CC BY
0
УДК 622.692
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2024-3-4-56-60
МОНОЛИТНЫЙ СЕГМЕНТНО-СФЕРИЧЕСКИЙ ФУНДАМЕНТ ДЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ РВС, ОСНАЩЕННЫЙ СИСТЕМОЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОСАДКИ ГРУНТА
MONOLITHIC SEGMENTED SPHERICAL FOUNDATION FOR LARGE TANKS, EQUIPPED WITH A SYSTEM FOR DETECTING AND PREVENTING SUBSIDENCE OF SOIL
Сорокина М.Н.1, Землеруб Л.Е.2, Терегулов М.Р.2
1 ООО «СамараНИПИнефть», 443010, г. Самара, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1151-7385,
E-mail: [email protected]
2 Самарский государственный технический университет, 443100, г. Самара, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9601-4965, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2790-9244, E-mail: [email protected]
Резюме: Рассмотрены определенные типы фундаментов для различных резервуаров. Предложено дополнить ряд фундаментов, используемых в резервуаростроении, не имеющей аналогов конструкцией монолитного сегментно-сферического фундамента с системой контроля объема полости сегмента, образующейся при просадке грунта, и системой устранения этой просадки. Применение такого фундамента исключает ту часть аварий в резервуарных парках, которая происходит в результате неравномерных просадок грунта и следующих за ними осадок фундаментов.
Ключевые слова: резервуар вертикальный цилиндрический стальной, сегментно-сферический фундамент, неравномерные осадки, объем полости просадки, система контроля и управления.
Для цитирования: Сорокина М.Н., Землеруб Л.Е., Терегулов М.Р. Монолитный сегментно-сферический фундамент для крупногабаритных РВС, оснащенный системой определения и предотвращения просадки грунта // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2024. № 3-4. С. 56-60.
D0I:10.24412/0131-4270-2024-3-4-56-60
Sorokina Mariya N.1, Zemlerub Leonid E.2, Teregulov M.R.2
1 LLC SamaraNIPIneft, 443010, Samara, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1151-7385, E-mail: [email protected]
2 Samara State Technical University, 443100, Samara, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9601-4965 , E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2790-9244, E-mail: [email protected]
Abstract: Certain types of foundations for various reservoirs are considered. It is proposed to supplement a number of foundations used in tank construction with an unparalleled design of a monolithic segmented spherical foundation with a system for controlling the volume of the segment cavity formed during subsidence and a system for eliminating this subsidence. The use of such a foundation eliminates that part of accidents in tank farms that occur as a result of uneven subsidence of the soil and subsequent sedimentation of foundations.
Keywords: vertical cylindrical steel tank, segmented spherical foundation, uneven settlements, volume of the subsidence cavity, monitoring and control system.
For citation: Sorokina M.N., Zemlerub L.E, Teregulov M.R. MONOLITHIC SEGMENTED SPHERICAL FOUNDATION FOR LARGE TANKS, EQUIPPED WITH A SYSTEM FOR DETECTING AND PREVENTING SUBSIDENCE OF SOIL. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2024, no. 3-4, pp. 56-60.
DOI:10.24412/0131-4270-2024-3-4-56-60
Введение
В процессе эксплуатации резервуары вертикальные стальные (РВС) испытывают воздействие многих эксплуатационных факторов. Основным среди них является малоцикловое нагружение, возникающее из-за частого чередования операций наполнения и опорожнения в технологическом процессе. В результате у большинства крупногабаритных резервуаров из-за неравномерной просадки грунтового основания возникает дефект, который обозначается в отчетах технической диагностики резервуаров как непроектный уклон днища.
Значимость отмеченной проблемы существенно возрастает, когда в грунтовом основании резервуара залегает область неоднородности со сниженными силовыми и деформационными характеристиками. Присутствие таких грунтов характерно для многих районов нашей страны, а именно - Западной и Восточной Сибири. Отметим, что увеличение объема резервуара влечет за собой увеличение
площади фундамента и, как следствие, неоднородности грунтов под ним.
