陳迎輝 河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)

靜力觸探技術(shù)用于西北大型油氣儲(chǔ)罐地基勘察

陳迎輝 河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)

靜力觸探技術(shù)的基本工作原理主要包括胡克定律、電阻定律和電橋原理。巖土的類型、質(zhì)地、存在狀態(tài)等差異使靜力觸探探頭下壓時(shí)受到的貫入阻力也不同，依據(jù)靜力觸探獲得的參數(shù)值，便可判斷地下巖土的基本受力和存在狀態(tài)。某大型油氣儲(chǔ)罐建設(shè)工程位于我國(guó)西北地區(qū)，由于黃土承載能力較低，在油氣儲(chǔ)罐工程中需實(shí)施地基處理作業(yè)。一般的地基處理多運(yùn)用孔內(nèi)深層強(qiáng)夯方法。此方法先用機(jī)械設(shè)備鉆孔，然后用灰土進(jìn)行夯擊充填，使壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.97以上。在此過(guò)程中利用靜力觸探技術(shù)估算單樁垂向承載力，當(dāng)承載能力滿足工程需要時(shí)，完成地基處理作業(yè)，工程實(shí)踐效果良好。

靜力觸探；儲(chǔ)罐地基勘察；地基承載力；地基處理

隨著我國(guó)現(xiàn)代化事業(yè)的不斷發(fā)展，石油的需求量不斷增加，對(duì)石油儲(chǔ)存設(shè)備的要求越來(lái)越高。大型油氣儲(chǔ)罐最大容積可達(dá)20×104m3，并且具有節(jié)約設(shè)備管網(wǎng)、節(jié)省原材料、合理規(guī)劃占地、操作管理便捷等優(yōu)點(diǎn)，這使得大型儲(chǔ)罐在諸多地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。大型油氣儲(chǔ)罐具有大直徑、重載荷、高沉降敏感性等特點(diǎn)，當(dāng)儲(chǔ)罐地基發(fā)生不穩(wěn)定變化時(shí)，容易造成儲(chǔ)罐原油泄漏，管道扭曲破裂，環(huán)境污染，甚至爆炸火災(zāi)等災(zāi)難性事故，不但使石油企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益受損，而且直接威脅人民群眾的人身財(cái)產(chǎn)安全。因此，在大型油氣儲(chǔ)罐建設(shè)施工之前需要對(duì)儲(chǔ)罐地基進(jìn)行詳細(xì)勘察。地基勘察是大型油氣儲(chǔ)罐建設(shè)工程的基礎(chǔ)，關(guān)系到儲(chǔ)罐質(zhì)量、安全和能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

傳統(tǒng)的地基勘察技術(shù)主要以鉆探取樣為主，再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理，獲得工程所需參數(shù)。但是鉆探深度難以精確控制，取樣擾動(dòng)變化大，室內(nèi)試驗(yàn)與真實(shí)環(huán)境存在誤差；同時(shí)，鉆探取樣等方法無(wú)法連續(xù)取得測(cè)試剖面，不能準(zhǔn)確對(duì)地層進(jìn)行評(píng)價(jià)。靜力觸探技術(shù)能夠?qū)Φ貙舆M(jìn)行連續(xù)測(cè)試，獲得各個(gè)目的層位的貫入阻力，可取得整個(gè)孔眼的巖石力學(xué)剖面，可進(jìn)行地層界線識(shí)別、計(jì)算地基承載能力、估算單樁豎向承載力等。因此，靜力觸探已經(jīng)成為了一項(xiàng)被廣泛應(yīng)用的、高連續(xù)性、高精確性、省時(shí)省力的實(shí)用地基勘察技術(shù)。

1 靜力觸探技術(shù)

