CN102677692B - 一种大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法，包括以下步骤：1）确定待制作桩基础所需承受的总载荷；2）选择桩型；3）灌注前对桩的混凝土保护层厚度进行校核；4）初步得到桩数；5）确定布桩原则；6）确定实际桩数所满足的安全条件；7）在各工况下计算并校核单桩的竖向承载力；8）在各工况下计算并校核单桩的水平承载力；9）对承受抗拔力的桩进行抗拔验算；10）根据实际工程地质类型，分别计算摩擦桩和嵌岩桩的储罐基础沉降量，与实际工程要求规定的沉降量值进行比较；11）根据桩身内力公式对摩擦桩和嵌岩桩分别进行配筋计算，得到单桩的钢筋配筋面积A_s，并进一步得到单桩所需的钢筋数量；12）根据桩数和配筋面积进行布桩，完成基础桩的制作。本发明可以广泛应用于大型液化天然气全容储罐桩基础的制作中。

Description

一种大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法

技术领域

本发明涉及一种桩基础的制作方法，特别是关于一种大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法。

背景技术

液化天然气(LNG)是天然气在常压下冷却至-162℃时，由气态转变为液态，体积约为同量天然气体积的1/600，密度约为450kg/m³。液化天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，泄露后可以直接蒸发。

储罐桩基础制作是储罐建造的重要组成部分，它的制作优化是储罐建造工作的重点和难点，现在很多城市都展开了陆上液化天然气接收站的建设，但是现有技术中对于大型液化天然气全容储罐桩基础的选型依据、桩数确定、安全设计优化等关键问题的研究仍然还不是很清楚，没有完整的桩基础制作理论，尤其是针对嵌岩桩的制作方法，目前国内、国外的理论研究存在技术空白，因此迫切需要开发一种适用于大型液化天然气储罐的新型桩基础的制作方法，这对于保证液化天然气储罐的结构安全性、降低工程造价、节省工期都有着非常重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种工程造价低且能够有效保证储罐结构安全性的大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：1、一种大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法，包括以下步骤：1）根据实际所需承载的大型液化天然气全容储罐的重量和外部条件，确定待制作桩基础所需承受的总载荷；2）选择桩型，并根据所选择桩的桩径和入岩深度确定单桩所能承受的载荷；3）灌注前对桩的混凝土保护层厚度进行校核，以保证桩内钢筋不被腐蚀；4）利用桩基础所承受的总载荷除以单桩所能承受的载荷初步得到桩数；5）确定布桩原则；6）确定实际桩数所满足的安全条件式中，n为桩数，μ为安全系数，V₀为总竖向力，R_ad为液化天然气全容储罐单桩竖向承载力特征值；7）在各工况下计算并校核单桩的竖向承载力，当计算得到的单桩竖向承载力小于单桩承载力特征值时：V_d1,V_d2<R_ad，认为此桩竖向承载在结构上是安全的，则进入步骤8）；如果单桩竖向承载力不满足验算要求，则返回步骤6）增大安全系数，重新确定桩数，直到单桩竖向承载力满足验算要求，其中，V_d1和V_d2为单桩竖向力，R_ad为液化天然气全容储罐单桩竖向承载力特征值；8）在各工况下计算并校核单桩的水平承载力，当γ₀H_i＜η_hR_ha，认为单桩水平承载力满足验算要求，进入步骤9），如果单桩水平承载力不满足验算要求，则返回步骤6）增大安全系数，重新确定桩数，直到单桩水平承载力满足验算要求，其中，γ₀H_i是计算得到单桩所受到的水平力，η_hR_ha是桩本身所具有的水平承载力；9）对承受抗拔力的桩进行抗拔验算，如果抗拔验算不满足要求，则返回步骤6），增大安全系数，重新调整桩数，直到满足验算要求，则进入步骤10）；10）根据实际工程地质类型，分别计算摩擦桩和嵌岩桩的储罐基础沉降量，与实际工程要求规定的沉降量值进行比较，若大于规定的沉降量值，则返回步骤6）增大安全系数，重新确定桩数，直到摩擦桩和嵌岩桩的储罐基础沉降量满足验算要求，进入步骤11）；11）根据桩身内力公式对摩擦桩和嵌岩桩分别进行配筋计算，得到单桩的钢筋配筋面积A_s，并进一步得到单桩所需的钢筋数量，其中，A_s是通过求解得到，式中，M是桩身弯矩，f_c为混凝土抗压强度设计值，f_y为纵向钢筋抗拉强度设计值，r为桩截面半径，r_s为纵向钢筋重心所在圆周的半径，α为对应于受压区混凝土截面面积的圆心角与2π的比值，α₁为系数，α_t为纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值；12）根据桩数和配筋面积进行布桩，完成基础桩的制作。

所述步骤5）确定布桩原则包括布桩形状和桩距，其中，布桩形状是将储罐最外两圈或三圈桩环形布置，内部桩十字型布置，群桩绕中心对称布置；桩距在储罐承台半径为R_c的储罐承台内按照S_a进行布桩，n为桩数，储罐承台面积 $A_c=\frac{\mathrm{\&pi;}{R}_c^2}{4}.$

所述步骤7）中单桩竖向力为：V_d1,V_d2＝V₀/n±{M₀+(1+β×h)/(2×β)×H₀}/Z_G，式中，V₀为总竖向力，n为桩数，M₀为弯矩，H₀为水平力，β为桩特征值，h为底板架空高度，Z_G为群桩截面模量，其中，d为桩的直径，E为桩的竖向弹性模量，I为桩截面惯性矩，k_h为地基土水平反力系数；R_i是第i根桩离群桩中心的距离，R_max是最外圈桩离群桩中心的距离。

