储罐基础设计的合理性

随着国民经济的发展，人们物质生活的提高，对能源及化工用品的需求量增大，化工行业得到蓬勃发展，各种石油产品储罐以及化工行业的气罐、液体原料罐日益增多，成为设计人员经常碰到的课题。

罐基础设计的合理与否直接影响到储罐是否能安全，正常的工作，从事故发生的原因来看一般反应在以下几个方面。

基础的选型是设计是否能达到安全、经济、合理的关键，基础的选型应根据储罐的形式、容积、储存的介质，地质条件、业主所能提供的材料情况以及当地的施工技术条件。

1，当储罐直径小于等于6米时，可采用整板基础，采用此基础的优点是基础整体性好，沉降均匀，由于没有了环墙内夯土，所以施工进度快且质量易得到保证，缺点是混凝土和钢筋用量较大，施工时要采取减小大体积混凝土带来不利影响的措施

2，当储罐直径大于6米时可采用环墙基础，外环墙式和护坡式基础，优点是混凝土和钢筋用量较省，缺点是由于储罐底部夯土较深，施工时间较长且需采取冲水试压等措施，基础沉降量大，环墙的宽度必须和地基以及罐底压强相协调，否则会照成环墙和罐底沉降差过大，以致罐底钢板拉裂或顶破。

3，存储低温介质的钢储罐基础必须采用深基础，其罐底做架空板，板底与地面留有空隙（约800mm）以防止罐内低温介质作用于土壤，形成冻土。

4，存储高温介质钢储罐要根据介质温度的不同采用不同的隔热措施，当介质温度高于95度时，与罐底接触的罐基础表面应采取隔热措施，一般可采用平铺三层浸渍沥青砖，罐底面和砖顶面应刷冷底子油两遍。

5，存储剧毒，酸，碱腐蚀介质的钢储罐应做成实体架空基础（自地面300mm以下做成整板基础，其上部做架空基础），目的是若罐内介质泄露，介质会顺着架空基础的槽内流出，容易被及时发现，且介质不会流入土壤中，对其产生腐蚀，影响地基承载力。

钢储罐基础应设置沉降观测点，具体要求详见《石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范》SHT3068-2007.在基础施工完成后要进行充水试压，目的是对基础及储罐进行检测，同时对地基进行预压，充水预压时要注意控制充水速度及预压时间，以免认为的对基础和罐体照成破坏。

基础可以根据具体的地基情况而比较常见的采用环墙基础、筏板基础、桩基础和地基处理，地基处理在钢储罐基础设计中是经常遇见的，下面介绍一个工程实例：

该工程位于南京市六合区，由于以前为丘陵地域，所以场地高低起伏较大，经厂区平整后有些地区不可避免的有较厚的素、杂填土，具体场地土层分布情况如下：

①层杂填土：灰色，黄灰色，稍湿，表层夹较多植物根茎，局部含少量砼块、石子等，主要成份为粘性土，为近期人类活动填积形成，性质极不均匀。该层最大厚度6.30～10.80m，平均8.11m。

②-1层粉质粘土：灰黄色，黄色，稍湿，可塑状态，含少量铁锰质浸斑及灰白色粘土条带，中等偏高压缩性，无摇振反应，切面光滑，稍有光泽，干强度中等，韧性较高。该层厚度9.30～13.90m，平均11.55m；层顶标高5.19～11.09m，平均9.20m，层顶埋深6.30～10.80m，平均8.11m。

②-2层粉质粘土：黄色，黄褐色，暗紫色，湿，可～硬塑，含铁锰质结核，局部夹砂粒，中等压缩性，无摇振反应，切面光滑，稍有光泽，干强度高，韧性较高。该层厚度1.60～11.00m，平均5.79m；层顶标高-4.71～0.05m，平均-2.35m，层顶埋深16.80～21.20m，平均19.66m。

