(中昊(大連)化工研究設計院有限公司，遼寧 大連 116023)

南方某堿廠中型儲罐設備基礎設計探討

曹楊

(中昊(大連)化工研究設計院有限公司，遼寧 大連 116023)

針對工程中遇到的中型儲罐，探討了在軟土地基上進行儲罐基礎設計的步驟。并對施工中遇到的問題做了幾點分析。

化工儲罐；軟土地基；環(huán)墻；樁筏基礎；設計

前期我院完成了南方某堿廠擴建項目，該項目主要建、構(gòu)筑物包括中型儲罐、公用工程裝置及管道支架。本人負責了其中的罐區(qū)設計，現(xiàn)就在設計中遇到的問題具體分析。

1 工程建設背景及地質(zhì)概況

該企業(yè)是傳統(tǒng)堿廠，為適應市場變化，增強發(fā)展后勁，提高抗風險能力，主動調(diào)整內(nèi)部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，將業(yè)務范圍擴展到石化領域。裝置建成后可為國家節(jié)約大量外匯，是國家重點鼓勵發(fā)展的有市場前景的，有較高科技含量的，可持續(xù)發(fā)展的項目。本裝置建于沖積平原軟土地基，重要性等級為二級，場地復雜程度等級為二級，巖土工程勘察等級為乙級。擬建場地原為農(nóng)田，零星分布有水塘、荒地，屬于沖積平原地貌單元。從上到下分為以下幾個工程地質(zhì)層：素填土、粉質(zhì)粘土夾粉土、粉砂夾粉土、粉細沙夾粉土、粉細沙層。本地區(qū)地下水位較高，自最上層素填土層即可見，主要由自然降水補給。此外，廠區(qū)離長江較近，地下水位還受長江水影響。

2 基礎選型

本裝置所采用的中型儲罐是一種鋼制圓柱型容器，頂部隨罐內(nèi)液位標高可浮動，其特點是自重遠比被儲存介質(zhì)小，剛性小對不均勻沉降較敏感。罐體一般是由圓形底板和周邊具有承載不同高度液壓力的壁板組成，按頂蓋形式上可分為拱頂罐、浮頂罐、內(nèi)浮頂罐。從總圖布置的角度，單個儲罐越大，罐組的占地面積越小，本裝置儲罐容積為11 000 m3，比堿行業(yè)常用母液罐大很多。原來我們常用大塊式混凝土基礎，但面對如此體量的裝置，采用這種基礎形式在經(jīng)濟上是很不合算的。通過查找資料，我們發(fā)現(xiàn)可參考石油化工行業(yè)的一些做法。

儲罐的底板是用很薄的鋼板焊接成的，因其柔性大，剛性小的特點，能承受起一般建、構(gòu)筑物所不能適應的地基沉降變形。有些儲罐基礎即使發(fā)生了肉眼可見的沉降，但只要是均勻沉降，仍然不影響儲罐的使用。因為鋼板很薄，當沉降發(fā)生時，仍然能和下部的基礎保持緊密接觸，能夠使荷載均勻的分布在基礎上，所以對基礎和地基的受力狀況比較明確?？紤]到以上特性，我們以前常用的大塊式基礎顯得也過于保守，用于中型儲罐存在浪費。相應的石油化工行業(yè)儲罐通常做成護坡式、環(huán)墻式、外環(huán)墻式和樁基礎，他們都顯著減少了鋼筋混凝土用量，充分應用低成本的砂石材料，經(jīng)濟效益顯著。下面介紹一下基礎選型過程。

按照一個通俗的分類，我們的儲罐公稱容積介于1 000～20 000 m3之間，屬于中型罐。如地基承載力征值fak≥200 kPa可以較充分的利用自然土層，采用護坡式基礎，直接在罐體周圈做出碎石護坡，經(jīng)濟性好且施工快速方便，不過這種做法護坡的寬度幾乎要到3 m，在布置緊湊的廠區(qū)里難以實現(xiàn)。這里就體現(xiàn)出環(huán)墻式基礎的優(yōu)勢了，其特點是將儲罐側(cè)壁直接擱置在環(huán)墻上，環(huán)墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。環(huán)墻內(nèi)鋪設砂墊層和瀝青砂等替代混凝土用量。這種特殊的構(gòu)造也形成了它不同于一般基礎的受力特性。通常來說，建、構(gòu)筑物基礎都應承擔整個上部結(jié)構(gòu)的荷載，但環(huán)墻基礎并不承擔儲罐上的大部分荷載, 環(huán)墻基礎是環(huán)墻內(nèi)各墊層構(gòu)成的柔性基礎與剛性環(huán)墻共同工作。環(huán)墻只承受儲罐壁的荷載(對于固定頂罐還應加上頂蓋自重) , 占主要部分的液體荷載和浮頂荷載是由環(huán)墻內(nèi)砂墊層直接承受傳到地基，從而降低工程造價。因設計環(huán)墻時通常取罐側(cè)壁的中心線和環(huán)墻的中心線重合，這種基礎的占地很小，適合我們的布置。同時環(huán)墻基礎的剛度相對護坡式基礎大，其調(diào)整不均勻沉降的能力更強，是理想的基礎形式。圖1為環(huán)墻式基礎的簡圖。

