沿海地区储罐高承台桩基基础的设计

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。