③-1层强风化粉砂质泥岩，棕红色，暗红色，密实，局部夹薄层卵石，母岩风化强烈，原有组织结构大部分已被破坏，矿物成份已发生明显变化，风化裂隙发育，岩芯呈砂土状，手捏易碎，水冲易散，干钻很难钻进。该层厚度1.20～4.80m，平均2.16m；层顶标高-15.27～-2.06m，平均-8.13m，层顶埋深19.20～31.00m，平均25.45m。

③-2层中风化粉砂质泥岩，棕灰色，棕色，致密，原有组织结构部分已被破坏，矿物成份已部分发生部分变化，岩芯较完整，呈长柱状，岩芯钻方可钻进，锤击易碎，岩体基本质量等级为V级。该层未钻穿，最大控制深度5.80m；层顶标高-16.47～-6.15m，平均-10.29m；层顶埋深23.30～32.20m，平均27.61m。

根据分析①层杂填土不可作为基础持力层，因此浅基础不适用于该工程，该层土层厚度为6.30～10.80m，平均8.11m，所以亦不适用于桩基础，决定采用砂石桩法对地基进行处理以②-1层粉质粘土，地基承载力特征值220Kpa为持力层，具体计算过程如下：

一、设计资料

1.1地基处理方法：砂石桩法

1.2基础参数：

基础类型：矩形基础

基础长度L：28.00m

基础宽度B：28.00m

褥垫层厚度：300mm

基础覆土容重：20.00kN/m3

1.3荷载效应组合：

标准组合轴力Fk：56000.00kN

标准组合弯矩Mx：630.00kN•m

标准组合弯矩My：63.00kN•m

准永久组合轴力Fk：56000.00kN

1.4桩参数：

布桩形式：矩形

X向间距：0.80m，Y向间距：0.80m

桩长l：10.00m，桩径d：300mm

桩体承载力特征值：200.00kPa

桩土应力比：2.50

1.5地基变形计算参数：

自动确定地基变形计算深度

自动确定地基变形经验系数

1.6复合地基计算公式：《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002 J220－2002）式（7.2.8-1）

fspk = m fpk + (1- m)fsk

1.7地基处理设计依据

《建筑地基处理技术规范》

（JGJ 79-2002 J220－2002）

《建筑地基基础设计规范》

（GB 50007-2002）

1.8土层参数

天然地面标高：0.00m

水位标高：-8.00m

桩顶标高：-5.00m

土层参数表格

层号 土层名称 厚度

m 容重

kN/m3 压缩模量

MPa 承载力

kPa d 桩侧阻力kPa 桩端阻力kPa

1 粉质粘土 8.00 18.00 20.00 100.00 1.00 20.00 1000.00

2 粉质粘土 30.00 18.00 20.00 220.00 1.00 20.00 1000.00

注:表中承载力指天然地基承载力特征值

桩侧阻力指桩侧阻力特征值(kPa)、桩端阻力指桩端阻力特征值(kPa)

桩在土层中的相对位置

土层 计算厚度(m) 容重

kN/m3 压缩模量

MPa

1 3.00 18.00 20.00

2 7.00 18.00 20.00

二、复合地基承载力计算

2.1桩体承载力特征值

桩体承载力特征值 fpk= 200.00 kPa

2.2面积置换率计算

由"建筑地基处理技术规范"式7.2.8-2m = d2de2 计算

d--桩身平均直径,d=0.30m

de-- 一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径

de=1.13s1s2=1.13×0.80×0.80=0.90m

s1、s2--桩X向间距、Y向间距,s1=0.80m、s2=0.80m

m =d2de2 = 0.3020.902 =11.01

2.3复合地基承载力计算

《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002 J220－2002）式（7.2.8-1）

fspk = mfpk + (1- m)fsk

fspk--砂石桩复合地基承载力特征值（kPa）

fpk--桩体承载力特征值，fpk=200.00kPa

fsk--处理后桩间土承载力特征值（kPa），取天然地基承载力特征值，fsk=100.00kPa

m--面积置换率，m=11.01

fspk= 0.1101200.00+(1-0.1101)100.00 = 111.01kPa

经砂石桩处理后的地基，当考虑基础宽度和深度对地基承载力特征值进行修正时，一般宽度不作修正，即基础宽度的地基承载力修正系数取零，基础深度的地基承载力修正系数取1.0。经深度修正后砂石桩复合地基承载力特征值fa为

fa = fspk+0(d-0.50)

