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沿海地区储罐高承台桩基基础的设计

2021-04-09高娜

工程建设与设计 2021年5期
关键词:单桩管桩储罐

高娜

(华陆工程科技有限责任公司,西安 710065)

1 引言

目前,国内储罐正日趋大型化,桩基础由于具有承载高、沉降量小且均匀、抗震性能较好、抗拉能力强等优点,所以越来越多的罐基础开始采用承台式罐基础形式。为了适应建构筑物功能的需要,桩基础根据桩顶承台的位置分为低承台桩基与高承台桩基。

大多数工程中的承台式罐基础都采用承台环墙式基础。随着社会发展,国家对环境要求越来越高,很多罐区都属于重点污染防治区,重点污染防治区的罐基础需采取抗渗措施。采用低承台环墙式罐基础设计,其工艺要求较多,施工措施费用增加。相反采用高承台罐基础不但费用经济,施工也简单。从项目的经济性和施工进度要求方面考虑,部分罐基础已经开始尝试采用高承台式罐基础。

2 储罐高承台桩基基础设计

储罐桩基基础设计包括单桩水平承载力和竖向承载力计算。钢制储罐结构水平荷载主要考虑地震作用,水平承载力估算采用m(地基土水平抗力系数)法。

2.1 m 法计算假定

计算过程如下:(1)假定基础的承台板为刚性,即受力后的弯曲变形很小,可以忽略不计;(2)桩侧土为弹性变形介质,具有沿深度成正比增长的地基系数;(3)计算中不考虑桩与土之间的黏着力和摩阻力,外荷载均考虑由桩侧土的受压弹性抗力来抵抗。

2.2 结构计算

2.2.1 储罐水平地震作用规范法计算

根据GB 50191—2012《构筑物抗震设计规范》[1],储罐水平地震作用标准值FEX见式(1):

式中,α1为水平地震影响系数;η 为罐体影响系数,可取1.1;ML为罐内储液总质量,kg;ψw为动液系数;g 为重力加速度,9.8m/s2。

2.2.2 储罐基础规范法验算

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[2](以下简称“规范”),储罐单桩水平承载力验算见式(2):

式中,α 为桩的水平变形系数;EI 为桩身抗弯刚度,N·mm3;x0a为桩顶允许水平位移,mm;vx为桩顶水平位移系数。

3 工程实例

某项目硫酸罐区位于沿海地区业产业园内,立式圆筒形钢储罐,规格φ 14.0m×12.5m,主要物料是硫酸。项目所在地区抗震设防烈度7 度,第二组,设计基本地震加速度为0.15g,III 类场地,特征周期为0.55s,桩基设计等级为乙级。

3.1 地质条件

根据项目岩土工程勘察报告(详细勘察阶段),拟建场地范围内基底以下土层分布为:1 层——粉砂(Q4mc);2 层——粉质黏土(Q4mc);3 层——粉砂(Q4al+pl);4 层——粉质黏土(Q3al+pl);5 层——粉砂(Q3al+pl);6 层——粉质黏土(Q3al+pl)。

地下水对混凝土结构具中腐蚀性,场地地基土对混凝土结构具弱腐蚀性。

根据储罐荷载情况,天然地基不能满足设计对地基承载力的要求,项目采用预应力高强混凝土管桩。

3.2 桩基布置与设计

3.2.1 确定桩长、桩径及桩间距

根据项目所在地情况,采用PHC500B125 管桩。标准组合时,储罐上部结构传至基础顶面的竖向力为34 050kN,假定承台外直径为14.5m,高1.1m。桩端位于第5 层,有效桩长25m,根据规范计算得出单桩竖向抗压承载力特征值为1 200kN。在荷载效应标准组合竖向力作用下,求得桩数n=33,本项目按37 根桩设计。根据地勘资料基桩属于饱和黏性土挤土桩,按桩间距2.25m 设计。