所述弯矩M₀包括两种情况：基于OBE情况的总弯矩M_0，OBE和基于SSE情况的总弯矩V_0，SSE；其中，M_0,OBE＝M_1,OBE+M_2,OBE+M_3,OBE+M_内，OBE，式中，M_1,OBE为底板弯矩，M_2，OBE为外墙弯矩，M_3，OBE为混凝土顶弯矩，M_3,OBE为混凝土顶弯矩，M_内,OBE为内罐弯矩；V_0，SSE＝V_1,SSE+V_2,SSE+V_3,SSE+V_内,SSE，V_1，SSE为底板竖向力，V_2，SSE为外墙竖向力，V_3，SSE为混凝土顶竖向力，V_内，SSE为内罐竖向力。

所述步骤10）中嵌岩桩的储罐基础沉降量为：

$S=(\mathrm{\&sigma;}-q_{\mathrm{st}}\frac{4\mathrm{\&zeta;}{H}_t}{d})(\frac{1}{K_2}+\frac{H_t}{E_c})$

$\mathrm{\&sigma;}=V_{d1}/(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\&CenterDot;d^2)$

式中，S为桩顶沉降；σ为桩顶应力；q_st为桩侧土层标准侧摩阻力；ζ为土层侧摩阻力系数；E_c为桩身混凝土弹性模量；H_t为上覆土层深度；d为桩的直径；K₂为嵌岩段刚度系数，其中，ζ与上覆土层深度关系为：ζ＝1.3445-0.01975Ht，K₂与嵌岩深度关系为：K₂＝(0.2114H_w/d-0.09711)/d。

所述步骤11）中摩擦桩的配筋面积A_s计算中，其中，K＝ab₁mz，a是各土层厚度；b₁是桩的计算宽度；m是地基土的比例系数；z是各土层中点距地面的距离，l为桩长，H是桩顶水平荷载；嵌岩桩的配筋计算中，M＝0.0655f_rkd·(0.7h)²，式中，f_rk是岩石饱和单轴抗压强度标准值，h是桩入岩深度，d是桩径。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的制作方法包括桩型选择、桩数确定、桩竖向承载力计算及校核、桩水平承载力验算、桩抗拔验算、桩基础沉降验算和桩配筋计算，涵盖了大型液化天然气全容储罐桩基础设计的全部内容，因此能够有效保证储罐结构安全性。2、本发明基于地震反应谱设法方法，应用了SSE（安全停运地震）和OBE（操作基准地震）的地震设计理念，并在桩承载力计算及校核中分别针对SSE和OBE两种情况分别对单桩竖向力、水平力和弯矩进行计算，并将实际工程经验设计方法融入了本发明的制作中，不仅使得计算结果更准确、而且更符合实际工程的需要。3、本发明分别对嵌岩桩进行沉降验算和配筋计算，解决了目前嵌岩桩制作空白的问题，为今后在不同地质条件下建设大型液化天然气全容储罐桩提供了依据。本发明可以广泛应用于大型液化天然气全容储罐桩基础的制作中。

附图说明

图1是本发明制作方法流程示意图；

图2是本发明的单桩内力计算实施例示意图，其中桩与上部储罐之间的连接设置为固定连接，将土层对桩的水平约束和竖向约束简化为非线性弹簧单元，同时在桩头施加水平荷载和竖向荷载；

图3是本发明的单桩弯矩计算过程示意图，对图2的计算模型进行了参数化的定义，其中，M_i为桩头弯矩，H_i为桩头水平荷载，V_i为桩头竖向荷载，K_i为土层弹簧刚度；

图4是本发明嵌岩桩沉降曲线后段拟合示意图，横坐标表示桩顶荷载，纵坐标表示桩顶沉降，实线为桩顶沉降曲线，虚线为桩顶沉降拟合直线；

图5是本发明的土层侧摩阻力系数与上覆土层深度关系数据拟合示意图，其中，横坐标为上覆土层深度H_t，纵坐标为土层侧摩阻力系数ζ，黑点为实际试验数据点，直线是所有实验数据拟合而成；

图6是本发明的嵌岩段刚度系数与嵌岩深度关系示意图，横坐标为嵌岩深度与桩身直径的比值H_w/d，纵坐标为嵌岩段刚度系数与桩身直径的乘积K₂d，黑点为实际试验数据点，直线是所有试验数据拟合而成；

图7是本发明的桩截面配筋示意图，阴影部分是桩截面的受压区范围，空心圆圈是纵向钢筋，r为桩截面半径，r_s为纵向钢筋中心所在圆周的半径，α为对应于受压区范围混凝土截面面积的圆心角（rad）与2π的比值，πα为对应于受压区范围混凝土截面面积的圆心角（rad）的1/2，α_t为纵向受拉区范围钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，πα_t为纵向受拉区范围钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值的π倍。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法，包括以下步骤：