上式中 0为基底标高以上天然土层的加权平均重度，其中地下水位下的重度取浮重度

0= ∑ihi∑hi = 18.00×5.005.00 = 18.00kN/m3

基础埋深，d=5.00m

fa = 111.01+18.00×(5.00-0.50)=192.01kPa

轴心荷载作用时

Gk = GAd = 20.00 × 28.00 × 28.00 × 5.00 = 78400.00 kN

pk = Fk+GkA = 56000.00+78400.00784.00 = 171.43kPa pkfa,满足要求

偏心荷载作用时

pkmin = Fk+GkA - MkyWy - MkxWx = 56000.00+78400.00784.00 - 63.003658.67 - 630.003658.67= 171.24kPa pkmin> 0,满足要求

pkmax = Fk+GkA + MkyWy + MkxWx = 56000.00+78400.00784.00 + 63.003658.67+ 630.003658.67= 171.62kPa pkmax1.2fa,满足要求

三、变形计算

3.1计算基础底面的附加压力

荷载效应准永久组合时基础底面平均压力为：

Gk = GAd = 20.00 × 28.00 × 28.00 × 5.00 = 78400.00 kN

pk = F+GkA = 56000.00+78400.00784.00 = 171.43kPa

基础底面自重压力为：

pc= 0d=18.005.00=90.00kPa

基础底面的附加压力为：

p0=pk-pc=171.43 - 90.00 = 81.43kPa

3.2确定z

按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）表5.3.6：

由b=28.00 得z=1.00

3.3确定沉降计算深度

沉降计算深度按"地基规范"式5.3.6由程序自动确定

zn = 25.00 m

3.4计算复合土层的压缩模量换算系数换算系数

复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量按《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002 J220－2002）式(7.2.9)确定

Esp = [1 + m(n - 1)]Es

令 = 1 + m(n - 1)，即复合土层的压缩模量换算系数 = 1 + 0.1101×(2.50 -1) = 1.165

3.5计算分层沉降量

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）表 K.0.1-2可得到平均附加应力系数，计算的分层沉降值见下表：

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）的分层总和法沉降计算表

z(m) l1/b1 z/b1  z zii - zi-1i-1 Esi(MPa) si = p0(zii - zi-1i-1)/Esi ∑si(mm)

0 1.00 0 4×0.25=1.00 0

3.00 1.00 0.21 4×0.2496=0.9982 2.9947 2.9947 23.30 10.46 10.464

10.00 1.00 0.71 4×0.2382=0.9528 9.5277 6.5330 23.30 22.83 33.292

24.00 1.00 1.71 4×0.1882=0.7527 18.0650 8.5373 20.00 34.76 68.051

25.00 1.00 1.79 4×0.1847=0.7387 18.4672 0.4022 20.00 1.64 69.688

上表中l1 = L/2 = 14.00m, b1 = B/2 = 14.00m

z = 25.00m范围内的计算沉降量∑s = 69.69 mm, z = 24.00m至25.00m(z为1.00m), 土层计算沉降量s'n = 1.64 mm ≤ 0.025∑s'i = 0.025 × 69.69 = 1.74 mm，满足要求。

3.5确定沉降计算经验系数s

由沉降计算深度范围内压缩模量的当量值Es可从《建筑地基处理技术规范》表9.2.8查得Es = ∑Ai∑AiEsi

Ai = p0(zii - zi-1i-1)

式中Ai为第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值∑Ai = p0 × 18.47 = 18.47p0

∑AiEsi = p0 × (2.99523.30 + 6.53323.30 + 8.53720.00 + 0.40220.00 )

= p0 × (0.13 + 0.28 + 0.43 + 0.02)

