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 расчетных. По форме в плане фундаменты бывают сплошные в виде плит под всем сооружением, ленточные—только под стены сооружения и столбчатые в виде отдельных опор. Выбор того или иного вида фундамента под вертикальные резервуары зависит от сопротивления грунта, могущего служить основанием, сжатию, пучинистостью грунта при сезонных промерзаниях, глубины его залегания, очертания сооружения в плане, а также от величины нагрузки и схемы передачи ее на грунты основания.
При устройстве фундамента резервуара должно быть предусмотрено проведение мероприятий по отводу грунтовых вод и атмосферных осадков из-под днища резервуара.
Все работы по устройству фундамента резервуара проводятся до начала его монтажа. Проектную отмостку основания (фундамента), фундамент под шахтную лестницу и опоры под подводящие трубопроводы рекомендуется выполнять после монтажа металлоконструкций резервуара.
В современной строительной практике используется большое количество типов фундаментов под резервуары. Выбор наиболее рационального типа зависит от объема резервуара и конкретных инженерно геологических условий. При этом характерным является стремление использовать фундаменты на естественном основании как наиболее дешевые с полным или частичным отказом от свай под днищем резервуара.
3.1. Кольцевые фундаменты
В сочетании с подсыпкой на основание часто практикуетcя фундамент под стенку. Так, в соответствии с ГОСТ 52910-2008 «…в качестве фундамента резервуара может быть использована грунтовая подушка (с железобетонным кольцом под стенкой и без него. Для резервуаров объемом 2000 м3 и более под стенкой резервуара устанавливают железобетонное фундаментное кольцо шириной не менее 0,8 м для резервуаров объемом не более 3000 м3 и не менее 1,0 м – для резервуаров объемом более 3000 м3. Толщина кольца принимается не менее 0,3 м.
При этом, исходя из практического опыта, такая конструкция фундамента обеспечивает устойчивость только прифундаментного слоя (подсыпки), практически не увеличивая жесткости узла сопряжения днища со стенкой. Также данная конструкция не влияет на неравномерность осадки основания резервуара.
В определенных условиях эффективен фундамент в виде кольцевой стенки, которая, прорезая слабые верхние слои грунта основания, может передать нагрузку на подстилающие плотные слои.
Также по требованию ГОСТ для площадок строительства с расчетной сейсмичностью 7 баллов и более фундаментное кольцо устраивают для всех резервуаров, независимо от объема, шириной не менее 1,5 м, а толщину кольца принимают не менее 0,4 м.
Фундаментное кольцо рассчитывают на основное, а для площадок строительства с сейсмичностью 7 баллов и более – также на особое сочетание нагрузок.
Существует практика совместно с подсыпками использовать кольцевые фундаменты из гравия или щебня, железобетонные кольцевые фундаменты, расположенные непосредственно под стенкой, а также фундаменты в виде железобетонной подпорной стенки, находящейся за пределами резервуара (рис 2).
При устройстве кольца в виде подпорной стенки подсыпка выполняется из песчанно-гравийной смеси или гравия.
Железобетонные фундаменты выполняют из монолитного железобетона, а поперечному сечению придают прямоугольную форму.
Также практикуется конструкция фундамента резервуара на естественном основании со щебеночным кольцом под стенкой. Такой фундамент эффективен при ожидаемой осадке не более 15 см. Его особенность состоит в том, что непосредственно под стенкой используется не песок, а щебень для создания щебеночной или гравийной насыпи высотой не менее 60 см, шириной по верху 1-2 м. (См. рис 3.).
Щебень укладывают слоями по 20 см и тщательно трамбуют. Непосредственно под днищем по всей его плоскости устраивают щебеночный слой (6) толщиной не менее 10 см и дополнительно закладывают дренажные трубки диаметром около 9 см.