1、根据实际所需承载的大型液化天然气全容储罐的重量和外部条件，确定待制作的桩基础所需要承载的总载荷，其中外部条件包括地震作用和风力等因素。

2、选择桩型，并根据所选择桩的桩径和入岩深度确定单桩所能承受的载荷。

由于大型液化天然气全容储罐与一般民用建筑不同，通常是选取钢筋混凝土钻孔灌注桩，入岩深度约为1倍桩径，桩径通常选择1.0m、1.2m和1.5m。

3、灌注前对桩的混凝土保护层厚度进行校核，以保证桩内钢筋不被腐蚀。

由于大型液化天然气全容储罐一般建在海边，因此灌注前需要对桩的混凝土保护层厚度进行校核，以保证桩内钢筋不被腐蚀（具体的校核过程可以根据《混凝土设计规范》进行校核）。

4、初步确定桩数，即利用桩基础所承受的总载荷除以单桩所能承受的载荷得到桩数。

5、根据储罐桩基础的受力特点，确定的布桩原则。

布桩原则包括桩型和桩距，其中，桩型为：将储罐最外两圈或三圈桩环形布置，内部桩十字型布置，群桩绕中心对称布置。

桩距且要求满足S_a≥1.5d的要求，d为桩径。在储罐承台范围内按照桩距S_a进行布桩，并适当调整，得到最终的布桩图，储罐承台面积R_c为储罐承台半径（R_c=储罐半径R+3m）。

布桩时还需要考虑相关的参数包括桩的钢筋、混凝土参数、地基各土层地质力学参数、结构自重荷载和地震工况（OBE、SSE）。大型液化天然气全容储罐桩基础通常采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，每两个基桩之间的最小中心距一般不小于1.5倍桩径；排列基桩时，宜使群桩承载力合力点与竖向永久荷载合力点作用点重合，并使基桩受水平力和力矩较大方向有较大抗弯截面模量，且桩端入中风化岩不小于1倍桩径，对可能承受上拔力的外圈桩，入岩深度需要加大。

6、确定实际桩数所满足的安全条件。

按最大轴力组合的荷载，桩数n需要满足的安全条件为：

$n\&GreaterEqual;\frac{V_0}{R_{\mathrm{ad}}}\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}$

式中，μ为安全系数初始取值为1.1，V₀为总竖向力，R_ad为液化天然气全容储罐单桩竖向承载力特征值。

7、在各工况下计算并校核单桩的竖向承载力，如果单桩竖向承载力不满足验算要求，则返回步骤6增大安全系数，重新确定桩数，直到单桩竖向承载力满足验算要求。

考虑桩头固接时，单桩竖向力V_d1和V_d2可以由以下公式计算得到：

V_d1,V_d2＝V₀/n±{M₀+(1+β×h)/(2×β)×H₀}/Z_G

式中，V₀为总竖向力，单位为kN；V_d1为单桩向下方向的竖向力，V_d2为单桩向上方向的竖向力，n为桩数；M₀为弯矩，单位为kN·m；H₀为水平力，单位为kN；β为桩特征值；h为底板架空高度；Z_G为群桩截面模量，将在不同工况下通过计算得到的单桩竖向力的值填入下表1：

表1桩的竖向力

从表1中的计算结果可以得出，当计算得到的各工况下的桩竖向力小于单桩承载力特征值时即：V_d1,V_d2<R_ad，认为此桩基础在结构上是安全的。

各工况下的荷载情况如表2～5所示：

表2正常工作荷载(kN)

*考虑荷载分项系数为1.4（采用的安全系数）。

表3水压测试荷载(kN)

*考虑荷载分项系数为1.2（采用的安全系数）。

表4OBE荷载

*表中的高度是从底板顶面算起的液位高度；

**表中的竖向力是水平地震力与竖向地震力的组合：100%水平力+30%竖向力。

表5 SSE荷载

*表中的高度是从底板顶面算起的液位高度；

**表中的竖向力是水平地震力与竖向地震力的组合：100%水平力+30%竖向力。

如图2、图3所示，液化天然气储罐单桩竖向承载力特征值R_ad，群桩截面模量Z_G、桩特征值β以及在各工况下总竖向力V₀，弯矩M₀和水平力H₀的计算过程如下：

（1）液化天然气储罐单桩竖向承载力特征值R_ad为：

R_ad＝R_ud/SF

R_ud＝R_f+R_P

式中，R_ud为单桩极限承载力，单位为kN；SF为安全系数，正常工作、水压测试、OBE、SSE情况下通常取为2.0；R_f为桩的最大侧阻力，单位为kN，R_f＝U×∑L_i×qsik，其中U为桩的外径周长，L_i为桩在第i层土的长度，qsik为桩的极限侧阻力；R_P为桩端承载力，单位为kN，R_P＝qpk×A_P，其中，A_P为桩端面积，qpk为桩的极限端阻力。

（2）根据桩位的不同，群桩截面模量Z_G为：

$Z_G=\frac{\mathrm{\&Sigma;n}\&CenterDot;R_i^2}{R_{\max }}$

外圈桩和内圈桩分别进行计算，其中n是桩数，R_i是第i根桩离群桩中心的距离，R_max是最外圈桩离群桩中心的距离。

（3）桩特征值β的估算公式：

$\mathrm{\&beta;}=\sqrt[4]{(k_h\&times;d/4/E/I)}$

式中，β的单位为m^-1；d为桩的直径，E为桩的竖向弹性模量(=27.0×10⁶kN/m²），I为桩截面惯性矩，其中I＝πd⁴/64，k_h为地基土水平反力系数；k_h的具体值可以根据表6进行查找。

表6

土层类型	kh(kN/m3)×104
		淤泥质粘土	0.28-1.4
软粘土	1.4-2.8
		粘土	2.8-14
硬粘土	14.0-
		砂	2.8-8.3

