Методика расчета осадки кольцевых свайных фундаментов большеобъемных резервуаров с плавающей крышей

При проектировании оснований и фундаментов для большеобъемных вертикальных стальных цилиндрических резервуаров с плавающей крышей особое внимание уделяется расчетам по деформациям. Опасность возникновения существенных неравномерных осадок по периметру резервуара может привести к развитию недопустимых напряжений в сварных соединениях стенки и днища, к возникновению крена и заклиниванию конструкции плавающей крыши.

Как показали исследования [1], наибольшие напряжения и деформации возникают в районе уторного узла резервуара на расстоянии 3 – 4 м от стенки большеобъемных емкостей (V≥10 тыс. м3). С целью обеспечения нормальной работы конструкций вертикальных стальных цилиндрических резервуаров в период эксплуатации необходимо на стадии проектирования правильно оценить величину осадки различных точек днища и стенки, а также степень неравномерности указанных перемещений.

Широко используемые в практике фундаменты стальных резервуаров представляют собой кольцевые или круглые плиты, опирающиеся на песчано-гравийные подушки или сваи. Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что устройство под стенкой резервуара жесткого монолитного железобетонного кольца позволяет снизить неравномерность осадок по периметру резервуара. Применение кольцевой свайной обоймы, в условиях слабых грунтов препятствующей выпору грунта из-под днища резервуара и ограничивающей горизонтальные перемещения грунта, также позволяет уменьшить среднюю осадку основания [2].

Расчет осадки кольцевого фундамента под стенку резервуара рекомендуется определять на базе решения осесимметричной задачи теории упругости. Для определения вертикальных компонент напряжений σz для фундаментов круглой и кольцевой формы К.Е.Егоровым [3] предложены зависимости, представленные в следующем виде:

для круглого фундамента, радиусом R (рис. 1):

где α – функция эллиптических интегралов, зависящая от соотношений 

для кольцевого фундамента с внутренним и внешним радиусами соответственно R1 и R2 (рис. 2):

где α(m,t) и β(m,t) – функции, выраженные через эллиптические интегралы, зависящие от соответствующих радиусов кольца R1 < R2 и переменных

Рис. 1. Схема к определению осадок круглого фундамента, нагруженного равномерно распределенной нагрузкой

Рис. 2. Схема к определению осадок кольцевого фундамента, нагруженного равномерно распределенной нагрузкой

Рис. 3. Ленточные свайные фундаменты с расположением свай в один ряд (а), в два ряда (б), в три ряда (в)

Проведенные в Пермском государственном техническом университете под руководством проф. А.А.Бартоломея экспериментальные исследования работы ленточных свайных фундаментов в различных грунтовых условиях позволили предложить общую методику расчета осадок таких фундаментов при расположении свай в один, два и три ряда (рис. 3) [4,5,6].

Разработанный метод учитывает такие факторы, как глубина приложения нагрузки и передача ее через боковую поверхность и в плоскости острия свай, размеры фундамента, коэффициент бокового расширения грунта, напряжения и деформации во всей активной зоне.

При анализе закономерностей передачи нагрузки сваями грунтам основания установлены следующие зависимости:

характер передачи нагрузки через боковую поверхность свай:

в плоскости острия свай:

где an, bn - безразмерные коэффициенты, зависящие от эпюр передачи нагрузки по боковой поверхности и в плоскости острия свай; Р – нагрузка на свайный фундамент, кН/м; l – длина свай, м; h – глубина расположения рассматриваемой точки, м; d0 – ширина фундамента, м, для однорядного свайного фундамента; d0=d (d – диаметр сваи), для двухрядного d0=4d, для трехрядного d0=7d; x – расстояние от рассматриваемой точки до оси фундамента; n – число рядов свай; Руд – удельная нагрузка по боковой поверхности и в плоскости острия свай, кПа.

На основе численного интегрирования А.А.Бартоломеем получена формула для определения осадки однорядных и многорядных свайных фундаментов:

где an, bn - безразмерные коэффициенты, зависящие от вида эпюр передачи нагрузки по боковой поверхности и в плоскости острия свай; 

Для практического использования формула расчета осадок приведена к виду:

где S – осадка свайного фундамента, м; Р – нагрузка на свайный фундамент, кН/м;

На основе имеющихся решений разработан алгоритм программы для расчета на компьютере осадок кольцевого свайного фундамента, который учитывает известные методы определения напряжений в активной зоне основания и методы расчета полных осадок ленточных свайных фундаментов с учетом приложения нагрузки внутри массива и вида эпюр ее передачи по боковой поверхности и в плоскости острия свай.

