土,再加上 ① 杂填土的厚度,因此确定压缩层厚度 为20. 40 m ,并且该压缩层以下土层压缩模量大于 4 MPa ,属中等压缩性土,结合场地工程条件及工程 经验,最终确定处理深度为21 m ,地基处理范围按 比油罐直径大7 m控制。 2. 3 结构设计 1竖向排水体采用塑料排水板,型号为SPB1 - B ,等边三角形布置,间距1 m ,插入自然地面下 21 m , ;水平排水体采用砂垫层,采用中粗砂,厚度 500 mm。 2采用现浇混凝土环墙式基础,设计依据为 石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范 SH3068 - 95 ,环墙基础按照计算沉降值采取预抬 高安装标高,环墙上预留排水管道,环墙内同储罐底 接触层填充沥青砂绝缘层,以防止罐底腐蚀;根据预 压区土质软弱特点,应用弹性理论法进行罐底板沉 降分析,为防止在满载条件下,导致底板中心与边缘 产生较大变形,引起底板的过大应力,使得底板发生 脆性破坏,沥青砂绝缘层坡度设计为0. 03 ;石屑垫 层上铺设一层300～600 mm砂垫层,以防止沥青砂 绝缘层施工时影响其下石屑垫层的质量。 3在环墙外侧设置石屑反压层,上底宽 1000 m ,高1000 m ,坡角1∶1. 5 ,以增加坡面正下方 或坡脚部位的地基抗剪强度,起减少储罐的沉降量、 沉降差及镇压软土防剪抗滑作用。 3 地基处理效果分析与比较 3. 1 工期分析与比较 1 T1503充水预压时间共计133天,T1208充 水预压时间为59天。后者比前缩短74天。T1208 在充水预压进行前进行真空预压,历时46天。因 此,两者相比缩短工期28天。T1503及T1208充水 预压时间如表3、4、5所示。 2原因分析工期的快慢取决于充水预压加荷 速率,但过大的加荷速率将会引起罐基的不均匀沉 降或导致地基土发生剪切破坏,影响油罐的使用。 T1208充水预压前先进行了真空预压,地基强度得 到了提高。根据真空预压完成后的静力触探成果, 粉质粘土、 淤泥质粘土的承载力均有所提高。压缩 模量最大值为7 MPa ,尤其淤泥质粉质粘土,其压缩 模量提高近一倍。利用地基土的强度增长公式求得 表2 不同层次土层的沉降量 土层层次Zi/ m0～2. 982. 98～6. 006. 00～7. 577. 57～9. 009. 00～12. 0012. 00～15. 0015. 00～18. 00 S′ i/ m0. 120. 270. 110. 110. 140. 070. 02 表3 T1503充水预压时间表 时间/ d 充水加荷/ kPa 第一级第二级第三级第四级第五级第六级第七级第八级第九级 0～140. 12 2～770. 00 10～1595. 00 18～22115. 00 25～29130. 00 41～45160. 00 49～53175. 00 53～60185. 00 63～66195. 00 123～133放水 84 地基基础工程GEOTECHNICAL ENGINEERING WORLD VOL. 6 No. 3 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 表4 T1208真空预压时间表 时间/ d1020304046 膜下真空度/ MPa0. 040. 0820. 0810. 0810. 081 表5 T1208充水预压时间表 时间/ d 充水加荷/ kPa 第一级第二级第三级 9月7日- 9日57. 61 9月13日- 15日104. 92 10月1日- 7日149. 60 10月26日放水,11月3日放水完毕. 分级荷载大小和加荷速率,可知采用先真空预压后 充水预压方法较只用充水预压方法进行地基处理的 工期短。但先真空预压后充水预压方法要求在真空 预压处理地基达到预期设计要求后,拆除真空预压 设施,再利用充水预压处理地基将耽误工程的总的 工期。而且在地基处理中,真空预压的优点并没有 完全得到发挥,比如真空预压是通过负压形成的压 力差加快水的渗透,并以气水混合物排出土体,使土 体固结加快。这在充水预压阶段并没有得到利用。 又如充水预压施工前对真空负压进行卸载会导致土 体回弹,增加工后沉降量,降低预压效果。 3. 2 油罐基础地基变形 在施工罐区内对土体进行了水平变形或垂直变 形测量。T1503的沉降观测点布置图如图1。 T1208的8个沉降观测点埋设在环墙外侧的预埋排 水孔处。现以T1503及T1208所提供的观测成果 图表来分析地基处理效果。 图1 T1503沉降观测点布置图 1地面沉降T1503的地基土经过126天的预 压后,地面最大沉降发生在距罐中心2 m的B2 ,B12 沉降观测点设置如图1所示两点,沉降量为 1429 mm ,地面平均沉降量为1386 mm ,卸载后回弹 70 mm ,地面变形的基本特征是中间大,两旁沿径向 减小,整个罐底地面呈锅底状。依据实测沉降值如 表6、7所示 , 利用固结度对数配合法推算地面的最 终沉降量为1681 mm ,则地面的平均固结度为82. 45 ,罐底最大沉降差为96 mm。根据 石油化工 企业钢罐地基与基础设计规范SH3068 - 95规 定当罐底内圈直径Dt≤22 m ,允许沉降差小于 0. 007Dt即134. 6 mm ,计算的沉降差在允许范围, 达到设计要求。