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        不均勻沉降儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的糾偏及加固

        2020-02-26 01:28:12徐士平
        石油化工建設(shè) 2020年6期

        徐士平

        中國(guó)石油化工股份有限公司齊魯分公司工程部 山東淄博 255400

        1 工程概況

        某石化行業(yè)新建兩座航煤油罐,為鋼質(zhì)內(nèi)浮頂油罐,罐體為圓柱形,直徑為27.628m,高度約21.0m,容積9500m3。油罐基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土環(huán)墻,基礎(chǔ)頂標(biāo)高為121.20m(所有標(biāo)高均為絕對(duì)標(biāo)高),基礎(chǔ)底標(biāo)高為119.40m,基礎(chǔ)高度1.80m,基礎(chǔ)埋深1.0m,基礎(chǔ)地面以上0.8m,環(huán)墻基礎(chǔ)寬度400mm,基底設(shè)置100m 厚C15 混凝土墊層,原設(shè)計(jì)墊層下采用500mm 厚3∶7灰土換填,寬出基礎(chǔ)300mm,壓實(shí)系數(shù)0.95,灰土底標(biāo)高為118.80m,現(xiàn)有地面標(biāo)高為120.40m。

        原始地基土上部為雜填土,下部為黃土狀粉質(zhì)粘土,地基采用灰土換填墊層處理,油罐底板下(即環(huán)墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)層)采用100mm 厚瀝青砂絕緣層,300mm 厚砂墊層,2000mm 厚3 ∶7 灰土,灰土底標(biāo)高為118.80m。東側(cè)罐體基礎(chǔ)范圍在118.80m 標(biāo)高以下采用2∶8 灰土換填,換填至117.20~117.60m 標(biāo)高;西側(cè)罐體基礎(chǔ)范圍在118.80m 標(biāo)高以下,采用2∶8 灰土換填至113.90~116.70m 標(biāo)高位置。兩儲(chǔ)罐均處理到黃土狀粉質(zhì)粘土層。

        沉降觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,兩座油罐均有不同程度的傾斜。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的沉降數(shù)據(jù),截止到2015 年12 月13日,西側(cè)儲(chǔ)罐最大沉降量為271mm,最小沉降量為3mm,沉降差為268mm(傾斜9.7‰),主傾方向南西8度;東側(cè)儲(chǔ)罐最大沉降量為313mm,最小沉降量為66mm,沉降差為247mm(傾斜8.94‰),主傾方向北東30 度。經(jīng)分析可知,油罐基礎(chǔ)沉降具有對(duì)稱(chēng)性,滿(mǎn)足任意直徑方向的平面傾斜變形特征,為平面傾斜,西側(cè)和東側(cè)儲(chǔ)罐的沉降投影圖分別如圖1 和圖2 所示。

        圖1 西側(cè)儲(chǔ)罐沉降投影圖

        圖2 東側(cè)儲(chǔ)罐沉降投影圖

        根據(jù)《石油化工鋼儲(chǔ)罐地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/ T 3068- 2007 第8.3 條規(guī)定,對(duì)內(nèi)浮頂罐,當(dāng)儲(chǔ)罐底圈內(nèi)直徑在22<Dt ≤30m 時(shí),沉降差允許值為0.006Dt。 本 工 程 沉 降 差 應(yīng) 控 制 在 27628 ×0.006=166mm 范圍內(nèi),但兩個(gè)油罐基礎(chǔ)均超出規(guī)范要求(傾斜分別為9.7‰、8.94‰,均大于6‰)。比較大的不均勻沉降會(huì)給管線(xiàn)的安裝和油罐運(yùn)行使用帶來(lái)許多困難,嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致罐體破裂、原油泄漏。由于罐底局部不均勻沉降,罐體上口的橢圓度發(fā)生變化,過(guò)大可能卡住浮頂,甚至造成嚴(yán)重事故。

        2 場(chǎng)地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

        建設(shè)場(chǎng)地位于山區(qū)山前溝谷地帶,處于兩個(gè)山頭中間的沖溝內(nèi),后經(jīng)人工回填整平。根據(jù)場(chǎng)地詳勘報(bào)告,原始場(chǎng)地地層自上而下的地質(zhì)情況見(jiàn)表1。