Для широких резервуаров применяют следующие конструкции: под днищем устанавливают песчаный фундамент-подсыпку, а под стенкой – либо железобетонный, либо щебеночный кольцевой фундамент (в зависимости от грунтовых условий)
Подсыпку под стенку с внешней стороны фундамента устанавливают с пологим откосом 1:5, который в нижней части поддерживается подпорной стенкой.
Насыпь оборудуют дренажными трубками и защищают асфальтовым покрытием.
Между днищем и железобетонной поверхностью железобетонного кольцевого фундамента имеется амортизационный асфальтовый слой толщиной не менее 20 см.
Для больших резервуаров с целью повышения безопасности постоянно разрабатываются дополнительные меры укрепления фундамента.
Песчано-гравийную подушку покрывают смесью песка, щебня, асфальтовой эмульсии и цемента, затем уплотняют укатыванием. Получившаяся поверхность, в результате, снимает часть нагрузки с подушки и передает ее на железобетонное кольцо.
Также устраивают фундаменты в виде железобетонных плит. В этих случаях резервуар опираются на железобетонную плиту, установленную либо на поверхности основания, либо ниже планировочной отметки. Железобетонная стенка по периметру плиты заглубляется ниже ее подошвы и служит для снижения бокового перемещения грунта.
3.2. Свайные фундаменты
3.2.1. Традиционный подход к устройству свайных фундаментов
Такой тип фундамента достаточно часто применяется на площадках, сложенных слабыми грунтами. Опыт строительства других промышленных и гражданских объектов показывает, что при помощи свай во многих случаях удается добиться допустимого уровня осадки сооружения.
Однако опыт устройства свайных фундаментов в резервуаростроении показывает, что не всегда удается добиться желаемого результата. При этом данный тип фундамента весьма затратен и, по уровню капиталовложений, приближается к стоимости самих металлоконструкций.
Неоднократно зафиксированы случаи, когда при гидроиспытаниях смонтированного на свайном фундаменте резервуара осадка его основания превышала проектную и составляла до половины величины осадки, предусмотренной на весь срок службы резервуара.
Неэффективность применения свайных фундаментов в резервуаростроении может быть объяснена тем обстоятельством, что при больших размерах фундаментов в плане сваи, длина которых составляет обычно 0,25 диаметра резервуара и менее, оказываются в зоне действия наибольших вертикальных напряжений в основании резервуара. Поэтому некоторое уменьшение напряжений за счет увеличения глубины заложения условного фундамента мало сказывается на осадке такого фундамента.
Применение свайных фундаментов может оказаться даже опасным в тех случаях, когда на больших глубинах в основании резервуаров находятся слои более сжимаемых грунтов. Обнаружить такие слои
не всегда возможно из-за технических трудностей, связанных с бурением и отбором образцов грунта с больших глубин.
Обычно специалисты полагают, что свайный фундамент с монолитным ростверком представляет собой довольно жесткую конструкцию. Данные, полученные в результате наблюдения за осадками резервуаров на свайных фундаментах, убедительно опровергают такую точку зрения.
3.2.2. Фундаменты с забивкой свай под всем днищем и железобетонным ростверком
Многолетней практикой строительства резервуаров на слабых водонасыщенных грунтах выработано несколько эффективных мероприятий по подготовке будущих оснований к строительству. Основная цель этих мероприятий – уплотнение слабых грунтов до начала строительства с целью улучшения их физико-механических характеристик.
Для этих целей используются призматические забивные сваи различной длины и сечения в сочетании с ростверками и плитами. При этом сваи, как правило, забиваются под всем днищем в виде сплошного свайного поля с расстоянием между сваями 1 м.
Фундаменты с забивкой свай под всем днищем и промежуточной подушкой
Также применяются фундаменты, в которых вместо железобетонного покрытия служит слой щебня или гранулированного материала, положенный поверх свай.
3.2.3 Кольцевой свайный фундамент
Также эффективным решением для устройства фундамента резервуаров на площадках со слабыми грунтами является кольцевой свайный фундамент. На рис. 8 показан его узел и общий вид.
