Приложение В. Рекомендации по проектированию и строительству фундаментов наземных резервуаров для хранения нефти
В.1 Содержание
В.1.1 В данном приложении изложены наиболее существенные соображения, касающиеся проектирования и строительства фундаментов стальных наземных резервуаров с плоскими днищами для хранения нефти. Рекомендации даны с целью описания правильных методов работы и указания некоторых мер предосторожности, которые должны быть учтены при проектировании и строительстве фундаментов резервуаров для хранения.
В.1.2 Ввиду широкого разнообразия рельефа земной поверхности, а также грунтовых и климатических условий, установление проектных нормативов, применимых во всех возможных случаях, является нецелесообразным. Допустимая нагрузка конкретный вид основания должны в каждом случае выбираться после тщательного рассмотрения. При выборе площадок для фундаментов следует руководствоваться теми же правилами и требованиями по принятию ограничительных мер, которые применялись бы к проектированию и строительству фундаментов других сопоставимых по величине сооружении.
В.2 Исследование грунтовых условий и ведение строительных работ
В.2.1 Для проведения оценки несущей способности грунта и будущей осадки, применительно к резервуару любого размера требуется провести исследование грунтовых условий. Обычно данная информация собирается с помощью бурения грунта, испытании под нагрузкой, отбора образцов, лабораторных испытаний и анализа, проводимого опытными специалистами в области инженерной геологии, знакомыми с результатами сооружения и эксплуатации расположенных поблизости подобных сооружений. Поверхность, образуемая после выемки-грунта под основание, должна выдерживать нагрузку, создаваемую резервуаром и его содержимым. Полная осадка не должна вызывать напряжений в соединяющих трубопроводах или неточностей при проведении измерений. Кроме того, осадка не должна достигать таких значений, при которых днище резервуара оказывается ниже уровня окружающей поверхности земли. Предполагаемое значение осадки должно находиться в пределах допусков, установленных для корпуса и днища резервуара.
В.2.2 В тех случаях, когда отсутствует реальный опыт сооружения и эксплуатации аналогичных резервуаров и фундаментов на данном участке, следует рассмотреть следующие диапазоны значений коэффициентов запаса прочности для применения в качестве критериев оценки конструктивных параметров фундаментов при определении опорных давлений на грунт. (Владелец или отвечающие за выполнение проекта специалисты по инженерной геологии могут использовать коэффициенты запаса прочности, выходящие за эти пределы.)
a) Коэффициент запаса прочности по полному допустимому значению смятия (при разрушении в результате потери прочности при смятии) при нормальных эксплуатационных условиях принимается в пределах от 2.0 до 3.0.
b) Коэффициент запаса прочности по полному допустимому значению смятия при гидравлических испытаниях принимается в пределах от 1.5 до 2.5.
c) Коэффициент запаса прочности по полному допустимому значению смятия при нормальных эксплуатационных условиях с учетом максимального воздействия ветровых или сейсмических нагрузок принимается в пределах от 1.5 до 2.25.
В.2.З Ниже приведены некоторые примеры из числа многих условий, при которых требуется проведение специального инженерного анализа:
a) Расположенные на склонах площадки, где одна часть резервуара может быть размещена на поверхности ненарушенного грунта или коренной породы, а другая часть — на насыпи или другом сооружении, где требуемая толщина насыпного слоя является переменной.
b) Расположенные на болотистой почве или насыпи площадки, для которых слои вынутого при земляных работах грунта или упругого (сжимаемого) растительного слоя расположены на уровне поверхности земли или ниже этого уровня, либо для насыпи использованы неустойчивые или вызывающие коррозию материалы.
c) Площадки, подстилаемые такими грунтами, как слои пластичной или глины с органическими включениями, которые могут выдерживать кратковременные высокие нагрузки, но дают слишком значительную осадку в течение длительных периодов времени.
d) Площадки, прилегающие к водостокам или глубоким выемкам грунта, которые являются недостаточно надежными в отношении устойчивости при воздействии горизонтальных нагрузок.
e) Площадки, непосредственно прилегающие к сооружениям большого веса, передающим часть своей нагрузки на расположенный под площадками для резервуаров подстилающий слой грунта и снижающим способность подстилающего слоя выдерживать дополнительные нагрузки без излишней осадки.
f) Площадки, на которых резервуары могут подвергаться воздействию паводковых вод, приводящих к их поднятию, смещению или боковому подмыву.
g) Площадки, которые расположены в зонах высокой сейсмичности и подстилаются грунтами, склонными к разжижению (образованию плывунов).
h) Площадки, на которых непосредственно под днищем резервуара залегают тонкие слои мягкой глины, вследствие чего могут возникать трудности, связанные с неустойчивостью грунта по отношению к горизонтальным нагрузкам.
