关于化工区大型储液罐桩基础设计的讨论
2013-10-22赵晓辉
赵晓辉
（天津市化工设计院，天津 300193）
本储液罐属于某工厂的5000t过氧化物工程，位于宁波市镇海区。本罐直径11m，高12.5m，为大型罐，内存易燃易爆液体，活荷载大，总重量大，所处地点软弱土多规定为不利地段，因此对基础的稳定性提出高要求。为了提高稳定性本工程基础设计为桩基础。本人对此工程桩基础做以下论述。如有不足请各位专家、同行、朋友、斧正。
1 场地
1.1 场地概况
勘测场地抗震设防烈度为7度，设计基本加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.65s,属建筑抗震不利地段，通过勘察为非液化场地，可不考虑地震液化及软土震陷影响。
地下水稳定水位为埋深0.35～0.85m，场地地下水为浅部孔隙水及中深部的孔隙弱承压水。场地地下水对混凝土结构局为腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋，在长期浸水条件下具微腐蚀性，在干湿交替下具弱腐蚀性。
气候条件：本地区年平均气温17.3℃。历年极端高温40.6℃，极端最低气温-5.9℃。本地区年平均相对湿度为79%，年极端最小相对湿度为13%。
1.2 地震液化评价
本场地20m深度范围内有1b层粘质粉土分布，分别对四块地区根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）4.3节内容。按抗震设防烈度7度区考虑，采用标贯试验成果进行判别。Ncr值应按下列公式计算：Ncr=N0β[ln(0.6ds+1.5)-0.1dw](3/Pc)0.5
Ncr—液化判别标准贯入锤击数临界值；N0—液化判别标准贯入锤击数基准值（取值为7）；
β—调整系数;(取值为0.8)；ds—饱和土标准贯入点深度；（m）；dw—地下水位（m）；ds—饱和土标准贯入点深度（m）；Pc—粘粒含量百分率。
场地20m深范围内液化判别成果如下此场地为非液化场地
1.3 场地类别
根据1×106万“中国地震动峰值加速度区划图（GB18306-2001）”、宁波市“地震动峰值加速度区划图（2001），按国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），本场地抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度为0.10g,设计地震分组属于第一组见表1。按国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》（GB5023-2008）8.0.3-1条，及3.0.3-2条抗震设防类别为乙类的重点设防类别应按提高1度要求进行抗震措施。
表1 剪切波速成果表
（基岩面埋深）大于80m，地基土20m深度范围内等效剪切波速Vse小于150m/s,根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）表4.1.6综合判定：建筑场地类别为Ⅳ类，场地特征周期为0.65s，场地土类型为软弱土。勘察场地属建筑抗震不利地段。
2 桩的选型
按照《宁波市建筑桩基设计与施工细则》沉管灌注桩直径377桩入土深度不应超过28m，单桩承载力设计值不宜超过400kN，直径426桩入土深度不应超过32m，单桩承载力设计值不宜超过500kP。
对于预制桩、沉管灌注桩及钻孔灌注桩均可按浙江省标准《建筑地基基础设计规范（DB33／1001－2003）》之 5.2.8 条公式计算 Ra=πD∑ψsiqsia.l1+ψpApqpa计算。
分别以5个地块为计算依据，估算各桩型单桩承载力特征值Ra（kN）如表2。
表2 单桩承载力估算表
2.1 预应力管桩
该桩型主要优点有：桩身强度高，桩身质量由制作厂商保证，沉桩质量易满足要求。现场管理容易，质量较为可靠，但根据场地地基土特点和施工环境需解决问题：本场地6a、7a、8a层为中、粗砂层，当桩端置于6a层顶面，可采用静压方式，当桩端进入该层足够深度或穿越该层时，沉桩困难大，需合理配重或采用锤击沉桩。其它地层适宜各种沉桩方式。
2.2 钻孔灌注桩
钻孔灌注桩属于非挤土桩，无振动、低噪音，成桩直径大，单桩承载力高，桩径及桩长易控制，适宜本厂区岩土工程条件及施工环境，总体对环境影响较小。但其成桩质量存在着受施工单位的施工工艺、施工设备和施工人员技术素质等因素的影响，桩底沉渣及桩侧泥皮厚度等直接影响单桩承载力。采用后压浆钻孔桩，其承载力特征值因通过设计试桩确定。该桩型经济造价相对较高。
2.3 沉管灌注桩
沉管灌注桩具有桩长控制方便、工程造价低等特点，但其单桩承载能力偏低、成桩质量相对较差、施工噪音大，一般用于低层或多层建筑。按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第3.3.2.2条规定，沉管灌注桩用于淤泥及淤泥质土层时，仅局限于多层住宅的桩基。
沉管灌注桩属于部分挤土桩，对邻近已有建构筑物造成一定的影响，因此需要采取切实有效的防护措施，如合理安排沉桩顺序、进度。
根据宁波市行业标准《宁波市建筑桩基设计与施工细则》（2001甬 DBJ02-12）第 3.2.7t条，φ377沉管灌注桩桩长不宜超过28m，单桩承载了设计值不宜超过400kN，φ426沉管灌注桩桩长不宜超过32m，单桩承载力设计值不宜超过500kN。
本场地该桩型作为不推荐桩型。
综上所述，就本场地工程地质条件与环境条件及经济造价而言，采用预制混凝土桩较适宜。
选用图集为《预应力混凝土管桩》（10G409）。
桩基础施工对周边环境影响评价：预制桩属于挤土桩，对邻近已有建构筑物造成一定的影响，因此需要采取切实有效的防护措施，如合理安排沉桩顺序、进度，如在场地内施工应力释放孔、沿场地周边开挖防震沟等，以防止发生基桩偏斜及浮桩，同时避免对邻近建筑物的影响。
