沿海地區儲罐高承臺樁基基礎的設計

高娜

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 引言

目前，國內儲罐正日趨大型化，樁基礎由于具有承載高、沉降量小且均勻、抗震性能較好、抗拉能力強等優點，所以越來越多的罐基礎開始采用承臺式罐基礎形式。為了適應建構筑物功能的需要，樁基礎根據樁頂承臺的位置分為低承臺樁基與高承臺樁基。

大多數工程中的承臺式罐基礎都采用承臺環墻式基礎。隨著社會發展，國家對環境要求越來越高，很多罐區都屬于重點污染防治區，重點污染防治區的罐基礎需采取抗滲措施。采用低承臺環墻式罐基礎設計，其工藝要求較多，施工措施費用增加。相反采用高承臺罐基礎不但費用經濟，施工也簡單。從項目的經濟性和施工進度要求方面考慮，部分罐基礎已經開始嘗試采用高承臺式罐基礎。

2 儲罐高承臺樁基基礎設計

儲罐樁基基礎設計包括單樁水平承載力和豎向承載力計算。鋼制儲罐結構水平荷載主要考慮地震作用，水平承載力估算采用m（地基土水平抗力系數）法。

2.1 m 法計算假定

計算過程如下：（1）假定基礎的承臺板為剛性，即受力后的彎曲變形很小，可以忽略不計；（2）樁側土為彈性變形介質，具有沿深度成正比增長的地基系數；（3）計算中不考慮樁與土之間的黏著力和摩阻力，外荷載均考慮由樁側土的受壓彈性抗力來抵抗。

2.2 結構計算

2.2.1 儲罐水平地震作用規范法計算

根據GB 50191—2012《構筑物抗震設計規范》[1]，儲罐水平地震作用標準值FEX見式（1）：

式中，α1為水平地震影響系數；η 為罐體影響系數，可取1.1；ML為罐內儲液總質量，kg；ψw為動液系數；g 為重力加速度，9.8m/s2。

2.2.2 儲罐基礎規范法驗算

根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[2]（以下簡稱“規范”），儲罐單樁水平承載力驗算見式（2）：

式中，α 為樁的水平變形系數；EI 為樁身抗彎剛度，N·mm3；x0a為樁頂允許水平位移，mm；vx為樁頂水平位移系數。

3 工程實例

某項目硫酸罐區位于沿海地區業產業園內，立式圓筒形鋼儲罐，規格φ 14.0m×12.5m，主要物料是硫酸。項目所在地區抗震設防烈度7 度，第二組，設計基本地震加速度為0.15g，III 類場地，特征周期為0.55s，樁基設計等級為乙級。

3.1 地質條件

根據項目巖土工程勘察報告（詳細勘察階段），擬建場地范圍內基底以下土層分布為：1 層——粉砂(Q4mc)；2 層——粉質黏土(Q4mc)；3 層——粉砂(Q4al+pl)；4 層——粉質黏土(Q3al+pl)；5 層——粉砂(Q3al+pl)；6 層——粉質黏土(Q3al+pl)。

地下水對混凝土結構具中腐蝕性，場地地基土對混凝土結構具弱腐蝕性。

根據儲罐荷載情況，天然地基不能滿足設計對地基承載力的要求，項目采用預應力高強混凝土管樁。

3.2 樁基布置與設計

3.2.1 確定樁長、樁徑及樁間距

根據項目所在地情況，采用PHC500B125 管樁。標準組合時，儲罐上部結構傳至基礎頂面的豎向力為34 050kN，假定承臺外直徑為14.5m，高1.1m。樁端位于第5 層，有效樁長25m，根據規范計算得出單樁豎向抗壓承載力特征值為1 200kN。在荷載效應標準組合豎向力作用下，求得樁數n=33，本項目按37 根樁設計。根據地勘資料基樁屬于飽和黏性土擠土樁，按樁間距2.25m 設計。