В.2.4 Если подстилающий слой грунта не способен выдержать без излишней осадки нагрузку, создаваемую заполненным резервуаром, то повышение надежности опоры не может быть достигнуто за счет размещения под днищем резервуара мелкозаглубленной или установленной на грунт строительной конструкции. Для повышения надежности опоры следует применить один или несколько общих методов из числа следующих:
a) Выемка недостаточно надежного грунта и его замещение соответствующим уплотненным материалом.
b) Укрепление мягкого материала путем установки коротких свай.
c) Уплотнение мягкого грунта за счет предварительной нагрузки площадки дополнительным количеством грунта. В сочетании с этим методом могут использоваться полосовые или песчаные дрены.
d) Стабилизация мягкого грунта химическими методами или инжекцией цементного раствора.
e) Передача нагрузки к более устойчивым грунтам, подстилающим слой, вскрытый при выемке, за счет забивки свай или сооружения опор фундамента. Этот метод включает установку железобетонных плит на сваях для распределения нагрузки, передаваемой днищем резервуара.
f) Строительство фундамента в виде плиты, что позволяет распределять нагрузку на достаточно .большую поверхность мягкого грунта таким образом, чтобы интенсивность нагрузки не выходила за допустимые пределы и не происходила излишняя осадка.
g) Повышение качества грунта на счет виброуплотнения, виброзамещения или глубокого динамического уплотнения.
h) Медленное или управляемое заполнение резервуара во время проведения гидравлических испытаний. При использовании данного метода может произойти нарушение герметичности резервуара за счет излишней осадки корпуса или днища. По этой причине следует тщательно наблюдать за осадкой резервуара. В случае превышения допустимых пределов осадки следует прекратить испытания и произвести выравнивание положения резервуара.
В.2.5 Насыпной материал, используемый как для замены разрыхленного грунта или других неустойчивых разностей, так и для повышения отметки поверхности грунта до требуемой высоты, должен после своего уплотнения обладать качествами, достаточными для обеспечения опоры для резервуара и находящейся в нем продукции. Материал насыпи не должен содержать растительности, органических материалов, шлаков и любых материалов, которые могут вызвать коррозию днища резервуара. Тип насыпного материала и отметка поверхности грунта должны допускать уплотнение (с помощью принятых в отрасли стандартных методов уплотнения) до значений плотности, достаточных для обеспечения требуемой несущей способности и приемлемых значений осадки. Размещение материала насыпи должно быть выполнено в соответствии с техническими условиями по проекту, подготовленными квалифицированным специалистом по инженерной геологии.
В.З Отметки поверхности грунта, принимаемые для установки резервуаров
В.3.1 Отметка или поверхность, на которой расположено днище резервуара, должна находиться по крайней мере на 1 фут выше поверхности земли. Это создаст возможность соответствующего дренажа, днище резервуара будет поддерживаться сухим, и будет обеспечена компенсация некоторых незначительных осадок, которые возможны. Если предполагается наличие крупной осадки, должна быть выбрана более высокая отметка расположения днища резервуара, чтобы после окончательной осадки днище резервуара оставалось, как минимум, на 6 дюймов выше отметки поверхности земли,
В.3.2 Различные материалы могут применяться для подсыпки поверхности, на которой покоится днище резервуара. По всей площади контакт такого материала с днищем резервуара должен быть одинаково плотным, чтобы свести к минимуму интенсивность возможного в будущем коррозионного воздействия и максимально повысить эффективность действия таких средств предотвращения коррозии, как катодная защита. Следует избегать использования гравия или крупных частиц. Рекомендуется применять в качестве последнего слоя покрытия слой чистого промытого песка высотой от 3 до 4 дюймов, поскольку он может легко изменить свою форму в соответствии с формой днища резервуара, за счет чего обеспечивается максимальная площадь контакта и предотвращение опоры днища резервуара на крупные или крупнообломочные частицы. Наличие крупных посторонних предметов или точечных контактов с гравием или камнями может вызвать образование очагов коррозии, что приведет к точечной язвенной коррозии и преждевременному выходу днища резервуара из строя.
Перемещение оборудования или материалов по поверхности грунта во время строительства может нарушить ровность подготовленной поверхности. Эти нарушения должны быть исправлены до того, ках плиты днища резервуара будут размещены для сварки.
Для предотвращения просыпания мелких материалов в расположенные под ними материалы, состоящие из более крупных частиц (в результате чего снизится эффект, обусловленный применением мелкого материала в самом верхнем слое), следует применять соответствующие меры, например, постепенное уменьшение размера частиц материала при переходе от нижних прослоев к верхним. Это особенно важно для верхней части кольцевой стенки из щебня.