若采用预制桩，桩长应按贯入度进行控制，确保桩身垂直度和接桩质量。
3 桩的计算
3.1 罐的物理数据
直径11m，高12.5m，容积1000m3。罐本体重270kN，内存溶液满载时重量为13110kN，爬梯重量为25kN。
3.2 罐的荷载计算
Q=1.2（恒荷载+爬梯恒载）+1.4（液体活载+罐顶活载）
=1.2×(470+25)+1.4×(13110+2)=18951（kN）。
3.3 风荷载计算
Wk：风荷载标准值（kN/m2）
βz：高度Z处风振系数（《建筑结构荷载规范》8.4.1条本工程不考虑）；μs：风荷载体系系数（《建筑结构荷载规范》表 8.3.1第 37项（b）采用 0.5）；μz：风压高度变化系数(《建筑结构荷载规范》8.2.1条及表8.2.1.；μz=[（1.42-1.28）/(15-10)]*(12.5-10)+1.28=1.35)W0：基本风压（kN/m2）(《建筑结构荷载规范》表E.5因台风多取100年基准为0.6)所以 Wk=0.5×1.35×0.6=0.405（kN/m2）q风=活载系数×风荷载标准值×直径q风正面=6.237(kN),q风反面=6.237(kN)，合计12.474（kN）
3.4 水平地震力计算
按《建筑抗震设计规范》4.4.1条本工程进行地震力计算；按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）式5.2.1-1
Fek=α1×Geq=0.16×（25+470+13110）=2176.8(kN)
α1：水平地震影响系数（《建筑抗震设计规范》表5.1.4-1，且乙类7度按提高1度取值为0.16）；Geq：结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值
3.5 上部覆土及承台中
承台尺寸：长12.1m，宽12m，厚0.5m，密度25kN。
Q承台及覆土重量=12×12×0.5×25=1800（kN）；竖向荷载合计：1800+18951=20751（kN）
3.6 桩基竖向承载力
由于地面下为新填土所以不考虑承台效应只计算桩的承载力。设计桩的受力形式为磨阻加端承型，持力层选定为6a层，桩的总长度为60m。桩顶标高为3.0m。
根据《预应力混凝土管桩》（10G409）7.2.1条和7.2.6条选用PHC、直径700、AB型、壁厚110的预应力桩。
3.6.1 桩的极限承载力计算
按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）
1）21孔计算
∑qsik=786.6（kN），μ=2.198，μ∑qsik=1729（kN）
hb/d=2.6/0.7＜5,所以 λp=0.16×hb/d=0.594；Aj=0.111（m2）；Ap1=0.273（m2）
桩端持力层为6a,端阻力3500kN
qpk(Aj+λpApl)=955.5（kN）。合计为 2685（kN）
2）23孔计算
∑qsik=795.3（kN），μ=2.198，μ∑qsik=1748（kN），hb/d=2.7/0.7＜5,
所以 λp=0.16×hb/d=0.594；Aj=0.111（m2）；Ap1=0.273（m2）
桩端持力层为6a,端阻力3500kN
qpk(Aj+λpApl)=955.5（kN），合计为 2703（kN）
3）25孔计算
∑qsik=750.2（kN）
μ=2.198；μ∑qsik=1648.5（kN）；hb/d=1.4/0.7＜5
所以 λp=0.16×hb/d=0.32 Aj=0.111（m2）；Ap1=0.273（m2）
桩端持力层为6a,端阻力3500kN
qpk(Aj+λpApl)=693（kN）合计为 2341（kN）
4）平均值
（2685+2703+2341）/3=2576(kN)
极差为2576-2341=235（kN），235/2576=9.1%＜30%,按照《建筑地基基础设计规范》附（GB50007-2001）录 Q0.10-6 条取平均值，为 2576（kN）
3.6.2 单桩承载力特征值
按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）
Nk＜R 5.2.1-1 式
Nk：荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，桩基和复合桩基的平均竖向力；R：桩基和复合桩基竖向承载力特征值
1）按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）
单桩竖向承载力特征值Ra应按下式确定Ra=(1/k)Quk5.2.2式
Quk：单桩竖向极限承载力标准值K：安全系数取为 2；Ra=2576/2=1288（kN）
2）求所需桩数
按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）
Nk=(Fk+Gk)/n 式5.1.1-1，及5.2.1-1反求桩数20751/1288=16.1(根)，取 18 根。
3.7 桩基水平力计算
按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）Hk=Hik/n(5.1.1-3)
1） 风荷载作用下：Hk=12.474/18=0.693(kN)；2）地震荷载作用下；Hk=2176.8/18=120.9(kN)
3.8 验算桩身承载力
桩身计算水平荷载最大值121kN，计算竖向荷载最大值2685kN。查图集《预应力混凝土管桩》（10G409）第17页PHC-700-AB-110的力学性能为：桩身受弯承载力设计值419kn/m,桩身受剪承载力设计值369kn,桩身受拉承载力设计值1306kn，轴心受压承载力设计值为5124kN。
符合要求。
由工程最终选用预应力P1+C-700-AB-110型管桩。