（4）在实际的使用中，一般来说地震载荷是最危险的，只要储罐桩基础在地震载荷工况下是满足安全性要求，则其它工况下必定是满足安全性要求的，因此本发明通过具体实施实例说明在两种不同地震载荷工况下桩的有关参数的计算，即在OBE和SSE两种不同的地震情况下，分别计算桩的竖向力、水平力和弯矩。

桩的竖向力验算需要考虑地震系数，OBE和SSE的地震系数由震评报告中地震反应谱计算得到，其中竖向加速度=0.65×水平加速度，大型液化天然气全容储罐桩在高高设计液位时，具体的地震系数如表7所示：

表7地震系数

OBE和SSE地震下内罐的水平力及倾覆弯矩如表8所示，两者均可由地震系数经计算确定，底板、外墙、顶和内罐荷载作用高度分别为h₁、h₂、h₃、h_内。

表8水平力及倾覆弯矩

其中，桩的竖向力为水平力的65%。

OBE情况下单桩总竖向力的计算公式为：

V_0,OBE＝V_1,OBE+V_2,OBE+V_3,OBE+V_内,OBE

式中，底板竖向力V_1,OBE为：V_1，OBE=α_v,OBE·G₁·0.3+G₁；

外墙竖向力V_2，OBE为：V_2,OBE=α_v,OBE·G₂·0.3+G₂

混凝土顶竖向力V_3，OBE为：V_3,OBE=α_v,OBE·G₃·0.3+G₃

内罐竖向力V_内，OBE为：V_内，OBE=α_v,OBE·G_内·0.3+G_内，其中：α_v,OBE＝0.65·α_h,OBE。

OBE情况下总水平力的计算公式为：

H_0,OBE＝H_1,OBE+H_2,OBE+H_3,OBE+H_内,OBE

式中，底板H_1，OBE水平力为：H_1,OBE=α_h,OBE·G₁

外墙水平力H_2,OBE为：H_2，OBE=α_h,OBE·G₂

混凝土顶水平力H_3，OBE为：H_3，OBE=α_h，OBE·G₃

内罐水平力H_内,OBE为：H_内,OBE=α_h,OBE·(m_ig+G_内-mg)+α_c,OBE·m_cg，其中，冲击质量m_i和对流质量m_c由最大操作液位与内罐半径R的比值H_L/R得到，H_L/R如表9所示：

表9m_i、m_c的取值

HL/R	mi/m	mc/m
			0.3	0.176	0.824
0.5	0.300	0.700
			0.7	0.414	0.586
1.0	0.548	0.452
			1.5	0.686	0.314
2.0	0.763	0.237
			2.5	0.810	0.19
3.0	0.842	0.158

总液重的计算公式为： $m=\frac{{\mathrm{\&pi;R}}^2\&times;H_L\&times;\mathrm{\&rho;}}{1000}\left({10}^3\mathrm{kg}\right)$

OBE情况总弯矩的计算公式为：

M_0,OBE＝M_1,OBE+M_2,OBE+M_3,OBE+M_内,OBE

式中，底板弯矩M_1,OBE为：M_1,OBE=α_h,OBE·G₁·h₁

外墙弯矩M_2，OBE为：M_2,OBE=α_h,OBE·G₂·h₂

混凝土顶弯矩M_3，OBE为：M_3，OBE=α_h,OBE·G₃·h₃

内罐弯矩M_内,OBE为：M_内,OBE=α_h,OBE·(m_igh_i+G_内h_内-mgh_内)+α_c,OBE·m_cgh_c，其中冲击质量作用高度h_i和对流质量作用高度h_c可由最大操作液位与内罐半径R的比值H_L/R查表10得到。

表10h_i、h_c的取值

HL/R	hi/HL	hc/HL	HL/R	hi/HL	hc/HL
						0.3	0.400	0.521	1.5	0.439	0.690
0.5	0.400	0.543	2.0	0.448	0.751
						0.7	0.401	0.571	2.5	0.452	0.794
1.0	0.419	0.616	3.0	0.453	0.825

SSE情况下竖向力的计算公式：

V_0，SSE＝V_1,SSE+V_2,SSE+V_3,SSE+V_内,SSE

式中，底板竖向力V_1，SSE为：V_1，SSE=α_v,SSE·G₁·0.3+G₁

外墙竖向力V_2，SSE为：V_2，SSE=α_v,SSE·G₂·0.3+G₂

混凝土顶竖向力V_3，SSE为：V_3，SSE=α_v,SSE·G₃·0.3+G₃

内罐竖向力V_内，SSE为：V_内，SSE=α_v,SSE·G_内·0.3+G_内，其中α_v,SSE＝0.65·α_h,SSE

SSE情况下总水平力的计算公式：

H_0,SSE＝H_1,SSE+H_2,SSE+H_3,SSE+H_内,SSE

式中，底板水平力H_1，SSE的计算公式为：H_1，SSE=α_h，SSE·G₁

外墙水平力H_2，SSE为：H_2，SSE=α_h，SSE·G₂

混凝土顶水平力H_3，SSE为：H_3，SSE=α_h，SSE·G₃

内罐水平力H_内,SSE为：H_内,SSE=α_h,SSE·(m_ig+G_内-mg)+α_c,SSE·m_cg，其中冲击质量m_i和对流质量m_c由最大操作液位与内罐半径R的比值可以查上述表9。