3.2.2 管樁基礎設計

1）單樁水平承載力估算。根據規范及地勘報告確定土水平位移x0a=10mm，樁側土水平抗力系數的比例系數m=8；由預應力混凝土管樁圖集得到樁身配筋率ρg=1.02%，鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量比值αE=5.26，樁直徑d=500mm，扣除保護層厚度的樁直徑d0=400mm，混凝土彈性模量Ec=3.80×104N/mm2，則樁身換算截面受拉邊緣的截面模量W0=πd[d2+2(αE-1)ρgd02]/32=12 947 821.4mm2。樁身換算截面慣性矩I0=W0d0/2=2 589 564 280mm4；樁身抗彎剛度EI=085EcI0=8.36×1013N·mm3，結合公式（2）求得水平承載力特征值Rha=67.44kN。

2）儲罐水平地震作用。承臺外直徑D=14.5m，儲罐設計最高液位Hw=10.5m，則D/Hw=1.38，依據文獻[1] 得到ψw=0.699。再結合公式（1），求得FEX=3072.85kN，樁頂最大水平力Hik=FEX/n=83.05kN。樁頂最大水平力標準值Hik≤1.25Rha，因此，本項目單樁水平承載力滿足要求。

在水平荷載較大情況下，根據規范可考慮承臺、樁群、土的共同作用，利用世紀旗云計算軟件，根據規范，輸入計算參數與巖土情況后得出：

（1）樁身最大彎矩位置ymax=1.6 3 2 2 m；最大彎矩Mmax=H0i/αDII=155.04kN·m，其中，H0i為復合基樁的水平力，kN；DII為最大彎矩系數。

（2）37 根樁樁身內力結果。編號第11 樁的軸向力最大：1 190.841 8kN，最大彎矩154.895 9kN·m，最大剪力84.308 1kN。編號第33 樁軸向力最小：693.793 2kN，最大彎矩154.895 9kN·m，最大剪力84.308 1kN。

3.2.3 設計結果

根據以上計算分析，最大剪力與用m 法計算得出的剪力誤差為2.7%，采用m 法對水平力的估算是可行的，根據計算滿足設計要求，豎向承載力、水平承載力要求。

3.2.4 檢測驗證

根據項目的試樁報告結果，PHC500B125 單樁水平極限承載力為210kN，單樁水平臨界荷載120kN，單樁抗拔承載力特征值為500kN，單樁豎向抗壓承載力特征值為1 200kN。故布置37 根樁，滿足設計要求。

4 高承臺樁基基礎在工程設計中的注意事項

高承臺樁基基礎與低承臺樁基基礎相比，由于其承臺在地面之上，考慮基礎美觀性，不能根據荷載情況增加過多樁，所以當布樁數量一定時，根據不同情況進行設計。

4.1 樁基承受水平荷載

高承臺樁基的樁在選擇上應考慮樁身的抗剪、抗彎能力。實際工程中應優先采用混凝土灌注樁、預制方樁等抗彎剛度較好的樁型。

項目如有特殊要求只能采用管樁這種抗彎、抗剪性能差的樁，設計時可采取構造措施增加抗剪能力。如通過增加填芯長度，來強化管樁樁頂，采用較大壁厚的管樁。

根據工程實例計算得出，m 值（土質情況不同）越大，水平承載力特征值越大。故當場地土為軟土場地或液化場地時優先進行場地處理，消除液化層，提高土層水平抗力系數m 值。

4.2 樁承受的負摩阻力

本工程采用的管樁屬于摩擦型基樁，未考慮負摩擦阻力引起基樁的下拉荷載。但當采用端承型基樁時，由于大面積的填土在自重作用下產生固結，同時使樁周土層壓密，此時土的自重荷載將通過負摩阻力傳給樁，這對樁的受力是不利的，在設計中樁的承載力計算上除了考慮填土的自重荷載，還應考慮下拉荷載的影響。當樁承受的負摩阻力時，可以對自然地面以上樁的表面采用涂上一層瀝青的方法，來降低土對其產生的負摩阻力。

5 結語

綜上所述，論文結合項目實例，總結了儲罐高承臺樁基基礎的設計方法，并提出設計時的注意事項，可供類似工程參考。在應用中，應根據樁基受力特點選擇樁型，預制方樁比預應力管樁承載力好，灌注樁比預制方樁抵抗承載力好。當工程應用中只能采用預應力管樁時，必須采取一些措施來提高管樁的抗剪能力，如增加填芯長度（填芯長度為反彎點以下1.5m），在同樁徑的情況下，采用較大壁厚的管樁。