海南炼油化工有限公司60万吨 年对二甲苯装置工程地基承载力数值模拟

海南炼油化工有限公司60万吨/年对二甲苯装置工程

地基承载力数值模拟

陈保华

(北京东方新星石化工程股份有限公司 北京 100070)

摘 要:罐区地基和基础的设计是影响装置工程稳定的重要因素,所以既要满足经济条件,更要满足强度和变形的要求。作者通过现场勘察、原位测试、室内实验和理论计算,查明了场区内各层岩土的类别、结构、厚度、坡度和工程特性,给出了各层岩土的物理力学指标。根据要求,对天然地基的选择与承载力进行了分析。采用规范推荐的公式,对单桩极限承载力标准值进行了计算,同时采用ITASCA公司的颗粒流分析程序(Partical Flow Code,简称PFC)对罐区天然地基承载力进行了数值模拟验算,对罐区44号孔进行了单桩极限承载力计算和地层变形进行了数值模拟。数值模拟结果和规范推荐公式计算结果表明,天然地基建议采用④强风化玄武岩为基础持力层,桩基建议采用人工挖孔桩,进入⑤中风化玄武岩1m可满足设计要求。关键词:基础设计 承载力 PFC3D 数值模拟中图分类号:TE93文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)07(b)-0054-02

.com.cn. All Rights Reserved.海南炼油化工有限公司60万吨/年对二甲苯装置位于海南炼油化工有限公司厂区的中部,占地面积约20万平方米,东距海口市约130km,现有高速公路通往海口市及各等级公路通往邻近县市,交通比较便利。工程包含PX装置区单元、PX罐区和中间罐区及雨水监控池。拟建装置内主要建、构筑物有各类型塔、炉基础、钢结构管架、冷换设备构架、压缩机厂房及压缩机基础等。工程重要性等级为一级,场地等级为二级(中等复杂场地),地基等级为二级(中等复杂地基),岩土工程勘察等级为甲级。该工程由中国石化集团洛阳化工工程公司设计,要求查明场区内各层岩土的类别、结构、厚度、坡度、工程特性,对地基的稳定性及承载力做出评价,给出各层土的物理力学指标、确定地基承载力。

灰岩、贝壳碎屑岩;第四系下更新统多文组

(Qp1d)橄榄玄武岩、渣状熔岩,中更新统北海

2

组(Qpb)粉土、砂,上更新统八所组(Qp3bs)浅黄色砂,上更新统道堂组(Qp3d)气孔状辉石玄武岩、沉凝灰岩;全新统烟墩组(Qh3y)中、粗砂;全新统地层(Qh)砂和粘性土。

2 场地地层概况

根据野外钻探、原位测试及室内土工试验成果,依据场地岩土的成因、年代、岩性及物理、力学性质,将本场地钻探揭露深度范围内地层划分为10层(含亚层),现自上而下分别为:①2层素填土(Q4ml)。①3层粉质

al+pldl+el

粘土(Q4)。②层粉质粘土(Q4)。③层含碎石粉质粘土(Q4el)。④层强风化玄武岩(βb

⑤层中风化玄武岩(βQ3b)。⑥层强～Q3)。

b

中风化火山角砾岩(βQ3)。⑦层中风化凝

⑧层粉细砂(Q２m)。⑨层中风化灰岩(βQ31)。

贝壳碎屑岩(Q2)。

1 自然地理条件

本地区属热带季风气候区,季节性干湿交替明显,冬春季干旱少雨,夏秋季节炎热潮湿多雨。本场地处于德义岭火山锥一级台地地段,具有典型的台地地貌特征,由第四纪火山喷发堆积形成,后经风化剥蚀作用改造。场地所在区域位于东西向王五～文教构造带北侧琼北凹陷区的峨蔓凹陷构造单元。区域以北东向干冲～木棠断裂为界,北西面,即场地所在区域为峨蔓凹陷,南东面为临高隆起。地层从老至新分别有:长城系峨文岭组(Che)石英片岩;白垩

