復(fù)雜地質(zhì)條件下鋼制儲(chǔ)罐基礎(chǔ)選型探討

張建敏

（北京東方雨虹防水工程有限公司，北京 100176）

1 風(fēng)化巖石地質(zhì)條件下鋼制儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)選型

據(jù)《鋼制儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50473-2008 中3.2.3 條規(guī)定，當(dāng)天然地基承載力大于或等于基底平均壓力、地基變形滿足規(guī)定的允許值時(shí)，宜采用護(hù)坡式基礎(chǔ)，也可采用環(huán)墻式或外環(huán)墻式基礎(chǔ)。東方雨虹杭州建德工廠的瀝青儲(chǔ)罐就座落在風(fēng)化巖石上，巖層均勻。罐體排列緊密，大小共計(jì)12個(gè)鋼罐，且周邊全部分強(qiáng)風(fēng)化的碎石，不適合護(hù)坡基礎(chǔ)，因此采用了環(huán)墻式儲(chǔ)罐基礎(chǔ)。基礎(chǔ)采有環(huán)梁式基礎(chǔ)，如圖1 所示：

圖1：

當(dāng)罐體位于環(huán)梁頂面式(如圖1.1-1 所示)，環(huán)梁厚度可依據(jù)下式計(jì)算，

式中b―環(huán)墻厚度（m）；

gk―罐壁底端傳至環(huán)墻頂端的豎向線分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值；

Β—罐壁伸入環(huán)墻頂面寬度系數(shù)，可取0.4～0.6；

γc―環(huán)墻的重度(KN/m3)；

γL―罐內(nèi)使用階段儲(chǔ)存介質(zhì)的重度(KN/m3)；

γm―環(huán)墻內(nèi)各層材料的平均重度(kN/m3)；

hL―環(huán)墻頂面到罐內(nèi)最高儲(chǔ)液面度(m)；

h―環(huán)墻高度(m)；

環(huán)梁從受力角度來講屬于軸心受軸構(gòu)件，由單位高度環(huán)向力的設(shè)計(jì)值可參照《鋼制儲(chǔ)罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.1.3 條按充水試壓時(shí)和正常使用時(shí)分別計(jì)算。其配筋可參照下式計(jì)算：

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(qiáng)度設(shè)計(jì)值(KN/mm2)；

Ff―環(huán)墻單位高度環(huán)向力設(shè)計(jì)值(KN/m)；

杭州建德工廠最終計(jì)算出環(huán)梁配筋如圖2：

圖2：環(huán)墻基礎(chǔ)詳圖

罐體基礎(chǔ)在中風(fēng)化巖上，因巖石表面不規(guī)則，需要預(yù)先澆筑C15 混凝土墊層用于巖石找平，填料層采用300mm 厚素土壓實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.96；砂墊層采用220 厚中砂，其上設(shè)置80 厚瀝青砂。工程已完工4 年，結(jié)構(gòu)整體可靠安全。

2 飽和淤泥質(zhì)土及山谷填土地質(zhì)條件下鋼制儲(chǔ)罐基礎(chǔ)選型

2.1 飽和粘性土及淤泥質(zhì)土儲(chǔ)罐基礎(chǔ)選型

東方雨虹蕪湖工廠地處長(zhǎng)江中下游南岸，場(chǎng)地原地貌以農(nóng)田為主，局部有溝塘存在，場(chǎng)地現(xiàn)已回填雜填土，上部為含磚塊、碎石等建筑垃圾，含植物根莖，下部為耕土。淤泥質(zhì)土承載力只有65kpa，壓縮模量2.8MPa。無論承載力和變形能力均不能滿足要求，采用了樁筏基礎(chǔ)。其中，樁基采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，以第5 層粉砂層為樁端承載力層，管樁沿圓周型均勻布置，樁頂筏板內(nèi)設(shè)置暗梁

2.2 飽和山區(qū)復(fù)雜填土儲(chǔ)罐基礎(chǔ)選型

東方雨虹荊門工廠位于罐區(qū)位置原貌為一個(gè)池塘，基礎(chǔ)開挖后發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)回填時(shí)并未將水抽干，而是直接采用山體土推填而成，山體土中混雜著大量的表皮植被和巨塊山石。地基土水含量豐富，強(qiáng)夯處理時(shí)形成了橡皮土。

此種地基因巨大孤石的存在及相鄰項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)確定無法采用預(yù)應(yīng)力管樁；而強(qiáng)夯處理因水分子與土已結(jié)合緊密，強(qiáng)夯力量無法將水強(qiáng)排出去，故強(qiáng)夯處理也被排除；荊門最大的罐體重量9800噸按罐子外徑計(jì)算，罐底壓力平均值為205kPa，此場(chǎng)地地下水豐富，采用復(fù)合地基無法達(dá)到承載力要求。只能選擇旋挖樁，樁持力層選擇中風(fēng)化。