Примечание: Более подробная информация о коррозии днищ резервуаров и методах ее предотвращения, связанных с фундаментом резервуара, представлена в документе Американского нефтяного института № 651 «Рекомендуемые практические методы работы».
В.3.3 Если владельцем не даны другие указания, днище окончательно установленного резервуара должно быть наклонено в направлении от своего центра к периметру с уклоном в один дюйм на десять футов. Этот уклон будет частично компенсировать незначительную осадку, которая, вероятно, будет более существенной в центре резервуара. Кроме того, этот уклон будет способствовать чистке и удалению воды или осадка через отверстия в корпусе или через водосборные колодцы, расположенные около корпуса. Поскольку наличие уклона повлияет на длину колонн, поддерживающих крышку, необходимо полностью и заблаговременно проинформировать изготовителя резервуара об этой особенности (в разделе В.3.4. предложено альтернативное решение).
В.3.4 В качестве решения, альтернативного предложенному в разделе В.З.З, днище резервуара может быть наклонено в направлении водосборного колодца. Изготовитель резервуара должен получить необходимую информацию в соответствии с указаниями, приведенными в разделе В.3.3.
В.4. Основные типы оснований
В.4.1. Естественные основания без кольцевой стенка
В.4.1.1 В тех случаях, когда инженерная оценка грунтовых условий, основанная на опыте или результатах изыскательских работ, показывает, что грунт характеризуется достаточной несущей способностью, а осадка будет приемлемой, может быть построен приемлемый фундамент из грунтовых материалов. Требования к характеристикам естественных оснований идентичны требованиям, предъявляемым к основаниям более крупных размеров. Естественное основание должно отвечать следующим требованиям:
a) Служить надежной опорой для данного резервуара.
b) Ограничивать среднюю осадку расположенной под резервуаром поверхности грунта допустимыми значениями, применяемыми при конструировании систем трубопроводов.
c) Предоставлять достаточный дренаж.
d) Не оседать чрезмерно по периметру под воздействием весовой нагрузки, воспринимаемой от стенки корпуса резервуара.
В.4.1.2 Существует множество конструкций, использование которых возможно при условии квалифицированного инженерного подхода. В данном приложении рассматриваются три вида конструкций, выбор которых обусловлен успешными долгосрочными результатами их применения. Основания резервуаров меньшего размера могут состоять из уплотненного щебня, отсеянного материала, мелкого щебня, чистого песка или аналогичных материалов, помещенных непосредственно на естественный грунт. Любой неустойчивый материал должен быть удален, а любой замещающий материал должен быть полностью уплотнен. Для более крупных резервуаров или резервуаров с весьма тяжелыми корпусами рекомендуются два варианта конструкции с кольцевыми стенками, представленные на рис. В-1 и В-2 и описанные в разделах В.4.2 и В.4.3.
Рисунок В-1. Пример основания с бетонной кольцевой стенкой
Примечания.
1. Требования к арматуре изложены в п. В.4.2.3.
2. Верхняя поверхность бетонной кольцевой стенки должна быть гладкой и горизонтальной. Прочность бетона после 28 дней должна составлять не менее 3000 фунтов на кв.дюйм. Соединения арматуры должны устанавливаться в шахматном порядке и внахлест с целью обеспечения расчетной прочности соединений. Если расположение в шахматном порядке внахлест невозможно, то следует обращаться к документу ACI 318 Американского института бетона, где рассматриваются дополнительные требования по проектированию.
3. Кольцевые стенки, толщина которых превышает 12 дюймов, должны по обеим сторонам оснащаться арматурными стержнями.
4. Размещение корпуса резервуара на кольцевой стенке приведено на рисунке В.4.2.2.
В.4.2. Естественные основания с бетонными кольцевыми стенками
В.4.2.1 Крупный резервуар или резервуар с высоким корпусом или со свободно опертой крышей оказывает существенную нагрузку на фундамент, расположенный под его корпусом. Этот фактор особенно важен в отношении деформаций резервуаров с плавающей крышей. Следует использовать основания с кольцевой стенкой в тех случаях, когда имеются какие-либо сомнения в отношении способности основания непосредственно воспринимать и выдерживать нагрузку корпуса. В качестве альтернативы рассматриваемой в данном разделе бетонной кольцевой стенке может использоваться кольцевая стенка из щебня (см. раздел В.4.3). Основание с бетонной кольцевой стенкой имеет следующие преимущества:
a) Оно обеспечивает лучшее распределение концентрированной нагрузки, создаваемой корпусом резервуара, передавая более равномерную нагрузку на расположенный под резервуаром грунт.
b) Оно создает плоскую и прочную начальную поверхность для строительства корпуса резервуара.
c) Оно предоставляет лучшие условия для выравнивания поверхности под установку резервуара и сохраняет свою конфигурацию в ходе строительства.
d) Оно удерживает насыпной материал под днищем резервуара и предотвращает его потерю вследствие эрозии.
e) При его использования сводится к минимуму влажность материала, расположенного под резервуаром.