SSE情况下总弯矩的计算公式：

V_0，SSE＝V_1,SSE+V_2,SSE+V_3,SSE+V_内,SSE

式中，底板弯矩M₁为：M₁=α_h,SSE·G₁·h₁

外墙弯矩M₂为：M₂=α_h,SSE·G₂·h₂

混凝土顶弯矩M₃为：M₃=α_h,SSE·G₃·h₃

内罐弯矩M_内为：M_内=α_h,SSE·(m_igh_i+G_内h_内-mgh_内)+α_c,SSE·m_cgh_c

其中冲击质量作用高度h_i和对流质量作用高度h_c与内罐半径R的比值可以查上述表10。

（6）混凝土结构静载计算

混凝土结构计算容重的公式为：

预应力混凝土：Y_PC=24.5kN/m³

钢筋混凝土：Y_RC=24.0kN/m³

基于以上容重，混凝土结构静载计算如表11：

表11混凝土结构静载

	重量(kN)
		底板	G1
外墙	G2
		钢筋混凝土顶	G3

8、单桩水平承载力验算，如果单桩水平承载力不满足验算要求，则返回步骤6增大安全系数，重新确定桩数，直到单桩水平承载力满足验算要求。

单桩水平承载力特征值R_ha为：

$R_{\mathrm{ha}}=0.75\frac{{{\mathrm{\&alpha;}}_H}^3\mathrm{EI}}{v_x}{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{oa}}$

式中，EI为桩身抗弯刚度；χ_oa为桩顶允许水平位移；α_H为桩的水平变形系数；v_x为桩顶水平位移系数。

表12桩顶（身）最大弯矩系数v_m和桩顶水平位移系数v_x

考虑由承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应时，

R_h＝η_hR_ha（R_h是群桩水平承载力）

考虑地震作用且S_a/d≤6时：η_h＝η_iη_r+η_l

${\mathrm{\&eta;}}_i={\left(\frac{\frac{S_a}{d}}{0.15n_1+0.10n_2+1.9}\right)}^{0.015n_2+0.45}$

${\mathrm{\&eta;}}_l=\frac{m_H\&CenterDot;{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{oa}}\&CenterDot;B_c^{\&prime;}\&CenterDot;h_c^2}{2\&CenterDot;n_1\&CenterDot;n_2\&CenterDot;R_{\mathrm{ha}}}$

不考虑地震作用时：

η_h＝η_iη_r+η_l+η_b

${\mathrm{\&eta;}}_b=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L\&CenterDot;P_c}{n_1\&CenterDot;n_2\&CenterDot;R_{\mathrm{ha}}}$

B′_c＝B_c+1

P_c＝η_cf_ak(A-nA_ps)

式中，η_h为群桩效应综合系数，η_i为桩的相互影响效应系数；η_r为桩顶约束效应系数，按表13取值；η_l为承台侧向土抗力效应系数；η_b为承台底摩阻效应系数；S_a/d为沿水平荷载方向的距径比；n₁，n₂为分别为沿水平荷载方向与垂直水平荷载方向每排桩中的桩数；χ_oa为桩顶（承台）水平位移允许值，一般取10mm；B′_c为承台受侧向土抗力一边的计算宽度；B_c为承台宽度；h_c为承台高度；h为桩的入土深度；μ_L为承台底与基土间的摩擦系数，可按表14取值；P_c为承台底地基土分担的竖向总荷载标准值；η_c可按表15取值；A为承台总面积；A_ps为桩身截面面积。

表13桩顶约束效应系数η_r

换算深度αHh	2.4	2.6	2.8	3.0	3.5	≥4.0
							位移控制	2.58	2.34	2.20	2.13	2.07	2.05
强度控制	1.44	1.57	1.71	1.82	2.00	2.07

表14承台底与基土间的摩擦系数μ_L

表15承台效应系数η_c

当γ₀H_i＜η_hR_ha时，满足桩水平力验算要求，其中γ₀H_i是计算得到桩所受到的水平力，其中，γ₀为结构安全系数；η_hR_ha是桩本身所具有的水平承载力，只要证明γ₀H_i＜η_hR_ha则说明桩有足够的能力抵抗所受到的水平力，说明桩水平方向的结构是安全的。

其中，单桩水平承载力特征值中参数的计算过程为：

（1）桩基桩顶水平荷载设计值

$H_i=\frac{H_0}{n}$

（2）桩的水平变形系数α_H

${\mathrm{\&alpha;}}_H=\sqrt[5]{\frac{m_H{b}_0}{\mathrm{EI}}}$

式中，m_H为桩侧土水平抗力系数的比例系数；EI为桩身抗弯刚度，对于钢筋混凝土桩，EI＝0.85E_cI，E_c为混凝土弹性模量，I为截面惯性矩。

b₀为桩身的计算宽度，单位为m：

当桩选择圆形桩时：当直径d≤1m时，b₀＝0.9(15d+0.5)；

当直径d＞1m时，b₀＝0.9(d+1)；

当桩选择方形桩时：当边宽b≤1m时，b₀＝1.5b+0.5；

当边宽b＞1m时，b₀＝b+1。

9、对承受抗拔力的桩进行抗拔验算，如果抗拔验算不满足要求，则返回步骤6增大安全系数，重新确定桩数，直到满足验算要求。

根据单桩竖向力公式：V_d1,V_d2＝V₀/n±{M₀+(1+β×h)/(2×β)×H₀}/Z_G

当V_d2计算值为正值时，说明基桩只受压力无拔力，此时不需要对基桩进行抗拔验算；

当V_d2计算值为负值时，说明基桩出现拔力，此时需要对基桩进行抗拔验算，抗拔验算公式如下：

V_d2≤T_uk/2+G_p

T_uk＝∑λ_iq_siku_il_i

G_p＝γ_砼·πd²l_i/4

式中：T_uk为基桩抗拔极限承载力标准值；G_p为基桩自重；u_i为桩身周长，取u_i＝πd；q_sik为桩侧表面第i层土地抗压极限侧阻力标准值；l_i为桩长；λ_i为抗拔系数，γ_砼为混凝土重度，可按表16取值。