        3 油罐基礎(chǔ)沉降原因分析

        引起油罐基礎(chǔ)不均勻沉降的原因是多方面的,包括場(chǎng)地土質(zhì)的不均勻(厚薄不一致、土質(zhì)變化、地質(zhì)缺陷),局部地表水下滲到雜填土或黃土狀粉質(zhì)粘土層導(dǎo)致該層濕陷產(chǎn)生沉降,油罐的瞬時(shí)快速加荷導(dǎo)致地基土體的破壞產(chǎn)生沉降,相鄰基礎(chǔ)或地面荷載的影響,以及地基土受到各種因素的擾動(dòng)等,都會(huì)引起基礎(chǔ)壓縮層范圍內(nèi)土的各向應(yīng)力狀態(tài)的改變,而導(dǎo)致基礎(chǔ)不均勻沉降?;A(chǔ)的沉降速率一般來(lái)說(shuō)與土的性狀和加荷速率有關(guān),特別是與土體中孔隙水壓力的消散速率和消散條件有關(guān)。綜合原基礎(chǔ)及地基處理設(shè)計(jì)、施工和沉降觀(guān)測(cè)成果,具體分析如下:

        表1 原始場(chǎng)地地質(zhì)情況

        (1)首先,設(shè)計(jì)采用的是灰土換填處理軟弱地基,這一處理方案是比較合理的。油罐基礎(chǔ)變形的影響深度一般為0.7 倍罐體直徑,即20m 左右。從灰土換填處理的深度來(lái)看,僅對(duì)第1 層雜填土進(jìn)行處理是不充分的,從充水預(yù)壓開(kāi)始至全部充滿(mǎn)水試壓期間沉降一直不穩(wěn)定,這與下層厚達(dá)9.2m 的第1 層雜填土和第2 層黃土狀粉質(zhì)粘土有關(guān)。

        (2)其次,充水預(yù)壓時(shí)的沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,目前的沉降已達(dá)271~313mm??梢源致缘赝茰y(cè),除1 層雜填土層的壓縮變形以外,地基處理深度范圍以下的2層黃土狀粉質(zhì)粘土層可能已經(jīng)出現(xiàn)局部土體的強(qiáng)度破壞。

        (3)再次,灰土換填處理地基應(yīng)考慮軟弱下臥層的地基強(qiáng)度及其變形。地基強(qiáng)度理論計(jì)算表明:地基承載力滿(mǎn)足要求,但軟弱下臥層(第2 層黃土狀粉質(zhì)粘土層)地基承載力未滿(mǎn)足要求。地基變形理論計(jì)算表明:西側(cè)儲(chǔ)罐充水預(yù)壓至8m 時(shí)的理論計(jì)算,中心沉降值為414.70mm(選取7# 鉆孔地層資料),邊緣(環(huán)墻基礎(chǔ)位置)沉降值為199.6~226.9mm;東側(cè)儲(chǔ)罐充水預(yù)壓至16m 時(shí)的理論計(jì)算,中心沉降值為316mm(選取7# 鉆孔地層資料),邊緣(環(huán)墻基礎(chǔ)位置)沉降值159.1~184.5mm??梢?jiàn),兩儲(chǔ)罐均與當(dāng)時(shí)的實(shí)測(cè)誤差較大。根據(jù)地基土的物理力學(xué)特性和罐體的加荷固結(jié)時(shí)間,西側(cè)罐基土層壓縮接近60%、東側(cè)罐基土層壓縮接近75%。

        (4)最后,油罐基礎(chǔ)對(duì)地基的不均勻沉降是十分敏感的。如果存在相對(duì)較大的基礎(chǔ)初始傾斜,荷載重心也勢(shì)必長(zhǎng)期處于偏心狀態(tài),必然加劇地基不均勻沉降的發(fā)展。當(dāng)這一變形發(fā)展到某一臨界狀態(tài),即地基土產(chǎn)生局部塑性破壞時(shí),將導(dǎo)致基礎(chǔ)的整體失穩(wěn)破壞。沉降呈發(fā)散式增長(zhǎng),體現(xiàn)出失穩(wěn)的特征。