Недостаток бетонных кольцевых стенок состоит в отсутствии возможности их приспособления к различной осадке резервуара. Это может приводить к появлению сильных сгибающих напряжений в плитах днища резервуара, примыкающих к кольцевой стенке.
Рисунок В-2. Пример основания с кольцевой стенкой из щебня
В.4.2.2 При проектировании бетонной кольцевой стенки ее пропорции должны выбираться таким образом, чтобы не превышалась допустимая нагрузка на грунт. Толщина стенки должна быть не менее 12 дюймов. Диаметр средней линии кольцевой стенки должен равняться номинальному диаметру резервуар а, однако диаметр средней линии кольцевой стенки может быть изменен, если это необходимо для размещения анкерных болтов или требуется исходя из предельных значений несущей способности грунта при сейсмических нагрузках или при избыточных нагрузках, направленных вертикально вверх. Глубина заложения стенки зависит от местных условий, однако, она должна быть достаточна для того, чтобы основание кольцевой стенки находилось ниже предполагаемого уровня промерзания грунта и в то же время залегало в пределах определенного несущего слоя. Если кольцевая стенка опирается на грунт, то ее основание после окончания работ должно располагаться не менее чем на 2 фута ниже уровня поверхности земли на прилегающем участке. При строительстве оснований резервуаров должны соблюдаться допуски, предусмотренные разделом 5.5.5. В стенке должны быть предусмотрены отверстия, предназначенные для размещения установленных заподлицо промывочных люков, дренажных водосборных колодцев и других устройств, для которых обязательно наличие отверстий.
В.4.2.3. Кольцевая стенка должна быть армирована таким образом, чтобы выдерживать изменения температуры и температурное сжатие, а также воспринимать приложенное в горизонтальном направлении давление, передаваемое через насыпное основание, которое огораживается стенкой, при дополнительном увеличении нагрузки, создаваемой заполняющей резервуар продукцией. Рекомендуется руководствоваться нормативным документом ACT 318 Американского института бетона при определении расчетных напряжений, технических характеристик материалов, а также при разработке арматурных стержней и их покрытия. Следующие соображения должны приниматься по внимание в отношении кольцевой стенки:
a) Кольцевая стенка должна быть армирована таким образом, чтобы непосредственно воспринимать кольцевое растяжение, возникающее вследствие горизонтально направленного давления грунта на внутреннюю поверхность кольцевой стенки. Давление грунта в горизонтальном направлении следует принимать равным не менее 50% давления в вертикальном направлении, которое определяется весом жидкости и грунта, исключая те случаи, когда какое-либо другое значение выбирается на основании инженерно-геологического анализа. Если используется засыпка гранулированного материала, то можно использовать значение этого показателя, равное 30% по отношению к вертикальному давлению.
b) Кольцевая стенка должна быть армирована таким образом, чтобы она могла воспринимать воздействие изгибающего момента в результате нагрузки, вызванной постоянным моментом сил. Нагрузка, вызывающая постоянно действующий момент, должна определяться смещением точек приложения нагрузок, передаваемых через корпус резервуара, и вызванных давлением нагрузок, по отношению к точке приложения равнодействующей сил давления на грунт. Вызываемая давлением нагрузка определяется давлением жидкости на площадь, соответствующую горизонтальной проекции той части кольцевой стенки, которая заходит в пределы корпуса резервуара.
c) Кольцевая стенка должна быть армирована таким образом, чтобы она могла воспринимать воздействие изгибающего момента и крутящего момента, которые возникают в результате приложения горизонтальной, ветровой или сейсмической нагрузки к кольцевой стенке с некоторым эксцентриситетом. Для определения величины этих моментов и распределения давления на грунт должен применяться инженерный анализ, включающий учет жесткости основания.
d) Суммарная площадь поверхности кольцевой арматуры, требуемая для обеспечения восприятия указанных выше нагрузок, должна быть не меньше, чем площадь поверхности, которая необходима для обеспечения стойкости и работоспособности в условиях переменных температур и при температурном сжатии. Минимальная площадь поверхности кольцевой арматуры, которая требуется с учетом температурных изменений и температурного сжатия, составляет 0.0025 от площади вертикального сечения кольцевой стенки. (Предлагаемые минимальные количества арматурной стали в стенках указаны в главе 14 нормативного документа ACI 318 Американского института бетона).