表16抗拔系数λ

土类	λ值
		砂土	0.50～0.70
粘性土、粉土	0.70～0.80

10、根据实际工程地质类型，分别计算摩擦桩和嵌岩桩的储罐基础沉降量，并与工程要求的储罐沉降规定量进行比较，若大于规定沉降量，则返回步骤6增大安全系数，重新确定桩数，直到摩擦桩和嵌岩桩的储罐基础沉降量满足验算要求（工程要求的储罐沉降规定量可以选取40mm，或者按照实际情况进行选取），其中，摩擦桩和嵌岩桩的储罐基础沉降量的计算分别为：

（1）计算摩擦桩沉降量

①附加应力计算

G_k＝γ_G·A·d

$p=\frac{N_{\max }+G_k}{A}$

$p_{\mathrm{cz}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&gamma;}}_i{d}_i$

p₀＝p-p_cz

式中：γ_G为桩土重度，取为20kN/m³；A为承台面积，单位为m²；p为桩底平均压力，单位为kPa；G_k为桩身以上的覆土重量，N_max为最大竖向荷载，p_cz为桩底自重压力，单位为kPa；p₀为桩底附加压力，单位为kPa。

②确定沉降计算深度Z_n

Z_n＝b(2.5-0.4lnb)

式中，b为实体桩基础计算边长。

③沉降量计算

圆形桩基中点沉降时，计算桩基沉降量为：

$s=\mathrm{\&psi;}\&CenterDot;{\mathrm{\&psi;}}_e\&CenterDot;s^{\&prime;}=\mathrm{\&psi;}\&CenterDot;{\mathrm{\&psi;}}_e\&CenterDot;p_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{z_i{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_i-z_{i-1}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_{i-1}}{E_{\mathrm{si}}}$

${\mathrm{\&psi;}}_e=C_0+\frac{n_b-1}{C_1(n_b-1)+C_2}$

$n_b=\sqrt{n\&CenterDot;B_c/L_c}$

式中，p₀为在荷载效应准永久组合下承台底的平均附加应力；为平均附加应力系数，根据z/r矩形长宽比a/b及深宽比，其中z＝h是桩长，r＝d/2是承台半径；C₀、C₁、C₂为根据群桩距径比S_a/d、长径比l/d及基础长宽比L_c/B_c，按《建筑桩基技术规范》附录E选用；L_c、B_c、n分别为矩形承台的长、宽（对应圆形承台L_c＝B_c＝D）及总桩数；E_si为等效作用面以下第i层土的压缩模量；z_i为土层深度，即h_i；ψ_e为沉降计算修正系数；ψ为桩基沉降计算经验系数，由表17确定。

表17桩基沉降计算经验系数ψ

为沉降计算深度范围内压缩模量的当量值，计算公式如下：

${\stackrel{\&OverBar;}{E}}_s=\mathrm{\&Sigma;}{A}_i/\mathrm{\&Sigma;}\frac{A_i}{E_{\mathrm{si}}}$

$A_i=z_i{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_i-z_{i-1}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_{i-1}$

式中A_i为第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值，可近似按分块面积计算，ψ可根据内插取值。当桩基形状不规则时，可采用等代矩形面积计算桩基等效沉降系数，等效矩形的长宽比可根据承台实际尺寸和形状确定。

（2）如图4所示，计算嵌岩桩沉降量

根据工程实测数据可得嵌岩桩沉降曲线拟合示意图，由图4可得沉降曲线后部直线拟合方程如下（嵌岩桩的沉降量计算公式）：

$S=(\mathrm{\&sigma;}-q_{\mathrm{st}}\frac{4\mathrm{\&zeta;}{H}_t}{d})(\frac{1}{K_2}+\frac{H_t}{E_c})$

$\mathrm{\&sigma;}=V_{d1}/(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\&CenterDot;d^2)$

式中：S为桩顶沉降（mm）；σ为桩顶应力（MPa）；q_st为桩侧土层标准侧摩阻力；ζ为土层侧摩阻力系数；E_c为桩身混凝土弹性模量；H_t为上覆土层深度；d为桩身直径；K₂为嵌岩段刚度系数（MPa/mm）。

如图5、图6所示，对简化计算模型参数ζ进行统计分析，发现土层侧摩阻力系数ζ与上覆土层深度有关，通过统计与相关性分析，得到ζ与上覆土层深度关系如下（如图5所示）：

ζ＝1.3445-0.01975H_t

同理，对简化模型参数K₂进行统计分析，发现嵌岩段总刚度系数K₂与嵌岩深度有关，通过统计与相关性分析，得到K₂与嵌岩深度关系如下（如图6所示）：

K₂＝(0.2114H_w/d-0.09711)/d。

11、根据桩身内力公式对摩擦桩和嵌岩桩分别进行配筋计算，得到单桩钢筋的配筋面积A_s（纵向钢筋的截面面积），并进一步确定单桩所需钢筋的数量。

如图7所示，采用下述三个公式（桩身内力公式）计算单桩所需要配置的钢筋数量，具体计算过程：

$N\&le;{\mathrm{\&alpha;\&alpha;}}_1{f}_c{\mathrm{\&pi;r}}^2(1-\frac{\sin 2\mathrm{\&pi;\&alpha;}}{2\mathrm{\&pi;\&alpha;}})+(\mathrm{\&alpha;}-{\mathrm{\&alpha;}}_t)f_y{A}_s---\left(1\right)$