T1208的地基处理效果在真空预压 阶段,地面平均沉降量为456 mm ,储罐中心沉降量 为576 mm ,根据表8提供得数据,结合固结度对数 表6 T1503各观测点沉降表单位mm B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11 - 1421- 1429- 1400- 1365- 1395- 1363-- 1392-- 1380- 1333 B12B13B14B15B16B17B18B19B20B21- - 1429-- 1349- 1389- 1354- 1424- 1404- 1370-- 1372- 注B7,B9,B13,B204点因沉降过程中输水管故障无最终成果 表7 T1503不同预压时间的平均沉降量 t/ d102030405060708090100110120126145 S/ mm120320520720860102012001260130013601380140014301360 表8 T1208真空预压阶段沉降不同预压时间的沉降量 时间/ d1020304046 日平均沉降量/ mm110240360440530 罐中心沉降量/ mm170340480560576 94 岩土工程界 第6卷 第3期地基基础工程 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 表9 T1208充水预压阶段各观测点沉降量 观测点1 2 3 4 5 6 7 8 S/ mm11451140110010901130110011901190 表10 T1208充水预压阶段1 测点不同预压时间的沉降量 T/ d102030405060 S/ mm361. 1588. 9836. 11002. 51091. 71145 表11 T1503罐基地面边桩水平变形 D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12 垂直沉降量mm- 591- 461- 273- 315- 30- 8- 524- 483- 312- 151- 36- 10 向心平面位移mm- 121- 18- 224- 108- 45- 3- 11 28- 235- 166- 49- 17 注向心平面位移 “-” 为向罐心方向,“” 为反罐心方向。 配合法可推算出地面最终沉降量600 mm ,平均固 结度为88. 33 ;储罐中心最终沉降量为670 mm , 平均固结度为85. 97 ,变形量在设计允许范围。 在充水预压阶段,地面平均沉降量为1110. 6 mm , 最大沉降差在规定范围内,地面未出现水平位移,即 罐心未发生偏离。根据测点1 的沉降量时间关系 表,采用固结度对数配合法推算最终沉降量为1345 mm ,压缩层的平均固结度为85. 13 ,达到预期效 果。 2储罐基础周围地表土变形 根据图1沉降观测点位置图及表11所提供的 数据,T1503罐基地面边桩除了D8之外 , 水平变 形是向预压区即罐心方向收缩,这种变形特征可减 少由于油罐充水加荷软土地基产生侧向挤出变形。 T1208罐基地面边桩水平变形是向预压区即罐心方 向收缩,且地表土没有发生侧向挤出变形现象。 3. 3 结 论 1采用先真空预压后充水预压的地基处理方 法与充水预压地基处理方法相比,前者施工期间平 均沉降量大,平均固结度大,工后沉降量小,且地基 的压缩土层不易发生剪切破坏。并且缩短了工期。 2在同一土层条件下,采用处理地基效率较前 两者高,根据先真空预压后充水预压的加载情况分 析真空度达到稳定所需时间约为20天,这就是 说,若采用真空预压联合充水预压方法进行地基处 理时,真空预压20天后,就可以进行充水加载,这 相当于节约26天的工期,再考虑到充水预压时真空 预压的加速作用及根据工程经验,估计节约工期超 过30天。但根据其工艺中要求预压时采用粘土层 保护真空设施不受损坏及其他的特殊要求分析,工 程造价将稍高于前者,低于刚性桩复合地基。 4 对拟建中储罐地基处理的建议 拟建中的4座5000 m3储罐地基,采用真空预 压联合充水预压方法。 1充水时间应根据理论或现场实测孔隙水压 力资料,计算出当时的地基土强度确定。充水预压 应在膜内真空度达到稳定后,才开始施加,以免由于 膜内真空度不稳定而产生土体内应力分布不均匀, 导致不均匀沉降。 2应考虑罐区内原有储罐对加固区分布不均 匀的应力附加作用,并根据理论计算或现场沉降观 测资料来调整反压层厚度,减小可能的不均匀沉降。 3覆盖在薄膜上的粘土层厚度,应保证充水 时,环墙沉降导致的薄膜刺穿不会影响真空效果。 4在地基处理过程中,应采取有力措施防止雨 水或污水对地基土的渗透,而引起土体回弹,影响地 基土的处理效果。 参考文献 〔1〕 叶书麟.地基处理与托换技术.北京中国建设工业部出版社, 1994. 〔2〕 龚晓南.高等土力学.杭州浙江大学出版社,1996. 〔3〕 林宗元.岩土工程治理手册.沈阳辽宁科技出版社,1993. 〔4〕 徐玉钧 等.大型油罐基础设计与地基处理.北京中国石油出 版社,2001. 第一作者通讯地址长沙市岳麓山中南大学主校区地学与环 境工程学院 邮编410083 05 地基基础工程GEOTECHNICAL ENGINEERING WORLD VOL. 6 No. 3 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载