Фундаменты и основания под резервуары


Основания под резервуары

Основание стоит рассматривать совместно с проектируемым сооружением, так как под воздействием веса сооружения и других всевозможных эксплуатационных воздействий грунты основания испытывают дополнительное давление, деформируются (уплотняются, оседают) и в свою очередь оказывают воздействие на сооружение.

Виды основания под резервуары

  • естественные — грунты которых находятся под подошвой фундамента в их природном залегании.
  • естественные с подсыпкой;
  • искусственные

Естественные основания

Естественные основания под резервуары — грунты которых находятся под подошвой фундамента в их природном залегании. Грунты под естественные основания должны обладать достаточным сопротивлением сжатию, а конкретнее грунты должны обладать следующими свойствами:

  • малой и равномерной сжимаемостью, то есть большой плотностью, обеспечивающей малую и равномерную осадку сооружения;
  • нерастворяемостью грунтовыми, дождевыми и талыми водами.

В процессе эксплуатации резервуара по мере уплотнения грунтов его основания происходит осадка фундамента. С целью выяснить степень влияния осадок на сооружение производится расчет оснований и фундаментов. Расчет основания резервуара заключается в вычислении давлений (напряжений) на грунты под подошвой фундамента и величин осадок грунтов основания, возможных при этих давлениях. При получении недопустимых величин осадок принимают соответствующие меры с целью уменьшения напряжений и ограничению осадок до допускаемых пределов. Последнее может быть достигнуто уширением подошвы фундамента или переходом к искусственному основанию.

Естественные основания с подсыпкой — переходная конструкция между естественными и искусственными основаниями (естественное основание с песчаной или грунтовой подушкой, выполняемой в виде подсыпки на основание).

Типовые основания резервуаров

Насыпь

Типовое основание под резервуар - насыпь

 

Насыпь в сочетании с песчаной подушкой

  1. Щебеночная или песчаная насыпь
  2. Песчаная подушка
  3. Слабый грунт

насыпь в сочетании с песчаной подушкой

 

Железобетонное кольцо под стенкой

  1. Щебеночная или песчаная насыпь
  2. Железобетонное кольцо
  3. Стенка РВС
  4. Днище РВС

железобетонное кольцо под стенкой

 

 

Подсыпка на основание выполняет следующие функции:

  • распределить давление от металлоконструкций резервуара на основание;
  • осуществить дренаж днища;
  • обеспечить антикоррозийную защиту днища.

Для подсыпки используют следующие материалы:

  • уплотненный крупный песок;
  • щебень;
  • гравий;
  • гравийно-песчаную смесь.

 

Для обеспечения антикоррозионной защиты резервуара, особенно днища, по верху подсыпки укладывают гидрофобный слой с добавлением вяжущих на основе нефтепродуктов. Как правило, применяется высота подсыпки 0,2 – 2,5 м. Эта величина зависит от результатов инженерно-геологических изысканий площадки строительства.

 

Поверхность подсыпки обычно устраивают так, чтобы она имела уклон от центра к периферии. Это обеспечивает компенсацию неравномерных осадок резервуара, а также облегчает приток хранимого продукта к откачивающим устройствам. На практике осадка днища резервуара может достигать 2 м, именно поэтому подъем центральной части днища может стать ключевым условием длительной работоспособности конструкции. В случае если на площадке строительства на небольшую глубину (до 3 м) залегают слабые или пучинистые грунты (в районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов), практикуется их замена с местным уплотнением песчаным или глинистым грунтом, часто привозным. При более обширном слое залегания слабых грунтов такой метод зачастую экономически неэффективен в силу возрастания текущих расходов на выравнивание резервуаров, установленных таким способом.

 

Искусственные основания

 

  • искусственно упрочненные грунты основания (путем уплотнения, химического закрепления или забивки бетонных или песчаных свай);
  • свайные основания и фундаменты глубокого заложения, передающие нагрузку от сооружения на более прочные грунты, залегающие на большей глубине от поверхности земли;

 

Искусственные основания под слабые грунты

 

