储油罐沉降特性数值模拟及参数研究.doc

储油罐沉降特性数值模拟及参数研究摘要：通过数值模拟探讨了储油罐在充水预压及稳荷阶段罐基的沉降特性，重点研究了地基土土性参数对罐基工后沉降的影响。结果表明：油罐地基变形呈“盘形”，最大沉降值出现在距罐底中心0.65D（D为罐体的半径）处，渗透系数是影响油罐地基固结速度的主要因素。 关键词：ADINA 数值模拟 储油罐 沉降 土是由固相的土粒、液相的土中水和气相的土中气所组成的三相物质，土的压缩主要是由于孔隙体积减少、土中孔隙水的排除，孔隙水的压缩、土粒的压缩等原因引起的。在实际工程中，由于压力作用一般较小，固体颗粒和水本身的压缩一般都比较小，可以忽略不计。因此土的压缩主要是由于土中孔隙体积压缩所造成的[1]。 对于土的总沉降，一般可分为三个阶段：（1）初始沉降，也称瞬时沉降，是指在地基在不排水条件下受荷载作用产生的地基沉降，并且在荷载作用后立即发生的沉降；（2）固结沉降，是由于孔隙水排出而引起土体积的减小所造成的沉降；（3）次固结沉降，它是在孔隙压力停止消散、有效应力稳定不变作用后，地基土仍随时间而缓慢压缩。 即 式中：——瞬时沉降；——固结沉降；——次固结沉降； 因此对于本工程来说，研究的主要目标是土的固结沉降部分。 1、工程概况及地质资料 本工程位于青岛市，地质条件较差，地层除上部素填土外为第四系滨海相淤泥质粉质粘土、淤泥质粉土及冲洪积相粉质粘土、粉土、中粗砂、粗砾砂。 本工程拟建直径为80m、罐体高度为20m的的浮顶式原油储罐，相关地基资料如下： 2、储油罐软弱地基沉降模型的建立 2.1 油罐荷载的简化 对储油罐的沉降进行数值模拟，由于主要考虑软弱地基对于油罐沉降的影响，因此将油罐模型简化为作用在地基上随时间变化的的荷载[2]。 2.2 作用在软弱地基上的荷载 2.2.1 罐体的自重 由相关资料可知，10万罐体的自重可取为。 2.2.2 充水预压荷载 对罐体充水预压时所采用的充水高度20m，由充水预压产生的对地基的荷载：。作用在地基上的荷载值为：。 2.3 有限元模型的建立[3] 选用mohr-coulomb材料模拟土层性质，并采用八节点的三维实体单元模拟地基土。所形成的三维建模图如图1： 3、固结沉降过程的分析 根据一维固结理论的假设，土体的变形完全由土层中超孔隙水压力消散引起的。 因此，由图中可知，在T=0-27时，为加荷过程，随着荷载的不断增大，孔隙水压力和有效应力不断增加。当T=27-60时，随着孔隙水压力的不断消散，有效应力不断增大。当T=60时，孔隙水消散为零，土体的沉降曲线趋于稳定，说明土体固结完成。 4、影响储罐地基沉降因素的分析 4.1 水平面离罐底中心的距离对地基沉降的影响 由上图可知： 地表土变形在平面图上的分布是一个以油罐地基中心为轴的“盘形”，而且随着充水预压荷载的增加而拉大，在恒压期间“盘形”的形状越明显，“盘形”中心的实测沉降达到256.5mm，油罐地基边缘的沉降曲线较陡直，随着距油罐地基中心距离的增加而变得平缓[4]。 由图可知： （1）在time=0.01时，油罐地基完成在重力作用下的固结，Z向沉降量为一定值，且固结量约为总固结量的0.4倍。 （2）Z向沉降的最大位移点，不在罐底正中心，而是位于离罐中心26米处，即距罐中心0.65D处，D为罐体的半径。 （3）由上图曲线可知，在0-27 day期间，处于充水预压阶段，Z向沉降量变化较大。但在27-60 day期间沉降的变化量逐渐减少并趋于零，说明罐体软弱地基的固结沉降完成且地基的性质趋于稳定。 4.2 离罐中心竖向距离对沉降的影响 在有限元模型中，共有五层土，由于土的压缩模量、渗透系数等参数均不相同，因此不同土层对于沉降量的影响有较大差异。 由上图可知，土的固结沉降量主要产生在第二层土，约占所有土层沉降的67%，究其原因： （1）第二层土，属于淤泥质粉土，压缩模量为，承载能力差，压缩性高。 （2）第二层土的厚度为，层厚较大，由因此总体沉降也较大。 由图7可知，由于二层淤泥质粉土的压缩性大且土层的厚度较厚，因此土的主要沉降量发生在第二层，约占总的土层沉降的67%。因此，主要对二层淤泥质粉土的压缩模量进行研究。 由上图可知； （1）一层土和二层土均为淤泥质土，土的性质相同，因此沉降特性曲线相类似。影响单位厚度沉降量的主要原因是土的压缩模量。 （2）三层、四层、五层土均为粉质粘土，因此沉降特性曲线也较为类似。影响单位厚度沉降量的主要原因是压缩模量，压缩模量越小，单位沉降量越大。 （3）在充水预压阶段，淤泥质土的沉降曲线呈现抛物线型，粉质粘土呈现直线型。在稳荷阶段淤泥质土呈现对数型，粉质粘土