圖1 環(huán)墻式基礎

但本場地特殊之處在于其地基承載力不足，根據(jù)地勘報告，淺層地基的承載力特征值fak只有90 kPa，而罐體及附加荷載所產(chǎn)生的基底應力已達到182 kPa，這種情況下地基土將發(fā)生剪切破壞。我們通過對環(huán)墻基礎受力特性的研究及以前做大塊式基礎的經(jīng)驗，提出了一種綜合了兩種做法的方案——樁基式環(huán)墻基礎。

3 設計過程

以往做大塊式基礎經(jīng)濟性不好的主要原因在于不利用砂墊層等材料，現(xiàn)在這個方案主要考慮把大塊式整體基礎中間挖空，以砂墊層等填料填實。保留一個合適厚度的底板，將荷載通過PHC管樁傳遞到深層地基。此方法能保留大塊式基礎受力可靠的優(yōu)點，又能避免其成本高的缺點。底板厚度的確定及內(nèi)力計算按樁閥模型考慮，主要控制其抗沖切及抗彎能力，軟件用建筑科學研究院的jccad模塊完成內(nèi)力分析及計算，此過程略過。下面主要談談環(huán)墻基礎的設計過程。

前面分析過，環(huán)墻上的荷載, 主要包括豎向荷載、水平荷載、大體積混凝土的溫度應力以及材料的收縮和徐變等,在地震設防區(qū)域,還需要慮地震作用對環(huán)墻的影響。圖2為環(huán)墻受力簡圖。

圖2 環(huán)墻受力簡圖

3.1 豎向荷載

豎向荷載主要指罐體自重及保溫。在實際工作中，垂直荷載通常不需要特別考慮，首先其薄壁結(jié)構(gòu)自重就不大，且環(huán)墻的徑向位移沿豎向趨近于不變， 所以環(huán)墻的豎向彎矩很小，在構(gòu)造上通常配置構(gòu)造配筋率的豎向鋼筋即可滿足。根據(jù)工藝專業(yè)提出的設備條件，本產(chǎn)品罐自重加保溫共327 t。

3.2 水平荷載

水平荷載是環(huán)墻基礎承受的主要荷載，說成環(huán)向荷載更通俗易懂，因為環(huán)墻基礎構(gòu)造的特殊性，它與生活中的“桶箍”受力形態(tài)很像。環(huán)墻的作用主要是約束其中填料的砂石等材料的變形(可想象木桶“套箍”的作用)，以防罐體底部墊層和中間的復合地基材料(粗砂層、瀝青砂層和其他材料層)滑動流失，在約束的過程中，產(chǎn)生了沿環(huán)向的水平拉力。

理論上環(huán)墻外側(cè)還應考慮被動土壓力，但是它假定在土體產(chǎn)生比較大變形時計算才準確，而通常這種情況不發(fā)生，故一般不考慮其影響。

目前在設計環(huán)墻時，一般采用朗肯主動土壓力公式或《GB50473-2008鋼制儲罐地基基礎設計規(guī)范》的計算公式來計算環(huán)向力。

朗肯主動土壓力公式:

式中:φ——環(huán)墻內(nèi)填料的平均內(nèi)摩擦角；α——環(huán)向力調(diào)整系數(shù)， 一般土取1.0， 軟弱地基取1.5；γQW、γQm——水、填料的分項系數(shù),γQW取 1.1，γQm取1.0；γW、γm——水的重度，環(huán)墻內(nèi)填料的平均重度；hW——環(huán)墻頂面至罐內(nèi)最高貯水面高度(m)；HX——環(huán)墻頂端至計算截面的高度(m)；F——環(huán)墻的環(huán)向力(kN/m)。

《GB50473-2008鋼制儲罐地基基礎設計規(guī)范》方法：

式中:F1——環(huán)墻單位高度環(huán)向力設計值(kN/m);γQW、γQm——水、環(huán)墻內(nèi)各層材料自重分項系數(shù)，γQW可取1.1，γQm可取1.2;γW、γm——水的重度、環(huán)墻內(nèi)各層材料的平均重度(kN/m3),γW可取9.8，γm宜取18.0;hW——環(huán)墻頂面至罐內(nèi)最高儲水面高度(m);K——側(cè)壓力系數(shù)，一般地基可取0.33，軟土地基可取0.5;R——環(huán)墻中心線半徑(m)。

