浅谈钢制储罐的基础设计

摘要：钢制储罐广泛应用于石油、化工及水利行业，其基础设计需满足承载能力、抗沉降及抗渗要求。环墙式基础通过环形钢筋混凝土结构有效分散储罐荷载，减少地基差异沉降，尤其适用于软土地基条件下的储罐，本文系统介绍了环墙式基础的计算方法，通过工程实例提出了优化建议，为类似项目提供参考。

关键词：钢制储罐；环墙式基础；地基承载力；沉降控制；抗震设计

1.工程概况

本工程为某2万立方米钢制储罐，直径35m，高度20m，设计液位18m，储存介质为原油（密度0.85t/m³），场地地质条件为粉质黏土，地基承载力特征值180kPa，抗震设防烈度7度（0.15g）。储罐基础设计等级为乙级，基础型式采用环墙式基础，地基采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG）进行处理，CFG桩桩身材料采用C30混凝土，桩为800mm，地基经处理后承载力特征值≥250kPa。CFG桩桩顶设置300mm用于保证桩、土共同作用的级配碎石褥垫层，尺寸为环墙基础边外扩400mm，基础采用环墙式。

2.结构设计分析

本工程20000m²柴油储罐环墙式基础是将柴油储罐壁板直接安装在环墙上，环墙宽度0.6m，高度2.15m，中心线直径37.0m，采用钢筋混凝土现浇而成。承受罐壁、罐壁外保温、罐顶部的荷载，作用于环墙上，柴油储罐的其他荷载则通过罐底板传递到环墙内垫层上，由环墙内垫层承担，由于储罐自重（包括罐体、附件及附属结构）和储存介质的重量是主要静荷载。储罐满载时，总重量最大可达数万吨，对地基产生巨大的垂直压力。在扣除基底以上原土自重后，基础受到的竖向荷载可高达160k～310kPa；大直径、大荷载储罐对基础的主要影响表现为不均匀沉降、地基承载力不足、液化风险、环境影响。因而根据储罐罐体和储存介质的特点，以及基础下土质情况选择并设计适宜的基础，必要时还要结合现场实际工程情况采用相适应的力学模型进行预估地基变形量。

2.1工程应对措施

针对大直径、大荷载钢制储罐对地基的潜在影响，需通过系统性工程技术手段确保地基的稳定性、承载力和长期安全。下面介绍一下具体的工程应对措施分类。

1.地基处理技术：桩基础主要用于软土地基、承载力不足的厚层淤泥或填土区域。其类型主要为将荷载传递至深层坚硬岩层（如预应力管桩、钢管桩）的端承桩和摩擦桩（如通过桩身与周围土体的摩擦力承担荷载的混凝土灌注桩）。采用桩基础的优势就在于显著减少沉降，提高整体稳定性；复合地基主要用于中等压缩性黏土或粉土地基，主要的类型水泥土搅拌桩（通过搅拌机械将水泥浆与原地基土混合，形成强度较高的复合桩体）和碎石桩/砂桩（置换软土并提高排水性能，加速土体固结），其优势为成本较低，施工周期短，可同时增强承载力和抗液化能力；而在处理高含水量软黏土地基（如沿海滩涂）时，一是可以通过堆载预压，在地基表面施加临时荷载（如土石方堆载），加速软土排水固结；二是通过覆盖密封膜并抽真空，形成负压环境，促使孔隙水排出，进行真空预压；二者的效果是减少工后沉降50%-70%，缩短自然固结时间，加速土体固结。

2.罐体与地基协同设计：基础结构优化：采用环形基础，钢筋混凝土环形梁基础，分散罐壁荷载，减少边缘应力集中；采用在罐底铺设沥青砂垫层或级配砂石层（厚度0.5-2米），吸收不均匀沉降并调整底板应力分布，一般称之为柔性垫层处理；

罐体自身结构增强：底板厚度由常规8—12mm增至15—20mm，提高抗弯能力；在底板下方设置放射状或环状肋板，增强局部刚度。罐壁底部设置夹紧环或扩大基脚，降低对地基的压应力；抗震与抗液化设计：在基础与罐体间安装橡胶隔震垫，减少地震能量传递。在地基中设置碎石排水盲沟或竖向排水板，加速地震后超孔隙水压力消散，降低液化风险。

3.监测与维护：对罐体基础进行实时监测系统，例如进行沉降监测：布置沉降观测点（罐周每10米一点，中心一点），采用电子水准仪或GPS定期测量垂直位移和倾斜度。还可以通过光纤传感器或应变片实时监测罐体与地基的力学状态或者在罐壁和底板关键位置安装光纤传感器或应变片，实时监测应力变化。由于储罐内液体介质的化学性质不一，需要进行罐体渗漏与腐蚀防护，常规工程中可设置双层底板或渗漏报警系统，防止污染地基。本工程的基础处理示意图如图1所示。