= 0.86p0

Es = 18.47p00.86p0 = 21.58 MPa

查《建筑地基处理技术规范》表9.2.8得s = 0.200

3.6最终的沉降量

s = ss' = s∑s'n = 0.200 × 69.69 = 13.94 mm

四、下卧土层承载力验算

基础底面的附加压力

基础底面平均压力为：

pk= 171.43kPa

基础底面自重压力为：

pc= 0d=18.005.00=90.00kPa

基础底面的附加压力为：

p0=pk-pc=171.43 - 90.00 = 81.43kPa

第2层土承载力验算：

(1)计算基底下10.00m处的附加压力

a = 28.00/2 = 14.00, b = 28.00/2 = 14.00, ab = 14.0014.00 = 1.00, zb = 10.0014.00 = 0.71, 由《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）表 K.0.1-1可得附加应力系数， = 0.210

pz = 4p0 = 4×0.210×81.43 = 68.47 kPa

(2)计算基底下10.00m处的自重压力

pcz = 0d

上式中 0为自天然地面以下深度15.00m范围内天然土层的加权平均重度，其中地下水位下的重度取浮重度

0= ∑ihi∑hi = 18.00×8.00+8.00×7.008.00+7.00 = 13.33kN/m3

pcz = 13.3315.00 = 200.00 kPa

(3)计算基底下10.00m处的经深度修正后地基承载力特征值

fa = fak + d0(d-0.50)

= 220.00 + 1.0013.33(15.00-0.50)

= 413.33 kPa

pz+pcz = 68.47 + 200.00 = 268.47 kPa  fa = 413.33 kPa

第2层土承载力满足要求

五、施工技术要求及质量检验

5.1施工工艺

1、砂石桩施工可采用振动沉管、锤击沉管或冲击成孔等成桩法。当用于消除粉细砂及粉土液化时，宜用振动沉管成桩法。

2、施工前应进行成桩工艺和成桩挤密试验。当成桩质量不能满足设计要求时，应在调整设计与施工有关参数后，重新进行试验或改变设计。

3、振动沉管成桩法施工应根据沉管和挤密情况，控制填砂石量、提升高度和速度、挤压次数和时间、电机的工作电流等。

4、施工中应选用能顺利出料和有效挤压桩孔内砂石料的桩尖结构。当采用活瓣桩靴时，对砂土和粉土地基宜选用尖锥型；对粘性土地基宜选用平底型；一次性桩尖可采用混凝土锥形桩尖。

5、锤击沉管成桩法施工可采用单管法或双管法。锤击法挤密应根据锤击能量，控制分段的填砂石量和成桩的长度。

6、砂石桩的施工顺序，对砂土地基宜从或两侧向中间进行，对粘性土地基宜从中间向或隔排施工；在既有建（构）筑物邻近施工时，应背离建（构）筑物方向进行。

7、施工时桩位水平偏差不应大于0.3倍套管外径；套管垂直度偏差不应大于1%。

8、砂石桩施工后，应将基底标高下的松散层挖除或夯压密实，随后铺设并压实砂石垫层。

5.2施工质量检验

1、应在施工期间及施工结束后，检查砂石桩的施工记录。对沉管法，尚应检查套管往复挤压振动次数与时间、套管升降幅度和速度、每次填砂石料量等项施工记录。

2、施工后应间隔一定时间方可进行质量检验。对饱和粘性土地基应待孔隙水压力消散后进行，间隔时间不宜少于28d；对粉土、砂土和杂填土地基，不宜少于7d。

3、砂石桩的施工质量检验可采用单桩载荷试验，对桩体可采用动力触探试验检测，对桩间土可采用标准贯入、静力触探、动力触探或其他原位测试等方法进行检测。桩间土质量的检测位置应在等边三角形或正方形的中心。检测数量不应少于桩孔总数的2%。

4、砂石桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验。

5、复合地基载荷试验数量不应少于总桩数的0.5%，且每个单体建筑不应少于3点。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。