規(guī)范中環(huán)墻環(huán)向力的計算式,是按國標《GB50068-2001建筑結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》及《GB50010—2001混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》以概率理論為基礎的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設計的,是計入了分項系數(shù)后的環(huán)向力設計值。 環(huán)向力按靜定環(huán)公式作近似計算。由于環(huán)墻邊界約束條件的假設 ,因地基條件很復雜 ,很難與實際情況相符。根據(jù)國內(nèi)幾十年來建罐的經(jīng)驗 ,故提出了側(cè)壓力系數(shù)按一般地基和軟土地基的取值。該公式參數(shù)明確，方便工程使用，故本設計以此公式計算環(huán)墻的環(huán)向力。本例中Ft=1 391.2 kN/m。

3.3 收縮和徐變

本儲罐采用的鋼筋混凝土環(huán)墻屬于超長混凝土結(jié)構(gòu),截面較薄而長度很大，混凝土一次澆筑量較大，澆筑時間短，混凝土澆筑后，水化熱產(chǎn)生的升溫顯著，由于混凝土是熱的不良導體,從而形成較大的內(nèi)外溫差。因此現(xiàn)澆鋼筋混凝土環(huán)墻大多在早期出現(xiàn)裂縫,特別是在施工條件多變,環(huán)墻內(nèi)外側(cè)回填料不及時,養(yǎng)護較差等產(chǎn)生溫差和混凝土的收縮情況下,更容易在儲罐未投入使用或剛投入使用初期,環(huán)墻就出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象。由溫度和收縮變形引起的應力比較復雜,在本設計中，按圓周(中心圓)長度超過40 m時留后澆縫，分段澆筑的方式盡量降低這種影響。此外，在施工中，對應工地的實際情況，我們要求施工方注意如下方面：

1)降低水泥水化熱溫度，選擇中低熱水泥(如礦渣水泥、火山灰質(zhì)水泥、粉煤灰水泥或硫酸鹽水泥)。

2)摻入1%的UEA混凝土微膨脹劑替代水泥用量，配置微膨脹混凝土。

3)降低混凝土澆灌入模速度，避免炎熱天氣澆筑，施工安排在下午三點至夜間進行施工。

4)做好合理的養(yǎng)護及監(jiān)控。

3.4 地震作用

按地勘部門提供的地質(zhì)勘查報告，南方張家港地區(qū)的抗震設防烈度為6度，地震加速度0.05 g，屬于地震作用較小的地區(qū)。在樁基計算的荷載組合中加入了地震組合，這樣在設計環(huán)墻時，僅作構(gòu)造處理即可。規(guī)范要求，在抗震設防烈度8度區(qū),容積較大儲罐(≥5 000 m3)及抗震設防烈度9度區(qū)的環(huán)墻,仍需進行抗震驗算。

3.5 配筋

根據(jù)《GB50473-2008鋼制儲罐地基基礎設計規(guī)范》，環(huán)墻基礎抗拉鋼筋的計算如下：

式中：As——環(huán)墻單位高度環(huán)向鋼筋的截面面積(mm2)；γ0——重要性系數(shù)，取1.0;fy——鋼筋的抗拉強度設計值(kN/mm2);Ft——環(huán)墻單位高度環(huán)向力設計值(kN/m),取上式的較大值。

另外，經(jīng)該公式計算的鋼筋面積還需滿足《混凝土設計規(guī)范》規(guī)定的最小配筋率的要求。最終，本環(huán)墻的配筋圖如圖3。

圖3 環(huán)墻配筋圖

應該注意到，在本設計中，環(huán)墻頂端和底端各增加兩圈附加環(huán)向鋼筋,其直徑與環(huán)墻環(huán)筋相同，主要是考慮在軟土地基上提高環(huán)墻基礎整體性。

4 總 結(jié)

本裝置運營投產(chǎn)后，根據(jù)業(yè)主回饋給我們的沉降觀測數(shù)據(jù)，24個觀察點平均沉降值只有15.9 mm。根據(jù)采用天然地基方案(試算時假定持力層的承載力大于200 kPa)的估算，平均沉降應當超過500 mm?？梢姌痘淖饔眠€是很明顯的，但這并非說我們一定要采用樁基，因為儲罐的柔性特點決定了它能承擔一定的基礎變形，只要變形是均勻的。同時，這次設計過程也讓我們開闊了視野，不再局限于本行業(yè)常用的基礎形式。圖4為帶樁基的環(huán)墻基礎。

圖4 帶樁基的環(huán)墻基礎

[1] GB50473-2008鋼制儲罐地基基礎設計規(guī)范[S]

[2] HG-T 20643-2012化工設備基礎設計規(guī)定[S]

[3] GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S]

[4] JGJ79-2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S]

[5] GS50202-2002建筑地基基礎工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S]

[6] GB50007-2011建筑地基基礎設計規(guī)范[S]

TU472

B

1005-8370(2017)05-33-04

2017-06-02

曹楊(1986—)，男，漢族，浙江蕭山人，本科學歷?，F(xiàn)任中昊(大連)化工研究設計院土建室主任。從事工業(yè)廠房及裝置的結(jié)構(gòu)設計。