泥岩;第三系中新统系鹿母湾组(K1l)砂岩、

(N1)砾岩、泥质砂岩、泥岩和上新统海口组

粉质粘土、玄武岩、玄武质沉凝(N2h)粘土、

3 数值模拟

本文采用ITASCA公司的数值模拟程

序:颗粒流分析程序(Partical Flow Code,简称PFC)。该程序可用于模拟天然地基的压缩变形、稳定性和单桩承载力。模型中材料属性定义具体到单个颗粒(类似于岩、砂、土颗粒),边界条件可以为力或速度(符合地基或桩基受荷情况)。本文采用的模型为Hertz-Mindlin模型。

因为库区占地面积约20万平方米,要想实现现场三维实体建模,需要大量的时间和可靠的基础数据,而由于现场的测量数据和实验数据不全,故只能选取局部典型地段进行数值模拟。本文分别对天然地

表1 PFC3D数值模拟所用场地地层参数

基和桩基的变形和承载力进行了数值模

拟。

天然地基选取场地为装置区,天然地基的尺寸为50m×50m×50m,根据勘察成果中的地层资料,选取A26号钻孔为例,共

②、③、④、⑤,分为5层进行数值模拟:①2、

其厚度分别为:1.7m、1.5m、2.8m、2.8m、11.2m。根据软件的要求,模拟过程中,需要各层岩土体的干密度、压缩系数、压缩模量(变形模量)、粘聚力和内摩擦角。

桩基承载力和变形的模拟选择罐区C44号孔进行数值模拟,模型的尺寸为50m×10m×50m,根据该钻孔的勘察成果,C44号孔地层分为6层:②、③、④、⑤、⑥、⑨,其厚度分别为:2.1m、3.7m、3.2m、11.30m、12m、7.7m。场地所用岩土层的数值模拟参数见表1。3.1天然地基

场地所在区域Ⅰ区强风化玄武岩埋深较浅,且目前场地高程高于整平后场地高程,故场地整平后强风化玄武岩埋深更浅,所以在Ⅰ区的拟建装置可采用天然地基。天然地基计算模型如图1和2所示,从数值模拟中天然地基受载荷模型和地基承受的

②粉质最大轴向压力来看,其中①2素填土、

粘土、③含碎石粉质粘土层土受荷载后沉降较大,不宜直接作为重要装置和对沉降及差异沉降敏感装置的天然地基持力层,故建议取④强风化玄武岩为基础持力层,可以保证拟建建筑物地基的沉降不超过规范要求值。当采用天然地基时,应考虑到③层土中含有较多孤石,且②、③层土厚度及分布的变化对地基土的均匀性影响较大,应采取适当的施工或结构措施,以避免(或

地层编号 ①2 ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑨ 岩土名称 素填土 粉质粘土 含碎石粉质粘土 强风化玄武岩 中风化玄武岩 强～中风化火山角砾岩 中风化贝壳碎屑岩 干密度ρd(g/cm3) 1.38 1.37 1.30 2.31 2.55 2.31 2.25 压缩系数 α0.1-0.2(1/MPa) 0.37 0.40 0.43 0.08 0.03 0.12 0.06 压缩模量 Es0.1-0.2(MPa) 5.47 5.28 5.01 125.00 325.00 158.00 302.00 直剪 粘聚力Cq(kPa) 内摩擦角φq(度) 38 17.5 39 16.5 36 16.4 630 38 850 44 510 32 760 39 54

科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

工 程 技 术

2012 NO.20SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯QukQskQpkusiqsiklipqpkAp (1)

QukQskQrk (2)(嵌岩桩计算公式)Qskuqsikli (3)

QrkrfrkAp (4)

式中:Qsk、Qrk为分别为土的总极限侧阻力标准值、嵌岩段总极限阻力标准值;qsik为桩周第i层土的极限侧阻力;frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值;sip为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数;Ui为桩的周长;li为第i土层中桩的长度;ζr为桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数。