1.1 發(fā)展歷程

靜力觸探技術(shù)1917年在瑞典問(wèn)世，逐漸走入人們的視野。20世紀(jì)30年代兩位荷蘭工程師進(jìn)行了靜力觸探試驗(yàn)和貫入裝置試驗(yàn)，開始對(duì)探頭進(jìn)行研究。20年后，Vermeiden與Plantema合作，對(duì)靜力觸探探頭進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，在頭部增加錐形防護(hù)組件，避免了使用過(guò)程中地層雜質(zhì)沿套管與鋼管間的縫隙混入儀器。20世紀(jì)50年代，測(cè)量?jī)x器側(cè)面阻力的摩擦套開始用于靜力觸探儀上，增加了靜力觸探儀的測(cè)量范圍。以上這些早期機(jī)械式靜力觸探儀器操作簡(jiǎn)單、使用方便，一些國(guó)家和地區(qū)一直沿用至今。但是，機(jī)械式靜力觸探儀器不能有效控制套管與鋼管間的摩擦以及泥土灌入等問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量精度受到極大限制，難以滿足現(xiàn)代科技高精尖的發(fā)展需求，電測(cè)式靜力觸探儀器應(yīng)運(yùn)而生。

20世紀(jì)40年代末，荷蘭工程師申請(qǐng)了世界第一臺(tái)電測(cè)式靜力觸探探頭專利，標(biāo)志著電測(cè)式靜力觸探技術(shù)開始起步。歷經(jīng)30年的發(fā)展，該領(lǐng)域的科學(xué)家們先后研制出了側(cè)阻力電測(cè)試探頭、密閉探頭等，并建立了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使后續(xù)的電測(cè)靜力觸探儀器的研究更加規(guī)范化、統(tǒng)一化。截至20世紀(jì)70年代末，靜力觸探技術(shù)開始百花齊放、蓬勃發(fā)展。中國(guó)自20世紀(jì)30年代開始引進(jìn)荷蘭的靜力觸探儀，經(jīng)過(guò)科研人員的廣泛試驗(yàn)和艱苦攻關(guān)，終于在30年后成功研制出具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單橋靜力觸探儀，10年后又研制出雙橋靜力觸探儀。在后續(xù)的科研和工程實(shí)踐中，單橋、雙橋靜力觸探儀得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

1.2 技術(shù)原理

靜力觸探技術(shù)的基本工作原理主要包括胡克定律、電阻定律和電橋原理。靜力觸探儀先利用機(jī)械設(shè)備以準(zhǔn)靜力標(biāo)準(zhǔn)將準(zhǔn)備好的探頭垂直插入地層，探頭下壓插入過(guò)程受到地層巖土的阻力，巖土強(qiáng)度越大，探頭受到的阻力越大，安裝在探頭上的壓力傳感器將其所受到的各個(gè)方向的力轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，在儀表上顯示出來(lái)。整個(gè)靜力觸探儀工作工程中，探頭傳感器受到圍巖阻力后，在材料彈性承受范圍內(nèi)，發(fā)生彈性形變。依據(jù)胡克定律，應(yīng)變量與受力成正比，與受力面積成反比。因此，通過(guò)測(cè)量傳感器應(yīng)變量和受力面積，即可得到巖土的力學(xué)參數(shù)。為了精確獲得傳感器的應(yīng)變量，在傳感器上黏貼電阻形變片，使其在受力時(shí)能夠與傳感器同步發(fā)生形變。依據(jù)電阻定律，形變片的電阻值與電阻器長(zhǎng)度成正比，與其橫截面積成反比。由此，傳感器的應(yīng)變量便轉(zhuǎn)化成了電阻阻值的變化量。但是，一般鋼材彈性應(yīng)變很小，電阻變化也不明顯，為此應(yīng)用電橋原理，將電阻納入電橋系統(tǒng)，將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，通過(guò)放大器，將電壓放大到易觀測(cè)讀取的倍數(shù)。通過(guò)傳感器應(yīng)變—電阻值變化—電壓變化—電壓放大等系列手段，實(shí)現(xiàn)鋼材微小形變到高精度的數(shù)字化輸出。巖土的類型、質(zhì)地、存在狀態(tài)等差異使靜力觸探探頭下壓時(shí)受到的貫入阻力也不同，依據(jù)靜力觸探獲得的參數(shù)值，便可判斷地下巖土的基本受力和存在狀態(tài)。靜力觸探技術(shù)工作原理如圖1所示。

