大型储油罐地基沉降有限元分析

【前言】大型储油罐地基沉降有限元分析由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。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...

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

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。

(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。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

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

以油罐底部作用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

根据所确定的计算方法，进行如下步骤的计算。

(1)沉降点位置的确定

首先根据沿环墙钻孔资料建立Plaxis2D平面计算模型的地层剖面，由此确定环墙最大与最小沉降点的位置。

在此模型中，按100kPa进行加荷，平面应变模型计算结果如下:

最大沉降点:x=274.lm处;最小沉降点:x=108.3m处。

根据计算结果比照沿环墙地层，可以看出最大与最小沉降点的位置分别位于下伏软弱地层厚度最大与最小的位置，与理论分析基本一致。

表1模型材料参数表

(2)轴对称模型建立

根据所对应钻孔资料建立环墙沉降最大点与最小点所在位置轴对称模型，所加均布荷载为220kpa，环墙上部集中荷载为90kN·m-1。

l)最大沉降点计算结果

根据所加荷载，得到最大沉降点沿半径方向所对应轴对称模型计算结果(图1)。

图1轴对称模型竖向位移图(最大沉降点)

根据图1可以看出油罐中心(X=Om)沿半径方向到油罐边缘最大沉降点(X=5m)所对应剖面基础沉降变形最大值为34.Omm，沉降最小点在油罐边缘环墙位置，沉降量为19.6mm。沿罐中心方向最大差异沉降为14.4mm。

2)最小沉降点计算结果

根据所加荷载，得到最小沉降点沿半径方向所对应轴对称模型计算结果(图2)。

图2轴对称模型竖向位移图(最小沉降)

根据图2可以看出油罐中心(X=Om)沿半径方向到油罐边缘最大沉降点(X=5m)所对应剖面基础沉降变形最大值为29.4mm，沉降最小点在油罐边缘环墙位置，沉降量为14.5mm。沿罐中心方向剖面最大差异沉降为14.6mm。

3)调节荷载后环墙展开平面应变模型计算

根据轴对称模型计算的环墙最大与最小沉降量，调整平面应变模型上均布荷载和主要的计算参数，使所计算沉降量与轴对称计算结果相符合。

图3 环墙展开竖向位移图

由图3可以看出，在荷载为130KPa下，环墙上最大沉降量为19.53mm，最小沉降量为13.9mm，与轴对称剖面计算结果相一致。

在计算过程中，通过调节参数来调整平面应变和轴对称模型沉降量一致性时，可以发现地基土的变形模量对沉降量的影响较大。当土层的变形模量越大时，地基最终沉降量越小，即地基沉降量与变形模量成反比，但对差异沉降影响相对整体沉降较小。

4 环墙计算沉降与实际监测沉降对比分析

根据计算环墙数据与实际充水预压沉降监测数据，做出环墙沉降对比曲线（图4）。油罐沉降结果见表2。

图4环墙计算沉降与实际监测沉降对比曲线

由图4可以看出：计算沉降曲线略大于实际监测曲线，这主要是因为监测沉降值仅是充水预压期(5d)内的沉降，未包括油罐建造期的沉降量（一般约3～4mm），因此，造成实际沉降量略小于计算值。但是在图中还可以看出，实际与计算沉降曲线沿环墙长度沉降量的变化趋势大致相同，若去除建设期沉降的影响，两曲线能较好地拟合，从而说明根据展开平面模型来模拟实际环墙下地基的差异沉降与实际监测的油罐的差异沉降量较为相近，并且都达到了设计的要求。

表2 油罐沉降结果

4 结论与建议

实践表明，以Plaxis程序作为油罐地基沉降有限元计算平台，分析预测大型油罐地基的变形，并与充水预压监测资料进行对比，可为油罐地基沉降预测与设计提供参考。同时，在利用Plaxis2D模拟计算油罐沉降过程中，地基土的变形模量对计算结果影响较大，因此对于不同的地区、不同的土层应慎重考虑其的取值，以保证实际计算安全可靠。

参考文献

[1] 赵世斌.大型储罐强夯地基与桩基沉降变形分析研究[D].中国海洋大学,2011年

[2] 刘红军;;张志豪;王秀海.大型储油罐碎石桩地基差异沉降有限元数值分析[J].土木建筑与环境工程,2010年第05期