  • Для просадочных грунтов предусматривают устранение просадочных свойств в пределах всей просадочной толщи или устройство свайных фундаментов, полностью прорезающих просадочную толщу.
  • Для набухающих грунтов, в случае если расчетные деформации основания превышают предельные, предусматривают проведение следующих мероприятий:
    • полная или частичная замена слоя набухающего грунта не набухающим;
    • применение компенсирующих песчаных подушек;
    • устройство свайных фундаментов.
  • На водонасыщенных пылевато-глинистых, биогенных грунтах и илах, в случае если расчетные деформации основания превышают допустимые, должно предусматриваться проведение следующих мероприятий:
    • устройство свайных фундаментов;
    • для биогенных грунтов и илов – полная или частичная замена их песком, щебнем, гравием и т.д.;
    • предпостроечное уплотнение грунтов временной пригрузкой основания (допустимо проведение уплотнения грунтов временной нагрузкой в период гидроиспытания резервуаров по специальной программе).
  • На подрабатываемых территориях, в случае если расчетные деформации основания превышают допустимые, должно предусматриваться проведение следующих мероприятий:
    • устройство сплошной железобетонной плиты со швом скольжения между днищем резервуара и верхом плиты;
    • применение гибких соединений (компенсационных систем) в узлах подключения трубопроводов;
    • устройство приспособлений для выравнивания резервуаров.
  • На закарстованных территориях, предусматривают проведение следующих мероприятий, исключающих возможность образования карстовых деформаций:
    • заполнение карстовых полостей;
    • прорезка карстовых пород глубокими фундаментами;
    • закрепление закарстованных пород и (или) вышележащих грунтов.

Размещение резервуаров в зонах активных карстовых процессов не допускается.

 

При применении свайных фундаментов концы свай заглубляют в малосжимаемые грунты и обеспечивают требования к предельным деформациям резервуаров. Свайное основание может быть как под всей площадью резервуара – «свайное поле», так и «кольцевым» – под стенкой резервуара. Если применение данных мероприятий не исключает возможность превышения предельных деформаций основания или в случае нецелесообразности их применения, предусматривают специальные устройства (компенсаторы) в узлах подключения трубопроводов, обеспечивающие прочность и надежность узлов при осадках резервуаров, а также устройство для выравнивания резервуаров. При строительстве в районах распространения многолетнемерзлых грунтов при использовании грунтов основания по первому принципу (с сохранением грунтов в мерзлом состоянии в период строительства и эксплуатации) предусматривают их защиту от воздействия положительных температур хранимого в резервуарах продукта. Это достигается устройством проветриваемого подполья («высокий ростверк») или применением теплоизоляционных материалов в сочетании с принудительным охлаждением грунтов – «термостабилизацией».

 

Методы укрепления грунта основания

 

При строительстве резервуаров на площадках, сложенных мощной толщей слабых грунтов, возникают значительные неравномерные осадки основания, что существенно влияет на дальнейшую эксплуатацию резервуаров. Поэтому при строительстве резервуаров на слабых грунтах применяют специальные подготовки основания.

 

Грунтовые подушки должны выполняться из послойно уплотненного при оптимальной влажности грунта, модуль деформации которого после уплотнения должен быть не менее 15 МПа, коэффициент уплотнения – не менее 0,90.

 

Уклон откоса грунтовой подушки следует выполнять не более 1:1,5. Ширина горизонтальной части поверхности подушки за пределами окрайки должна быть:

  • 0,7 м. – для резервуаров объемом не более 1000 м3;
  • 1,0 м. – для резервуаров объемом более 1000 м3;
  • 1,0 м. – независимо от объема, для площадок строительства с расчетной сейсмичностью 7 и более баллов.

Поверхность подушки за пределами периметра резервуара (горизонтальная и наклонная части) должна быть защищена отмосткой. Применяются разнообразные методы укрепления грунта основания (без его замены).

 

Существующие методы:

  • Метод предварительного наполнения резервуара
  • Метод уплотнения основания глубинным водопонижением
  • Метод уплотнения основания насыпью
  • Метод уплотнения тяжелыми трамбовками
  • Метод химического и термического закрепления грунта

 

Геологические и гидрогеологические исследования перед проектированием оснований и фундаментов резервуаров

При проектировании фундамента цилиндрического резервуара необходимо изучить геологическое строение площадки, отведенной под застройку, и гидрогеологические условия.

Глубина разведки грунтов, расположенных ниже подошвы фундамента, зависит от давления, передаваемого сооружением на основании, и принимается равной или более глубины активной зоны основания (сжимаемой толщи грунтов основания).

Разведка грунтов производится шурфованием и бурением.