采用樁筏基礎(chǔ)，對(duì)于筏板的選型也需要仔細(xì)的計(jì)算以滿足安全性及經(jīng)濟(jì)性要求。常用的筏板有兩種形式，一是梁板式，一是無梁純板式。筏板的厚度太大其最小配筋率也相應(yīng)增大，成本相應(yīng)增加，如果厚度太小，又起不到調(diào)節(jié)沉降的作用，經(jīng)過計(jì)算分析，其不同容積的儲(chǔ)罐基礎(chǔ)筏板計(jì)算結(jié)果如表1：

表1 不同板厚筏板計(jì)算配筋

3 對(duì)于地下水位較深，土質(zhì)以粉質(zhì)粘土、沙類土等較好的地質(zhì)條件下鋼制儲(chǔ)罐的地基基礎(chǔ)選型

一些平原地區(qū)，地基土主要以第四系全新統(tǒng)沖、洪積層而成。此類場(chǎng)地往往場(chǎng)地平坦，地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，土體有一定的承載力。如東方雨虹德陽工廠，罐區(qū)基底為可塑性粉質(zhì)粘土，地基承載力特征值為140kpa。由上文可知，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)反力最小也需要約205kpa。部分容積較大的罐體需要250kpa以上，天然地基仍然無法滿足承載力要求。此時(shí)，考慮地基處理加固是最優(yōu)方案。在地基處理中，粉質(zhì)粘土以CFG最為常用，CFG樁體布置可采用矩型布置，處理后的地基承載力和對(duì)于沉降的控制有可靠的工程經(jīng)驗(yàn)。

東方雨虹德陽工廠CFG 設(shè)計(jì)樁徑500mm，單樁承載力達(dá)到565KN，處理后的復(fù)合地基承載力不小于220KPa。因地基本身較均勻，復(fù)合地基與筏板基礎(chǔ)之間設(shè)置柔性的碎石褥墊層，使的筏板受力比較均均，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中。這樣筏板厚度可以減?。ǖ玛柟S復(fù)合地基處理后筏板厚度減小至450mm），相應(yīng)的配筋率也變小，成本經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，可在筏板基礎(chǔ)上直接填充瀝青砂墊層，取消素土填料層，也可以減少一部分成本。經(jīng)過實(shí)際來看，效果明顯。

4 軟土地基設(shè)置筏板的意義及配筋方法

4.1 儲(chǔ)罐底部設(shè)置混凝土底板的意義

從規(guī)范條文里就可以看出，滿足3.2.3.1 的地基，是可以不用鋼筋混凝土底板的，工程例子如建德工廠，儲(chǔ)罐落在風(fēng)化巖石上，這個(gè)屬于柔性基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。符合3.2.3.3 條的，屬于普通的常規(guī)基礎(chǔ)，是要做鋼筋混凝土底板的，工程例子如荊門工廠和蕪湖工廠，儲(chǔ)罐采用樁筏基礎(chǔ)，屬于剛性基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。所以，當(dāng)?shù)鼗休d力大于基底平均壓力時(shí)，是采用天然基礎(chǔ)的先決條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，一是土體承載力本身就好；二是采用地基處理技術(shù)，使地基承載力大于基底平均壓力。只有承載力達(dá)到要求，才可談沉降和傾斜控制問題。儲(chǔ)罐的工程實(shí)踐表明，不均勻沉降分為三種模式：平面傾斜——罐基礎(chǔ)整體傾斜；非平面傾斜——罐基礎(chǔ)周邊不均勻沉降；罐基礎(chǔ)產(chǎn)生錐面坡度（鍋底形變形）——罐中心與儲(chǔ)罐周邊的沉降差。如不均勻沉降差過大，將導(dǎo)致罐體傾斜，使浮頂罐出現(xiàn)罐壁形狀的改變，影響浮頂沉降，對(duì)固定頂罐可能造成局部失穩(wěn)或應(yīng)力集中，甚至產(chǎn)生罐壁破裂，導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)害。不均勻沉降引起的儲(chǔ)罐破壞主要有兩種類型：罐壁扭曲導(dǎo)致浮頂失靈；罐壁、底板或罐壁與底板連接處的破壞。研究結(jié)果表明，儲(chǔ)罐對(duì)于不均勻沉降的適應(yīng)能力與罐底的結(jié)構(gòu)如罐底板的直徑、厚度、角焊縫的韌性等有關(guān)。由于罐壁在豎直方向的剛度很大，當(dāng)下部基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降時(shí)，就會(huì)是罐底與罐壁間的角焊縫產(chǎn)生很大的次生應(yīng)力。