Кольцевой монолитный железобетонный фундамент, воспринимающий нагрузку от стенки резервуара и передает эту нагрузку на плотные малосжимаемые грунты через:
- щебеночную подушку,
- бетонную подготовку,
- монолитный железобетонный ростверк,
- жестко заделанные в нем сваи расположенные в два ряда
Такой конструкцией достигается уменьшение неравномерности осадки основания под стенкой резервуара.
3.2.4. Кольцевой свайный фундамент со смещением:
Как усовершенствованный вариант кольцевого свайного фундамента применяется смещенный фундамент под резервуары.
Часто одним из решений проблемы осадок резервуара является смещение монолитного железобетонного кольца и кольцевого свайного фундамент относительно стенки резервуара. Величины, на которые осуществляется смещение определяются в зависимости от локальных характеристик грунтового основания, нагрузок от конструкции и количества рядов свай в ростверке
В результате такого решения могут быть существенно снижены неравномерности осадок по периметру емкости и всего сооружения в целом в период его эксплуатации.
Работа по возведению такого фундамента осуществляется следующим образом: производится планировка грунтового основания, затем забиваются сваи до проектной отметки, расположение которых определятся в зависимости от локальных характеристик грунтового основания, нагрузок от конструкции и количества рядов свай в ростверке. По оголовкам свай устраивается монолитный железобетонный кольцевой ростверк, производится отсыпка щебеночной подушки, поверх которой бетонируется монолитное железобетонное кольцо. Выполняются планировка и отсыпка песчаной подушки под днище емкости, после чего осуществляется монтаж металлических конструкций резервуара.
3.3. Конструкции фундаментов для строительства резервуаров в сложных геологических условиях:
3.3.1. Железобетонный усиленный ленточный фундамент
При большой толще слабых грунтов для предотвращения значительных неравномерных осадок естественных оснований целесообразно увеличивать жесткость кольцевого фундамента. С этой целью может быть использован массивный ленточный железобетонный фундамент под стенку резервуара, который обеспечивает достаточную жесткость конструкций по окружности.
Высота фундамента под резервуары определяется из условия заглубления подошвы ниже границы сезонного промерзания грунта. Для уменьшения высоты фундамента целесообразно над ним устраивать промежуточную щебеночную подушку, обеспечивающую передачу нагрузки от резервуара на фундамент. Так как нагрузка на такой фундамент мала, то площадь его поперечного сечения может быть сравнительно небольшой. По сторонам фундамент обсыпают непучинистым материалом.
При развитии больших неравномерных осадок по контуру такой фундамент дает возможность выровнять край резервуара. С этой целью под просевшей частью резервуара в щебеночной подушке выполняют приямок и устанавливают подъемное устройство (например, домкрат), опирающийся на железобетонный фундамент. После подъема края резервуара на необходимую отметку подъемное устройство снимают и приямок засыпают.
Использование сборных железобетонных элементов позволяет снизить объем мокрых процессов при производстве работ и значительно повысить производительность труда на работах нулевого цикла.
3.3.2. Железобетонное кольцо по внешнему контуру стенки
При заполнении резервуаров больших объемов в месте примыкания стенок к днищу возникает узловой момент, достигающий значительной величины и влияющий на напряженно – деформированное состояние днища и основания под ним. Для уменьшения крутящего момента и увеличения жесткости узла «стенка—днище» предложено применять железобетонное кольцо, устроенное по внешнему контуру стенки резервуара совместно с металлическими ребрами жесткости в виде раскосов. Число раскосов определяется конструктивно или расчетом в зависимости от объема резервуара.
3.4. Свайные фундаменты резервуаров в сейсмичных районах
Свайные фундаменты в сейсмических районах имеют такую же область применения, как и при отсутствии сейсмики. При их проектировании и расчете должны выполняться требования СП 50-102-3003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов», в частности раздела 12 «Особенности и проектирования свайных фундаментов в сейсмических районах» и приложения Д «Расчет свай на совместное действие вертикальной и горизонтальной сил и момента».