2.2基础设计分析

环墙式基础（环形基础）是大直径钢制储罐常用的基础形式，其通过环形钢筋混凝土结构将储罐荷载均匀传递至地基，同时抵抗不均匀沉降和水平力。以下是环墙设计的关键要点及实施方法：

2.2.1环墙设计：环墙设计[1]包括环墙尺寸设计（如宽度计算）、结构内力计算和环墙截面配筋计算。钢制储罐环墙的宽度和高度设计需综合考虑荷载分布、地基承载力、结构强度及经济性，以下是具体设计原则与计算方法：

1）环墙宽度计算：宽度一般为3/H～2/H（一般取0.3～1.0m）环墙宽度取0.6m，可以先假设β值，β取值范围0.4～0.6，宜取0.5，本储罐罐壁伸入环墙275mm，故β取值0.46然后根据计算的b值调整β值。由罐壁底端传至环墙顶端的竖向线分布荷载标准值（当有保温层时，尚应包括保温层的荷载标准值），环墙重度以及罐内储存介质的重度等条件，根据GB/T50473—2008第4.1.2条，计算出环墙宽度b。

2）环墙内力计算：单位高度环墙环向内力值分为充水试压和正常使用两种工况：充水试压时（按GB50473—2008式4.1.3-1），需要得到的设计参数为水以及环墙内各层材料自重分项系数（水自重分项系数可取1.1，材料平均重度可取1.2）、环墙顶面至罐内最高储水面高度、侧压力系数（一般地基取0.33，软土地基取0.5）以及环墙中心线半径， 同理，正常使用时（按GB50473—2008式4.1.3-2），根据以上计算，最终得出环墙环向力设计值为1405.78kN/m。

2.2.2基础抗震计算

拟建场地的抗震设防烈度为6度（0.05g），抗震分组为第一组，特征周期值Tg=0.45s），储罐区为Ⅲ类建筑场地，场地下无液化土层。钢制罐体支撑在环墙式基础上，通过罐底钢板与基础上表面相互摩擦，抵抗风和地震产生的水平作用效应。本工程储罐在自重作用下最大静摩擦力远大于风和地震产生的水平作用效应，所以在基础设计时可忽略由风和地震产生的作用[2]。

1）地基承载力计算：本储罐自重约380t，最大充液高度18.40m，储罐质量（含介质）20880t。环墙高出地面高度h=1.25m，基础埋深1.2m，基础宽度37.65m，基底以下土的平均自重为18kN/m²。根据GB/T50756第3.0.8条[3]，ηb=0，ηd=1，求得基础底面的平均压力为Pk=Fk/A+Gk/A=245.26kPa，修正后的地基承载力特征值=279.80kPa，满足规范要求。

2）地基变形计算：根据GB50473一2008《钢制储罐地基基础设计规范》第6.2.1条，储罐基础满足下列任意一条情况时，应做地基压缩变形计算：（1）当储罐地基基础设计等级为甲级或乙级时。（2）当天然地基承载力不能满足要求或地基土有软弱土层时。（3）当储罐基础有可能发生倾斜时。（4）当储罐基础持力层有厚薄不均匀的地基土时。

储罐考虑采用分层总和法计算地基变形，根据规范第6.2.2条和6.1.3条进行计算地基变形；复合土层压缩模量根据GB/T50756-2012第9.2.10条确定。经计算，整体允许沉降0.005D=0.005×37000=185mm，整体最大沉降差：154.04-64.71=89.34mm，满足规范要求。

2.2.3其他

1）防渗膜的设置：采用HPDE土工膜，结构层为两布一膜，即HPDE土工膜两侧均用600g/m²长丝无纺土工布保护，在此土工膜及长丝无纺布结构层下部铺设10cm厚的中细沙，同时在上部覆盖20cm厚的细砂，形成沙土保护层，避免HDPE膜被破坏。

2）环墙上不均匀沉降调整槽的设置：因地基压缩变形产生不均匀沉降可能导致结构开裂或倾斜，设置不均匀沉降调整槽是一种有效措施，槽宽一般为20～50mm并可用聚氨酯密封胶、橡胶止水带或者可压缩性材料填充，并采取防水措施。

3.结语

大直径、大荷载钢制储罐对地基的影响复杂且深远，需综合考虑地质条件、荷载特性及环境因素。通过科学的地基处理、合理的设计优化和动态监测，可有效控制沉降与稳定性风险，确保储罐长期安全运行。未来，随着数值模拟（如有限元分析）和智能监测技术的发展，储罐地基工程将更加精准和可靠。

参考文献

[1]GB50473—2008钢制储罐地基基础设计规范[S].

[2]GB50007—2011地基基础设计规范[S].

[3]GB/T50756—2012钢制储罐地基处理技术规范[S].