3.2.2 管桩基础设计

1)单桩水平承载力估算。根据规范及地勘报告确定土水平位移x0a=10mm,桩侧土水平抗力系数的比例系数m=8;由预应力混凝土管桩图集得到桩身配筋率ρg=1.02%,钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比值αE=5.26,桩直径d=500mm,扣除保护层厚度的桩直径d0=400mm,混凝土弹性模量Ec=3.80×104N/mm2,则桩身换算截面受拉边缘的截面模量W0=πd[d2+2(αE-1)ρgd02]/32=12 947 821.4mm2。桩身换算截面惯性矩I0=W0d0/2=2 589 564 280mm4;桩身抗弯刚度EI=085EcI0=8.36×1013N·mm3,结合公式(2)求得水平承载力特征值Rha=67.44kN。

2)储罐水平地震作用。承台外直径D=14.5m,储罐设计最高液位Hw=10.5m,则D/Hw=1.38,依据文献[1] 得到ψw=0.699。再结合公式(1),求得FEX=3072.85kN,桩顶最大水平力Hik=FEX/n=83.05kN。桩顶最大水平力标准值Hik≤1.25Rha,因此,本项目单桩水平承载力满足要求。

在水平荷载较大情况下,根据规范可考虑承台、桩群、土的共同作用,利用世纪旗云计算软件,根据规范,输入计算参数与岩土情况后得出:

(1)桩身最大弯矩位置ymax=1.6 3 2 2 m;最大弯矩Mmax=H0i/αDII=155.04kN·m,其中,H0i为复合基桩的水平力,kN;DII为最大弯矩系数。

(2)37 根桩桩身内力结果。编号第11 桩的轴向力最大:1 190.841 8kN,最大弯矩154.895 9kN·m,最大剪力84.308 1kN。编号第33 桩轴向力最小:693.793 2kN,最大弯矩154.895 9kN·m,最大剪力84.308 1kN。

3.2.3 设计结果

根据以上计算分析,最大剪力与用m 法计算得出的剪力误差为2.7%,采用m 法对水平力的估算是可行的,根据计算满足设计要求,竖向承载力、水平承载力要求。

3.2.4 检测验证

根据项目的试桩报告结果,PHC500B125 单桩水平极限承载力为210kN,单桩水平临界荷载120kN,单桩抗拔承载力特征值为500kN,单桩竖向抗压承载力特征值为1 200kN。故布置37 根桩,满足设计要求。

4 高承台桩基基础在工程设计中的注意事项

高承台桩基基础与低承台桩基基础相比,由于其承台在地面之上,考虑基础美观性,不能根据荷载情况增加过多桩,所以当布桩数量一定时,根据不同情况进行设计。

4.1 桩基承受水平荷载

高承台桩基的桩在选择上应考虑桩身的抗剪、抗弯能力。实际工程中应优先采用混凝土灌注桩、预制方桩等抗弯刚度较好的桩型。

项目如有特殊要求只能采用管桩这种抗弯、抗剪性能差的桩,设计时可采取构造措施增加抗剪能力。如通过增加填芯长度,来强化管桩桩顶,采用较大壁厚的管桩。

根据工程实例计算得出,m 值(土质情况不同)越大,水平承载力特征值越大。故当场地土为软土场地或液化场地时优先进行场地处理,消除液化层,提高土层水平抗力系数m 值。

4.2 桩承受的负摩阻力

本工程采用的管桩属于摩擦型基桩,未考虑负摩擦阻力引起基桩的下拉荷载。但当采用端承型基桩时,由于大面积的填土在自重作用下产生固结,同时使桩周土层压密,此时土的自重荷载将通过负摩阻力传给桩,这对桩的受力是不利的,在设计中桩的承载力计算上除了考虑填土的自重荷载,还应考虑下拉荷载的影响。当桩承受的负摩阻力时,可以对自然地面以上桩的表面采用涂上一层沥青的方法,来降低土对其产生的负摩阻力。

5 结语

综上所述,论文结合项目实例,总结了储罐高承台桩基基础的设计方法,并提出设计时的注意事项,可供类似工程参考。在应用中,应根据桩基受力特点选择桩型,预制方桩比预应力管桩承载力好,灌注桩比预制方桩抵抗承载力好。当工程应用中只能采用预应力管桩时,必须采取一些措施来提高管桩的抗剪能力,如增加填芯长度(填芯长度为反弯点以下1.5m),在同桩径的情况下,采用较大壁厚的管桩。

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