        4 糾傾與地基加固設(shè)計(jì)

        根據(jù)油罐基礎(chǔ)的特點(diǎn),在一定的沉降差容許范圍內(nèi),并能滿(mǎn)足正常生產(chǎn)的條件下,直接采用沉降差控制是可行的。因此,可以將扶正罐體和地基加固結(jié)合一起考慮,即糾傾和地基加固同時(shí)進(jìn)行。先利用沉降較小一側(cè)采用半圓周挖溝掏土的方法進(jìn)行迫降糾傾,然后在沉降較大一側(cè)利用袖閥管壓密注漿法進(jìn)行地基加固,同時(shí)對(duì)地基加壓進(jìn)行頂升,從而讓迫降和頂升趨于平衡達(dá)到糾傾的目的。

        5 半圓周挖溝掏土迫降糾傾

        對(duì)于挖溝掏土糾傾法,早期充水加荷時(shí),油罐傾斜方向不一定是真正的傾斜方向,它并不是不變的,而是呈螺旋形搖晃下沉,基礎(chǔ)各點(diǎn)的沉降量有可能會(huì)自動(dòng)調(diào)整一些。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),若早期相對(duì)沉降量?jī)A斜值大于8‰時(shí),則后期必有更大的沉降差,此時(shí)已經(jīng)不可能再自動(dòng)調(diào)整,因此必須掌握時(shí)機(jī)及早挖溝調(diào)整。

        根據(jù)沉降觀(guān)測(cè)報(bào)告,西側(cè)罐體向西南方向傾斜,目視可見(jiàn)西南方向處罐體壓入散水坡;東側(cè)罐體向東北方向傾斜,目視可見(jiàn)東北方向處罐體壓入散水坡。采用半圓周挖溝掏土迫降糾偏法,利用鋼筋砼環(huán)墻基礎(chǔ)剛度較好的條件,不需另外加強(qiáng)油罐及基礎(chǔ)的剛度,節(jié)約費(fèi)用。這種方法主要是根據(jù)土力學(xué)的原理,解除沉降少一側(cè)地基土的側(cè)向約束力,沿環(huán)形基礎(chǔ)外側(cè)圓周挖一定深度和寬度的半圓形溝,形成基底下土體部分臨空,使這部分基礎(chǔ)的接觸面積減少,接觸應(yīng)力增加,使基底土體側(cè)向擠出,產(chǎn)生有效應(yīng)力差,加大沉降小的基礎(chǔ)部位的沉降,從而減少差異沉降,達(dá)到糾偏的目的。詳見(jiàn)圖3。

        圖3 挖溝掏土迫降糾傾示意圖

        挖溝深度取決于土質(zhì)情況、離罐壁遠(yuǎn)近、荷載大小和時(shí)間長(zhǎng)短等因素。挖溝位置、長(zhǎng)度和深度是必須考慮的3 個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),本工程具體參數(shù)如下:

        (1)挖溝位置距離罐壁(s)取500mm;

        (2)挖溝長(zhǎng)度以周邊最小沉降點(diǎn)為中心,各向兩側(cè)延伸到1/ 4 周長(zhǎng),即總長(zhǎng)為半圓周,約47.0m;

        (3) 挖溝深度H=C+A+a=1.1+0.5×tan45°+0.5= 2.1m;

        (4)采用直角梯形截面,上口寬度(b)為4.0m,下口寬度(d)為1.0m。

        挖溝掏土糾傾時(shí),應(yīng)嚴(yán)格檢測(cè)基礎(chǔ)沉降量以防糾偏過(guò)度,并且防止罐基滑動(dòng)或地基失穩(wěn)破壞。根據(jù)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的現(xiàn)狀,在兩罐挖溝之后施工注漿孔之前,讓兩罐均保持10m 水位的預(yù)加荷載進(jìn)行迫降糾傾。迫降糾傾時(shí)間約為30d,每天糾傾沉降速率控制在10mm/ d。待糾傾沉降滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的150~200mm 后,將兩罐內(nèi)的水抽空再進(jìn)行注漿加固及注漿頂升施工。