e) Если ширина кольцевой стенки основания не превышает глубины ее заложения, то площадь вертикально расположенной стальной арматуры, требуемая для обеспечения стойкости по отношению к температурным изменениям и температурному сжатию, составляет 0.0015 от площади горизонтального сечения кольцевой стенки (предлагаемые минимальные количества арматурной стали в стенках указаны в главе 14 нормативного документа ACI 318 Американского института бетона). Для восприятия направленных вверх или скручивающих усилий может потребоваться использование дополнительной вертикально установленной стальной арматуры.
f) Если ширина кольцевой стенки превышает 18 дюймов, то следует рассмотреть возможность создания под этой стенкой ленточной опоры. Такие опоры могут также оказаться полезными для восприятия нагрузок, направленных вверх.
g) Необходимо вести тщательный непосредственный контроль процесса обратной засыпки, выполняемой как внутри или непосредственно вблизи бетонных кольцевых стенок, так и вокруг сводовых сооружений, трубопроводов под резервуарами и водосборных колодцев. Дня засыпки применяются гранулированные материалы, уплотненные до получения характеристик, указанных в технических условиях на строительство оснований. Уплотнение материалов проводится в соответствии с указаниями, приведенными в этих технических условиях.. При использовании каких-либо других материалов следует в необходимом объеме провести испытания, чтобы убедиться в достаточной прочности материала, при которой осадка минимальна.
B.4.3 Естественные основания с кольцевыми стенками из гравия или щебня
В.4.3.1 Использование естественных оснований с кольцевыми стенками из гравия или щебня обеспечивает достаточную опору для восприятия значительных нагрузок, создаваемых корпусами резервуаров. Основания с кольцевыми стенками из гравия или щебня обладают следующими преимуществами:
a) Их применение обеспечивает лучшее распределение концентрированных нагрузок, создаваемых корпусом, обеспечивая наиболее равномерное распределение нагрузки на грунт под резервуаром.
b) Их применение обеспечивает возможность установления резервуара в горизонтальное положение и сохранения конфигурации при проведении строительных работ.
c) При их использовании обеспечивается сохранение насыпного материала под днищем резервуара и предотвращение его потерь в результате эрозии.
d) Присущая этим конструкциям гибкость позволяет более успешно воспринимать неравномерную осадку.
К недостаткам кольцевой стенки из гравия или щебня следует отнести трудность обеспечения малых допусков и создания плоской горизонтальной поверхности для сооружения корпуса резервуара.
В.4.3.2 Для обеспечения успешной эксплуатации кольцевой стенки из гравия или щебня необходимо тщательно выбрать элементы ее конструкции. Предлагаемый тип фундамента показан на рис. В-2. Ниже перечислены наиболее существенные элементы конструкции.
a) Следует обеспечить защиту уступа шириной 3 фута и фермы от эрозии либо за счет применения щебня при их строительстве, либо за счет применения материала, создающего постоянное покрытие.
b) При строительстве следует уделить внимание подготовке и поддержанию состояния гладкой горизонтальной поверхности, на которую устанавливаются плиты днища резервуара.
c) Оборудование площадки под основание резервуара должно вестись таким образом, чтобы обеспечить требуемый дренаж (отвод жидкости) от его основания.
d) Основание резервуара должно соответствовать положению указанной плоскости с допустимым отклонением в пределах допусков, указанных в разделе 5.5.5.
В.4.4 Сплошные основания
В.4.4.1 Сплошные основания, выполненные в виде железобетонных плит, используются по требованию владельца, либо в тех случаях, когда испытываемые грунтом нагрузки должны быть распределены по поверхности, площадь которой превышает площадь резервуара. Для обеспечения правильного распределения нагрузки на опоры резервуара может потребоваться установка свай под плитой,
В.4.4.2 При расчете и проектировании сплошных оснований (независимо от того, опираются ли они на грунт или установлены на сваях) следует правильно учитывать все создаваемые резервуаром нагрузки. Требования к арматуре и все отдельные конструктивные требования, относящиеся к строительству, должны выполняться в соответствии с нормативным документом ACI 31 Американского института бетона.
В.5 Рекомендации по сооружению оснований резервуаров с учетом обнаружения протечек
В приложении 2 представлены рекомендации для строительства систем резервуаров и оснований, применение которых способствует обнаружению протечек через днища резервуаров.