Нижние концы свай следует опирать на скальные грунты, крупнообломочные грунты, плотные и средней плотности песчаные грунты, твердые, полутвердые и тугопластичные глинистые грунты. Опирание нижних концов свай в сейсмических районах на рыхлые водонасыщенные пески, глинистые грунты мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции не допускается.
Опирание свай на наклонные пласты скальных и крупнообломочных по род допускается в том случае, если устойчивость при сейсмических воздействиях массива грунта, расположенного на указанных породах, обеспечивается не за счет свайного фундамента и если при этом исключается возможность проскальзывания нижних концов свай.
Допускается опирание свай на плотные и средней плотности водонасыщенные пески, при этом их несущая способность, как правило, должна определяться по результатам полевых испытаний свай на имитированные сейсмические воздействия. Величина заглубления в грунт свай в сейсмических районах должна быть не менее 4 м, за исключением случаев их опирания на скальные грунты.
Набивные сваи в сейсмических районах следует устраивать в маловлажных устойчивых связных грунтах при диаметре свай не менее 40 см и отношении их длины к диаметру не более 25, при этом необходимо вести строгий контроль качества изготовления свай.
Как исключение, допускается прорезание слоев водонасыщенньих грунтов с применением извлекаемых обсадных труб и глинистого раствора. В структурно-неустойчивых грунтах применять набивные сваи можно только с обсадными трубами, оставляемыми в грунте. Армирование набивных свай в сейсмических районах является обязательным, при этом процент армирования должен приниматься не менее 0,05.
Расчет свайных фундаментов под вертикальные резервуары на сейсмические воздействия производится по предельным состояниям первой группы и предусматривает:
- определение несущей способности свай по отношению к вертикальной нагрузке;
- проверку свай по сопротивлению материала на совместное действие расчетных усилий нормальной силы изгибающего момента и перерезывающей силы;
- проверку устойчивости свай по условию ограничения давления, передаваемого на грунт боковыми гранями сваи.
При проверке устойчивости грунта, окружающего сваю, расчетное значение угла внутреннего трения принимается уменьшенным на следующие величины:
- для сейсмичности 7 баллов на 2 градуса,
- для сейсмичности 8 баллов — 4 градуса,
- для сейсмичности 9 баллов — на 7 градусов.
Для фундаментов с высоким свайным ростверком расчетные значения сейсмических сил следует определять как для зданий или сооружений с гибкой нижней частью, увеличивая коэффициент динамичности в 1,5 раза в тех случаях, когда период собственных колебаний основного тона составляет 0,4 и более.
При соответствующем технико-экономическом обосновании возможно применение свайных фундаментов с промежуточной подушкой из сыпучих материалов — щебня, гравия, крупного песка. При этом практически исключается передача на сваю горизонтальных нагрузок от колеблющегося сооружения, поэтому расчет на горизонтальные сейсмические нагрузки не производится, а конструкция свай принимается такой же, как и для несейсмических районов.
Фундаментный блок, установленный на промежуточную подушку, рассчитывается как ростверк обычного свайного фундамента в соответствии с нормами проектирования бетонных и железобетонных конструкций. Для увеличения площади контакта рекомендуется устраивать на сваях железобетонные оголовки.
Свайные фундаменты с промежуточной подушкой, применяемые в сейсмических районах, должны также отвечать требованиям расчета по деформациям. Промежуточная подушка должна отсыпаться слоями не более 20 см с уплотнением до объемного веса не менее 1,9 тс/куб. м. Толщина промежуточной подушки над оголовками свай зависит от расчетной нагрузки и составляет 40—6О см.
Расчеты свайных фундаментов с учетом сейсмических воздействий в просадочных грунтах в случае возможности подъема уровня грунтовых вод должны производиться с использованием характеристик грунта в замоченном состоянии.