        6 袖閥管注漿頂升基礎(chǔ)及地基加固

        控制油罐基礎(chǔ)不均勻沉降的根本是對(duì)地基進(jìn)行加固處理。本工程采用在油罐周邊外側(cè)進(jìn)行袖閥管注漿頂升基礎(chǔ)及地基加固。其加固機(jī)理為壓密注漿,通過(guò)鉆孔中設(shè)置袖閥管向土中壓入稠度較高的懸浮漿液;隨著土體的壓密和漿液的深入,在壓漿點(diǎn)周?chē)纬汕蛐位驁A柱形漿泡;在控制一定的灌注壓力條件下,通過(guò)對(duì)地基土的擠壓、密實(shí)、充填,達(dá)到改善土的物理力學(xué)性能的目的,從而在短時(shí)間內(nèi)迅速提高地基土的承載力并加速土的固結(jié),阻止地基土的變形增長(zhǎng)。

        對(duì)于第1 層雜填土和第2 層黃土狀粉質(zhì)粘土,需要的注漿壓力是不同的。對(duì)第2 層黃土狀粉質(zhì)粘土,需要很高的注漿壓力才能注入,若壓力控制不當(dāng),將破壞原灰土地基的強(qiáng)度,下臥層土體也因此極可能出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的較大“順帶沉降”。目前基礎(chǔ)不均勻沉降和沉降速率分別為:西側(cè)罐為9.7‰和1.563mm/ d;東側(cè)罐為8.94‰和1.126mm/ d。通過(guò)注漿加固,控制基礎(chǔ)不均勻沉降≤6‰,沉降速率≤0.1mm/ d,并使基礎(chǔ)在已有變形條件下,沉降穩(wěn)定在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

        7 糾傾及地基加固完成后的使用情況

        截止到2016 年1 月31 日,西側(cè)罐糾偏已達(dá)到規(guī)范允許范圍之內(nèi),3 月25 日交付生產(chǎn)投入使用;東側(cè)罐2016 年4 月6 日糾偏完成,4 月13 日交付生產(chǎn)投入使用。糾傾加固完成后的基頂標(biāo)高及沉降差數(shù)據(jù)如表2和表3 所示。

        從數(shù)據(jù)可以看出,東西兩罐的沉降差在135mm 左右,已經(jīng)小于規(guī)范要求的166mm。從現(xiàn)場(chǎng)的充水、放水過(guò)程可以看到,內(nèi)浮盤(pán)上下浮動(dòng)正常。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,糾傾及地基加固處理結(jié)束28d 后,繼續(xù)對(duì)充水預(yù)壓的沉降實(shí)施觀(guān)測(cè),充水速率控制在2.5~3m/ d 左右。充水預(yù)壓開(kāi)始至結(jié)束進(jìn)油,必須全過(guò)程跟蹤觀(guān)測(cè)沉降情況,每3d 一次;投產(chǎn)3 個(gè)月內(nèi)每10d 一次,以后每月一次,半年后一季度一次,連續(xù)1 年。兩儲(chǔ)罐投入使用至今已有兩年半,沉降觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)表明儲(chǔ)罐使用狀況良好??梢?jiàn),糾傾加固取得了比較好的效果。

        8 設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的問(wèn)題

        本工程回填土厚度差異較大,填土厚的地方達(dá)8m多,薄的地方僅有3m 多。因回填土的壓實(shí)系數(shù)要比原狀土高,充水試壓時(shí),填土厚的沉降少,填土薄的地方沉降偏大,這是造成儲(chǔ)罐基礎(chǔ)平面內(nèi)傾斜的主要原因。建議以后類(lèi)似的工程應(yīng)把基坑內(nèi)的土層清理到統(tǒng)一標(biāo)高,統(tǒng)一分層回填壓實(shí)后再進(jìn)行基礎(chǔ)施工,這樣可以改善填土的性質(zhì),有效防止不均勻沉降現(xiàn)象的發(fā)生。

        表2 西側(cè)罐糾偏數(shù)據(jù)表 mm

        表3 東側(cè)罐糾偏數(shù)據(jù)表 mm

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