储油罐沉降特性数值模拟及参数研究.doc
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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
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