Идея разработки данной методики расчета основания возникла при проектировании фундаментов двух стальных цилиндрических резервуаров емкостью 50 тыс. м3 (диаметр резервуара – 60,7 м, высота – 18,0 м) с плавающей крышей для хранения нефтепродуктов на территории нефтеперерабатывающего завода в Ленинградской области. Площадка строительства резервуаров расположена на территории ранее занятой бывшими искусственными прудами различной конфигурации и глубины, засыпанных насыпным грунтом. Основные инженерно-геологические элементы, слагающие основание, представлены насыпными грунтами, верхнечетвертичными озерно-ледниковыми отложениями в виде пылеватых суглинков и супесей, верхнечетвертичными ледниковыми отложениями в виде легких и тяжелых суглинков от полутвердой до твердой консистенции, подстилаемые верхнедевонскими пылеватыми твердыми глинами. Выполненные инженерно-геологические изыскания выявили наличие линз слабого грунта под пятном строительства одного из резервуаров в виде легкого мягкопластичного суглинка и пылеватой супеси.

Предварительные расчеты позволили рекомендовать в качестве фундаментов под резервуары фундамент-отсыпку под днище и кольцевой свайный фундамент с монолитным железобетонным ленточным ростверком под стенки резервуаров.

Кольцевой свайный фундамент для резервуара, у которого отмечено согласное напластование грунтов по пятну застройки, выполнен на 6-ти метровых железобетонных сваях сечением 0,35x0,35 м с двухрядным расположением свай в ростверке. Для кольцевого фундамента резервуара, в основании которого были обнаружены линзы, использованы 9-ти метровые железобетонные сваи сечением 0,35x0,35 м с трехрядным расположением свай (рис. 4).

Рис. 4. Конструкция кольцевого свайного фундамента для резервуара, в основании которого была обнаружена линза слабого грунта

После возведения резервуаров проводились их гидравлические испытания, во время которых были установлены регулярные геодезические наблюдения за осадками емкостей. В ходе наблюдений проводилась нивелировка металлических марок, которые приваривались к стенкам резервуаров с шагом 6 м по периметру. Резервуары заполнялись водой ступенями 2,5 м; 6,0 м; 11,0 м и 17,4 м согласно технологической карте проведения гидравлических испытаний. После каждой ступени нагружения определялись высотные отметки марок и приращение деформаций. На основании полученных данных построены графики развития осадок во времени с учетом загрузки основания (рис. 5).

Рис. 5а. Графики развития осадок во времени: а) - для резервуара, основание которого представлено согласным напластованием грунтов (длина свай l=6 м);

Рис. 5. Графики развития осадок во времени: б) – для резервуара, в основании которого расположена линза слабого грунта (длина свай l=9 м).

По результатам наблюдений получены следующие результаты:

I. Для резервуара, в конструкции фундамента которого использованы 6-ти метровые сваи:

а)средняя осадка (ΔSср) конструкции по периметру при заполнении до отметки 17,4 м составила 18 мм;

б)максимальная осадка (ΔSmax) по периметру емкости  –  22 мм;

в)максимальная неравномерность осадки (ΔS) по периметру  –  11 мм.

II. Для резервуара, в конструкции фундамента которого использованы 9-ти метровые сваи:

а)средняя осадка (ΔSср) конструкции по периметру при заполнении до отметки 17,4 м составила 12 мм;

б)максимальная осадка (ΔSmax) по периметру емкости  –  16 мм;

в)максимальная неравномерность осадки ( ΔS) по периметру  –  11 мм.

Использование 9-ти метровых свай в кольцевом свайном фундаменте на неоднородном основании позволило снизить среднее значение неравномерности осадки по периметру резервуара в 1,8 раза (рис. 5, б).

Список литературы

Сотников С.Н., Мангушев Р. А. Проектирование и строительство резервуаров на слабых грунтах. // Обзорн. инф. Сер. «Нефтепромысловое строительство». – М.: ВНИИОЭНГ, 1981.

Основания и фундаменты резервуаров. / Иванов Ю. К., Коновалов П. А., Мангушев Р. А., Сотников С. Н. / Под ред. Коновалова П. А. – М.: Стройиздат, 1989.

Егоров К. Е. К расчету деформаций оснований (Сборник статей). – М.: ГУП «ВНИИНТПИ», 2002.

Бартоломей А. А. Основы расчета ленточных свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам. / М.: Стройиздат, 1982.

Мангушев Р.А., Готман А.Л., Знаменский В.В., Пономарев А.Б. СВАИ И СВАЙНЫЕ ФУНДАЕНТЫ. Конструкции, проектирование и технологии / Под. ред.чл.-корр. РААСН, д.т.н., проф. Мангушева Р.А. – М.: Изд-во АСВ, 2015. – 320 с.

Справочник геотехника. 2-е издание дополненное и переработанное// Под ред. В.А.Ильичева и Р.А.Мангушева. – М.: АСВ, 2016. – 1068 с.