以C44钻孔为例,根据表2中的参数进行单桩竖向极限承载力标准值Quk估算,估算结果见表3。

为了检验估算值的取值是否合理,首先对钻孔灌注桩进行了数值模拟,结果如图3和图4所示,可知对于桩径为600mm的桩,当其桩长为10.2m时,单桩竖向极限承载力约为7589kN。然后对人工挖孔灌注桩进行了数值模拟,如图5和图6所示,可知对于桩径为1000mm的桩,当进入持力层⑤层500mm时,单桩竖向承载力最大值为19800kN。由此可见,数值模拟计算结果与规范推荐的公式计算值较吻合。

图1 天然地基受荷载模型图2 天然地基承受的轴向压力

图3 钻孔灌注桩模拟透视图图4 钻孔灌注桩单桩竖向承载力

4 结论与建议

根据规范推荐的公式和PDF3D数值模拟结果可以得出如下结论。

(1)建议Ⅰ区拟建装置可采用天然地基,以强风化玄武岩为基础持力层。(2)当天然地基满足不了拟建建(构)物对变形及承载力的要求时,可采用桩基,以⑤层中风化玄武岩为桩端持力层。(3)由于填土和含碎石粉质粘土中分布有孤石,桩基施工时,应采取适当的施工措施,确保桩基施工的顺利进行和桩端入基岩深度。(4)当采用人工挖孔灌注桩方案时,考虑到⑤层基岩中夹泥及风化差异较大,应对一柱一桩基础进行施工勘察,施工时应入较完整致密状基岩,进行护壁并采用适当的防、排水措施。

.com.cn. All Rights Reserved.图5 人工挖孔灌注桩模拟透视图

图6 人工挖孔灌注桩单桩竖向承载力

表2 桩的极限侧阻力标准值qsik及桩的极限端阻力标准值qpk建议采用值

序号 ①２ ①3 ② ③ ④ ⑤ 地层名称 素填土 粉质粘土 粉质粘土 含碎石粉质粘土 强风化玄武岩 中风化玄武岩 钻孔灌注桩 qsik(kPa) qpk(kPa) 55 55 70 210 2300 350 3700 表3 单桩竖向极限承载力标准值

人工挖孔灌注桩 qsik(kPa) qpk(kPa) 55 55 72 230 2500 380 3900 参考文献

桩径(mm)

600 1000

Quk(kN) 7400 18000

桩型

钻孔灌注桩

人工挖孔灌注桩 钻孔号 C44 C44 进入持力层深度(mm) 进入⑤层1200mm 进入⑤层500mm 桩长(m) 10.2 9.5

减小)其不利影响。3.2桩基础

当天然地基满足不了拟建建(构)物对变形及承载力的要求时,可采用桩基;其中钻孔C44所在罐,因土层厚度变化大,不易控制差异沉降,建议采用桩基。

(1)桩型选择。

采用桩基时考虑到地层分布的连续及厚度变化情况,本场地适宜以⑤层中风化玄武岩为桩端持力层。因桩端需入岩一定深度,且②、③层土中分布有孤石,可采用人工挖孔或钻孔灌注桩较适宜。采用人工挖孔灌注桩时,桩径以1000mm～1200mm为宜,以⑤层中风化玄武岩为桩端持力层,桩端进入该层深度不宜小于0.5m。采用钻孔灌注桩时,宜选用⑤层中风化玄武岩作为桩端持力层,桩径宜按600mm考虑,桩端进入⑤层1.0d～2.0d较为合理。

(2)桩基参数。

根据各层土(岩)物理力学性质指标及原位测试成果,各层土(岩)桩的极限侧阻力标准值qsik及桩的极限端阻力标准值qpk建议采用值见表2。

(3)单桩竖向极限承载力标准值估算。依据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)公式:

[1]北京东方新星石化工程股份有限公司.

中国石化海南炼油化工有限公司60万吨/年对二甲苯装置岩土工程勘察报告[R].2010,5.

[2]Cundall P.A.,Strack O.D.L.A dis-crete numerical model for granularassemblies［J］.Geotechnique,1979,29(1):47-65.

[3]Potyondy D.O.,Cundall P.A.A

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