鋼筋混凝土底板，最大的功能是作為一塊剛度比較大的板，調(diào)節(jié)基礎(chǔ)的不均勻沉降和較均勻分配罐子壓力到地基上。從我們接觸的一些設(shè)計(jì)單位了解到，筏板板厚都是800mm 以上，鋼筋也是Ф18@150 以上。剛度合適度，因單位而異，沒有絕對(duì)的統(tǒng)一數(shù)值和規(guī)律。儲(chǔ)罐沉降的絕對(duì)值和建筑不一樣，條件放寬很多，但是控制儲(chǔ)罐的不均勻沉降就是難點(diǎn)和重點(diǎn)。目前大部分設(shè)計(jì)院采用的設(shè)計(jì)方法大都是這個(gè)思路。原來遇到回填土地基時(shí)，也曾經(jīng)采用復(fù)合地基或強(qiáng)夯、或換填，不采用鋼筋混凝土底板，但是由于回填土場(chǎng)地先天因素不明（大部分都不處理原來淤泥和有機(jī)物），回填土回填過程不可控制因素又多（大都不控制回填土的有機(jī)物和大塊石頭），因此設(shè)計(jì)計(jì)算假定與回填參數(shù)實(shí)際相差太遠(yuǎn)，僅憑幾個(gè)勘察點(diǎn)參數(shù)離散性又大，都出現(xiàn)罐體在充水實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)沉降過快、傾斜過大等現(xiàn)象，有的儲(chǔ)罐在充水實(shí)驗(yàn)后一個(gè)月還傾斜現(xiàn)象發(fā)生。有機(jī)物在腐敗過程中形成的空洞現(xiàn)象，是以年為單位的過程，后果更無法量化。而處理這些傾斜又費(fèi)事又費(fèi)錢，還為追究責(zé)任而扯皮，故為避免產(chǎn)生諸如事情，設(shè)計(jì)院都采用鋼筋混凝土底板，增加剛度，調(diào)節(jié)沉降產(chǎn)生的過大傾斜。而從最終效果來看，這個(gè)措施確實(shí)很有成效。從徐致鈞主編的文獻(xiàn)看，除軟土外，不設(shè)置底板的工程失敗的多。

4.2 環(huán)墻式基礎(chǔ)特點(diǎn)

鋼儲(chǔ)罐環(huán)墻式基礎(chǔ)與一般的建構(gòu)筑物基礎(chǔ)不同。一般建構(gòu)筑物整個(gè)上部荷載都是通過基礎(chǔ)傳遞和擴(kuò)散到地基上的，基礎(chǔ)是建構(gòu)筑物不可缺少的一部分。然而，鋼儲(chǔ)罐環(huán)墻式基礎(chǔ)卻有著本質(zhì)的區(qū)別，儲(chǔ)罐的荷載大部分都是通過罐底直接傳遞到地基上。環(huán)墻式基礎(chǔ)作為儲(chǔ)罐罐壁與地基的連接體，承受著儲(chǔ)罐罐壁、罐壁外的保溫材料、儲(chǔ)罐頂以及小部分介質(zhì)的荷載；同時(shí)鋼筋混凝土環(huán)墻具有一定的剛度，在地基出現(xiàn)不均勻沉降時(shí)，可以通過環(huán)墻基礎(chǔ)的調(diào)整，起到變形協(xié)調(diào)的作用，使地基的局部變形不直接的反映到儲(chǔ)罐罐壁上來。鋼筋混凝土環(huán)墻基礎(chǔ)能很好的約束環(huán)墻基礎(chǔ)內(nèi)各壓密的墊層，使各壓密墊層形成的圓柱形彈性塊體能與環(huán)墻共同工作，對(duì)調(diào)整儲(chǔ)罐罐底范圍內(nèi)地基的差異沉降也有一定的作用。

4.3 筏板的配筋

筏板布置鋼筋也有兩種方式，一種是國家標(biāo)準(zhǔn)圖式的，沿著徑向和環(huán)向布置，呈放射形，鋼筋下料長(zhǎng)度統(tǒng)一，方便施工。但是徑向間距就是最外邊大，靠近中間距小，而且按徑向間距計(jì)算的配筋率各方都有爭(zhēng)議；另外一種是橫平豎直的雙向雙層布置，每根鋼筋大小都不一樣長(zhǎng)，下料麻煩，但是按此計(jì)算的配筋率各方都認(rèn)同，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好控制。簽于方便施工，目前絕大多數(shù)筏板配筋往往采用第一種配筋方案。

5 小結(jié)

1、當(dāng)儲(chǔ)罐基底位于均勻的風(fēng)化巖石地基上面時(shí)，可考慮設(shè)置柔性墊層的環(huán)梁基礎(chǔ)

2、當(dāng)儲(chǔ)罐基底位于飽和的淤泥質(zhì)土等承載力較低的土質(zhì)時(shí)，可采用預(yù)應(yīng)力管樁的樁筏基礎(chǔ)，基礎(chǔ)筏板按照樁筏結(jié)構(gòu)計(jì)算

3、當(dāng)儲(chǔ)罐基底位于山區(qū)含巨石的雜填土地基時(shí)，可采用旋挖樁樁筏基礎(chǔ)，如果含水量較大，可設(shè)計(jì)護(hù)筒。

4、土質(zhì)較好的粉質(zhì)粘土，可采用地基處理方式。