圖1 靜力觸探技術(shù)工作原理

2 儲(chǔ)罐地基勘察

某大型油氣儲(chǔ)罐建設(shè)工程位于我國(guó)西北地區(qū)，該區(qū)域地勢(shì)平坦、起伏不大、較為開闊，為黃土土質(zhì)。建設(shè)場(chǎng)地東西方向較寬，南北方向較長(zhǎng)，大致成不規(guī)則長(zhǎng)方形分布。現(xiàn)準(zhǔn)備建設(shè)庫(kù)容60×104m3一級(jí)油氣儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)要求見表1。

2.1 地層界線識(shí)別

根據(jù)靜力觸探鉆孔數(shù)據(jù)，場(chǎng)地目的地層主要分為黃土狀土、馬蘭黃土、離石黃土三種類型，空間分布較為均勻、規(guī)則。地層的成因不同、沉積環(huán)境不同都會(huì)導(dǎo)致靜力觸探探頭錐尖阻力和側(cè)壁阻力的差異。在地層實(shí)際劃分過(guò)程中，可以根據(jù)錐尖阻力、側(cè)壁阻力以及它們的比值（摩阻比）三個(gè)參數(shù)相互比較進(jìn)行劃分工作。對(duì)工區(qū)鉆孔進(jìn)行靜力觸探作業(yè)，得到靜力觸探曲線參數(shù)如圖2。

圖2 工區(qū)靜力觸探曲線參數(shù)

由圖2可知，目的層位地層界線較為清晰，與鉆孔數(shù)據(jù)能夠較好的吻合。其中，錐頭阻力曲線和側(cè)壁摩阻力曲線變化同步，隨巖性差異幅度變化明顯，并都超前于巖性變化；摩阻比曲線與巖性變化同步，可據(jù)此精確卡點(diǎn)劃分地層。

2.2 地基承載力計(jì)算

目前，靜力觸探勘探成果不能直接應(yīng)用于地基承載力計(jì)算，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在一般采用靜力觸探成果與室內(nèi)載荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比對(duì)的方式，最終確定儲(chǔ)罐地基承載力。根據(jù)工區(qū)靜力觸探測(cè)試參數(shù)和工程地質(zhì)手冊(cè)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算地基承載力，詳見表2。計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相仿，地基承載力取兩者中的最小值。

表1 油氣儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 地基處理

由于黃土承載能力較低，在油氣儲(chǔ)罐工程中需實(shí)施地基處理作業(yè)。一般的地基處理多運(yùn)用孔內(nèi)深層強(qiáng)夯方法。此方法先用機(jī)械設(shè)備鉆孔，然后用灰土進(jìn)行夯擊充填，使壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.97以上。在此過(guò)程中利用靜力觸探技術(shù)估算單樁垂向承載力，當(dāng)承載能力滿足工程需要時(shí)，完成地基處理作業(yè)，工程實(shí)踐效果良好。

表2 地基承載力參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

靜力觸探技術(shù)是地基勘探作業(yè)中一項(xiàng)重要的原位測(cè)試方法。以其精準(zhǔn)高效、使用便利、操作簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)獲得廣泛應(yīng)用。在大型油氣儲(chǔ)罐地基勘探的實(shí)際工作中，靜力觸探技術(shù)能夠精確識(shí)別地層界線，計(jì)算地層承載能力，并在后續(xù)地基加固處理中提供數(shù)據(jù)支持。在工程實(shí)踐中為提高地基施工質(zhì)量，增強(qiáng)地基勘察水平提供了有力保障。

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.3.026