$M\&le;\frac{2}{3}{\mathrm{\&alpha;}}_1{f}_c{r}^3{\sin }^3\mathrm{\&pi;\&alpha;}+f_y{A}_s{r}_s\frac{\sin \mathrm{\&pi;\&alpha;}+\sin \mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&alpha;}}_t}{\mathrm{\&pi;}}---\left(2\right)$

α_t＝1.25-2α    （3）

由式（1）～（3）可以计算得到α，α_t及A_s。

其中，N＝V_d1，H＝H₀/n，M为桩身弯矩；f_c为混凝土抗压强度设计值，f_y为纵向钢筋抗拉强度设计值；r为桩截面半径，单位为mm；r_s为纵向钢筋重心所在圆周的半径，一般选定r_s＝r-50，单位mm；α为对应于受压区混凝土截面面积的圆心角（rad）与2π的比值；α_t为纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，当α＞0.625时，取α_i＝0；α₁为系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α₁取为1.0，当混凝土强度等级为C80时，α₁取0.94，按线性内插法确定。

摩擦桩进行配筋计算时，式中，z是桩计算截面至地面的距离，H是桩顶水平荷载，根据地基基础规范中给出的m法计算桩基的土弹簧刚度K：

K＝ab₁mz

式中,a是各土层厚度；b₁是桩的计算宽度；m是地基土的比例系数；z是各土层中点距地面的距离；

嵌岩桩进行配筋计算时，M＝0.0655f_rkd·(0.7h)²，式中，f_rk是岩石饱和单轴抗压强度标准值，单位为kpa，h是桩入岩深度。

根据施工要求，可将桩身沿全长分为3段配筋，取桩上端5m部分按照摩擦桩弯矩进行配筋，取底部5m部分按嵌岩桩弯矩计算，中间部分按照z=5m处弯矩计算。

且要求满足《建筑桩基技术规范》规定：

N≤ψ_cf_cA_ps+0.9f′_yA′_s

式中，f_c为混凝土轴心抗压强度设计值；A_ps为桩截面面积；f′_y为纵向主筋抗压强度设计值；A′_s为纵向主筋截面面积；ψ_c为基桩成桩工艺系数，按表18取值。

表18基桩成桩工艺系数ψ_c

《混凝土结构设计规范》中只有矩形截面的抗剪承载力公式，根据研究，由矩形截面计算公式可以推导出圆形截面抗剪承载力公式：

$V\&le;\frac{{3\mathrm{\&pi;r}}^2}{4}{f}_t+\frac{\mathrm{\&pi;r}{A}_{\mathrm{sv}1}{f}_{\mathrm{yv}}}{s}$

其中： $V=\frac{H_0}{n}$

从中可得到环向箍筋面积A_sv/s＝2A_sv1/s，沿桩身全长均匀配箍。

式中，r为桩截面半径，即d/2；A_sv1为单根箍筋的截面积；s为箍筋间距；f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值；f_yv为箍筋抗拉强度设计值。

12、根据桩数和配筋面积进行布桩，完成基础桩的制作。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中制作方法的步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法，包括以下步骤：

1)根据实际所需承载的大型液化天然气全容储罐的重量和外部条件，确定待制作桩基础所需承受的总载荷；

2)选择桩型，并根据所选择桩的桩径和入岩深度确定单桩所能承受的载荷；

3)灌注前对桩的混凝土保护层厚度进行校核，以保证桩内钢筋不被腐蚀；

4)利用桩基础所承受的总载荷除以单桩所能承受的载荷初步得到桩数；

5)确定布桩原则；

6)确定实际桩数所满足的安全条件式中，n为桩数，μ为安全系数，V₀为总竖向力，R_ad为液化天然气全容储罐单桩竖向承载力特征值；

7)在各工况下计算并校核单桩的竖向承载力，当计算得到的单桩竖向承载力小于单桩承载力特征值时：V_d1,V_d2<R_ad，认为此桩竖向承载在结构上是安全的，则进入步骤8)；如果单桩竖向承载力不满足验算要求，则返回步骤6)增大安全系数，重新确定桩数，直到单桩竖向承载力满足验算要求，其中，V_d1和V_d2为单桩竖向力，R_ad为液化天然气全容储罐单桩竖向承载力特征值；其中，单桩竖向承载力为：