  • Шурф (нем. Schurf) – это вертикальная либо наклонная горная выработка глубиной до 40 м, которая проходится с поверхности земли для разведки полезных ископаемых, вентиляции, водоотлива, транспортирования материалов, спуска и подъема людей и т.д. Площадь поперечного сечения шурфа от 0,8 до 4 м2. Форма поперечного сечения шурфа может быть круглой, прямоугольной или квадратной.
  • Бурение скважин – это процесс сооружения направленной горной выработки большой длины и малого диаметра. Начало скважины от поверхности земли называют устьем, дно – забоем.

Преимущества шурфования перед бурением заключаются в том, что образцы грунтов, взятые из шурфа, имеют ненарушенную структуру; по стенкам шурфа устанавливается род грунтов, мощность каждого пласта и их напластование, а на дне шурфа производится испытание сопротивления грунтов сжатию.

Объем и характер исследования грунтов зависят от монументальности сооружения, рода и напластования грунтов и уровня грунтовых вод.

При исследовании бурением в ответственных местах закладываются шурфы, и проверяется сопротивление грунтов основания сжатию пробными нагрузками.

Месторасположение и число шурфов или скважин в каждом отдельном случае назначаются в соответствии с очертанием и размерами сооружения в плане и степенью однородности грунтов.

Обычно шурфы или скважины закладываются вблизи периметра сооружения и наиболее ответственных его частей. В плане строительного участка шурфы или скважины должны образовать сетку со средними расстояниями в 25–30 м. Более детальная разведка производится в пределах сооружения.

По данным исследования составляются план и геологические разрезы участка с обозначением рода грунта, напластования и уровня грунтовых вод. На основании физико-механических характеристик устанавливаются расчетные сопротивления грунтов, целесообразность использования площадки под строительство и род фундаментов под резервуары.

Вообще, в процессе изысканий собираются следующие сведения о грунтах и грунтовых водах:

  • литологические колонки;
  • физико-механические характеристики грунтов (плотность грунтов ρ, удельное сцепление грунтов с, угол внутреннего трения φ, модуль деформации Е, коэффициент пористости е, показатель текучести IL и др.);
  • расчетный уровень грунтовых вод.

Число геологических выработок (скважин) определяется площадью резервуара и должно быть не менее четырех (одна – в центре и три – в районе стенки, т. е. 0,9-1,2 радиуса резервуара).

В дополнение к скважинам допускается исследование грунтов методом статического зондирования.

При проведении инженерных изысканий следует предусматривать исследование грунтов на глубину активной зоны (ориентировочно 0,4-0,7 диаметра резервуара) в центральной части резервуара и не менее 0,7 активной зоны – в области стенки резервуара. При свайных фундаментах – на глубину активной зоны ниже подошвы условного фундамента (острия свай).

Для районов распространения многолетнемерзлых грунтов проводятся инженерно-геокриологических изыскания. Данные изыскания должны обеспечить получение сведений о составе, состоянии и свойствах мерзлых и оттаивающих грунтов, криогенных процессов и образованиях, включая прогнозы изменения инженерно-геокриологических условий проектируемых резервуаров с геологической средой.

 

Фундаменты под резервуары

 

Фундамент — это часть сооружения, передающая нагрузку от веса сооружения на грунты основания и распределяющая эту нагрузку на такую площадь основания, при которой давления по подошве не превышают расчетные. В зависимости от формы фундаменты подразделяются на:

  • сплошные, в виде плит под всем сооружением;
  • ленточные, расположенные только под стеной сооружения;
  • столбчатые в виде отдельных опор.

Выбор типа фундамента под резервуар зависит от многих факторов, самым важным, конечно является грунт, его характеристики (сжатие, пучинистость при сезонном промерзании, глубине залегания и пр.), от объема резервуара, а так же от величины нагрузок который будет передаваться на грунт. Наиболее рационально использовать фундаменты на естественном основании, по причине того, что этот способ наиболее дешевый, с полным или частичным отказом от свай под днищем резервуара. Перед строительством фундамента необходимо произвести отвод грунтовых вод и осадков из-под днища резервуара. Все работы по устройству фундамента под резервуар проводятся до начала его монтажа. Проектную отмостку основания (фундамента), фундамент под шахтную лестницу и опоры под подводящие трубопроводы рекомендуется выполнять после монтажа металлоконструкций резервуара.