V_d1,V_d2＝V₀/n±{M₀+(1+β×h)/(2×β)×H₀}/Z_G，

式中，V₀为总竖向力，n为桩数，M₀为弯矩，H₀为水平力，β为桩特征值，h为底板架空高度，Z_G为群桩截面模量，其中，d为桩的直径，E为桩的竖向弹性模量，I为桩截面惯性矩，k_h为地基土水平反力系数；R_i是第i根桩离群桩中心的距离，R_max是最外圈桩离群桩中心的距离；其中，弯矩M₀包括两种情况：基于OBE情况的总弯矩M_0,OBE和基于SSE情况的总弯矩M_0,SSE；其中，M_0,OBE＝M_1,OBE+M_2,OBE+M_3,OBE+M_内,OBE，式中，M_1,OBE为底板弯矩，M_2,OBE为外墙弯矩，M_3,OBE为混凝土顶弯矩，M_内,OBE为内罐弯矩；M_0,SSE＝M_1,SSE+M_2,SSE+M_3,SSE+M_内,SSE，M_1,SSE为底板弯矩，M_2,SSE为外墙弯矩，M_3,SSE为混凝土顶弯矩，M_内,SSE为内罐弯矩；其中，k_h取值与土层类型有关，具体取值为：当土地类型为淤泥质粘土，k_h取值为(0.28-1.4)×10⁴KN/m³；当土地类型为软粘土，k_h为(1.4-2.8)×10⁴KN/m³；当土地类型为粘土，k_h取值为(2.8-14)×10⁴KN/m³；当土地类型为硬粘土，k_h取值为大于14×10⁴KN/m³；当土地类型为砂，k_h取值为(2.8-8.3)×10⁴KN/m³；

8)在各工况下计算并校核单桩的水平承载力，当γ₀H_i＜η_hR_ha，认为单桩水平承载力满足验算要求，进入步骤9)，如果单桩水平承载力不满足验算要求，则返回步骤6)增大安全系数，重新确定桩数，直到单桩水平承载力满足验算要求，其中，γ₀H_i是计算得到单桩所受到的水平力，η_hR_ha是桩本身所具有的水平承载力；

9)对承受抗拔力的桩进行抗拔验算，如果抗拔验算不满足要求，则返回步骤6)，增大安全系数，重新调整桩数，直到满足验算要求，则进入步骤10)；

10)根据实际工程地质类型，分别计算摩擦桩和嵌岩桩的储罐基础沉降量，与实际工程要求规定的沉降量值进行比较，若大于规定的沉降量值，则返回步骤6)增大安全系数，重新确定桩数，直到摩擦桩和嵌岩桩的储罐基础沉降量满足验算要求，进入步骤11)；

11)根据桩身内力公式对摩擦桩和嵌岩桩分别进行配筋计算，得到单桩的钢筋配筋面积A_s，并进一步得到单桩所需的钢筋数量，其中，A_s是通过求解得到，式中，M是桩身弯矩，f_c为混凝土抗压强度设计值，f_y为纵向钢筋抗拉强度设计值，r为桩截面半径，r_s为纵向钢筋重心所在圆周的半径，α为对应于受压区混凝土截面面积的圆心角与2π的比值，α₁为系数，α_t为纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值；

12)根据桩数和配筋面积进行布桩，完成基础桩的制作。

2.如权利要求1所述的一种大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法，其特征在于：所述步骤5)确定布桩原则包括布桩形状和桩距，其中，布桩形状是将储罐最外两圈或三圈桩环形布置，内部桩十字型布置，群桩绕中心对称布置；桩距在储罐承台半径为R_c的储罐承台内按照S_a进行布桩，n为桩数，储罐承台面积 $A_c=\frac{\mathrm{\&pi;}{R}_c^2}{4}.$

3.如权利要求1所述的一种大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法，其特征在于：所述步骤10)中嵌岩桩的储罐基础沉降量为：

$S=(\mathrm{\&sigma;}-q_{\mathrm{st}}\frac{4\mathrm{\&zeta;}{H}_t}{d})(\frac{1}{K_2}+\frac{H_t}{E_c})$

$\mathrm{\&sigma;}=V_{d1}/(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\&CenterDot;d^2)$

式中，S为桩顶沉降；σ为桩顶应力；q_st为桩侧土层标准侧摩阻力；ζ为土层侧摩阻力系数；E_c为桩身混凝土弹性模量；H_t为上覆土层深度；d为桩的直径；K₂为嵌岩段刚度系数，其中，ζ与上覆土层深度关系为：ζ＝1.3445-0.01975H_t，K₂与嵌岩深度关系为：K₂＝(0.2114H_w/d-0.09711)/d。

4.如权利要求2所述的一种大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法，其特征在于：所述步骤10)中嵌岩桩的储罐基础沉降量为：

$S=\left(\mathrm{\&sigma;}{-q}_{\mathrm{st}}\frac{4\mathrm{\&zeta;}{H}_t}{d}\right)(\frac{1}{K_2}+\frac{H_t}{E_c})$

$\mathrm{\&sigma;}=V_{d1}/(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\&CenterDot;d^2)$

式中，S为桩顶沉降；σ为桩顶应力；q_st为桩侧土层标准侧摩阻力；ζ为土层侧摩阻力系数；E_c为桩身混凝土弹性模量；H_t为上覆土层深度；d为桩的直径；K₂为嵌岩段刚度系数，其中，ζ与上覆土层深度关系为：ζ＝1.3445-0.01975H_t，K₂与嵌岩深度关系为：K₂＝(0.2114H_w/d-0.09711)/d。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种大型液化天然气全容储罐桩基础的制作方法，其特征在于：所述步骤11)中摩擦桩的配筋面积A_s计算中，其中，K＝ab₁mz，a是各土层厚度；b₁是桩的计算宽度；m是地基土的比例系数；z是各土层中点距地面的距离，l为桩长，H是桩顶水平荷载；嵌岩桩的配筋计算中，M＝0.0655f_rkd·(0.7h)²，式中，f_rk是岩石饱和单轴抗压强度标准值，h是桩入岩深度，d是桩径。