Проектируемый резервуар следует рассматривать совместно с основанием, на котором он покоится, так как под воздействием веса сооружения и других эксплуатационных воздействий грунты основания испытывают дополнительное давление, деформируются (уплотняются, проседают), и это, в свою очередь, оказывает воздействие на сооружение, происходит осадка фундамента. При этом, если напряжения по подошве фундамента резервуара превышают расчетные сопротивления, грунты основания обычно получают неравномерные уплотнения, а фундаменты в отдельных точках - различные по величине осадки [1]. Эти осадки могут оказаться чрезмерно большими и спровоцировать либо потерю устойчивости сооружения, либо наступление предельного состояния по прочности.
Предлагаемый сегментно-сферический фундамент (ССФ) благодаря особенностям конструкции дифференцирует
| Рис. 1. Грунтовая подушка
площадь основания на конгруэнтные сегменты и оснащается системой управления (СУ) и автоматизированной системой (АС) измерения и контроля (ИК) объема просадки грунта под каждым сегментом [2]. АС ИК просадки грунта позволяет обнаружить появившуюся просадку при достижении установленного критического объема, передать команду СУ ССФ для устранения появившейся просадки, что полностью предотвращает осадки фундамента и появление дополнительных зон напряженно-деформированного состояния (НДС) расположенного на нем сооружения.
То есть СУ ССФ полностью исключает возможность возникновения 46% аварий [3] и наносимого ими ущерба на опасных промышленных объектах, которыми являются РВС.
Литературно-патентный поиск
Для различных резервуаров и оснований подойдут определенные типы фундаментов. Порядок их монтажа в целом очень схож, но имеет свои технические особенности в каждом отдельном случае.
Грунтовая подушка (рис. 1) представляет собой грунтовые слои различной толщины с утрамбовкой катками или вибротрамбовками. Их масса должна быть не менее 5 т и не более 10 т. Высота подушки рассчитывается по проекту.
Такой вид фундамента часто используется при установке стальных пожарных резервуаров, а также резервуаров для нефтепродуктов подземного типа.
Поверх песчаной подушки для защиты днища резервуара от коррозии укладывается гидроизоляционный (гидрофобный) слой толщиной 8-10 см, изготавливаемый из смеси песка с битумом или отработанными маслами и темными нефтепродуктами.
Фундамент в виде железобетонного кольца (рис. 2) работает на вертикальные нагрузки, передаваемые от собственного веса конструкции, а также от массы веществ, которыми заполнен резервуар.
Так, в соответствии с ГОСТ 313852023 для резервуаров объемом 20003000 м3 под стенкой резервуара устанавливают железобетонное фундаментное кольцо шириной не менее 0,8 м и не менее 1,0 м - для резервуаров объемом более 3000 м3.
Кольцевой железобетонный фундамент применяется при наличии значительных контурных нагрузок по периметру стенки или, при необходимости, установки анкеров. Однако такая система никак не компенсирует неравномерные осадки грунта.
Состоит железобетонный кольцевой фундамент из арматуры и бетона. Внутреннее кольцо основания устраивается уплотненными грунтовыми слоями. На данном типе фундамента
гидрофобный слой устраивается аналогично типу «грунтовая подушка», устанавливаются дренажные трубы, расположение которых должно препятствовать проникновению грунтовых вод и сигнализировать о повреждении днища резервуара соответственно.
В ГОСТ 31385-2023 фундамент в виде сплошной железобетонной плиты (рис. 3) рекомендуется для резервуаров диаметром не более 15 м на немерзлых грунтах и для всех резервуаров на мерзлых грунтах, а также для всех резервуаров при хранении в них этилированных бензинов, реактивного топлива или иных ядовитых продуктов. Для возможности обнаружения протечек продукта уклон железобетонной плиты должен быть не менее 1% от центра к периметру с радиально расположенными дренажными канавками.
При проведении литературно-патентного обзора был сделан вывод, что не существует такой конструкции фундамента, которую можно оборудовать системой предотвращения неравномерных осадок.
В России обычно использовались призматические забивные сваи различной длины и сечения в сочетании с ростверками и плитами (рис. 4). При этом сваи забиваются под всем днищем в виде сплошного свайного поля с расстоянием между сваями 1 м.
Рис. 2. Фундамент в виде железобетонного кольца
Свайные фундаменты весьма затратные сооружения и по уровню капиталовложений приближаются к стоимости самого резервуара. Опыт устройства свайных фундаментов в резервуаростроении показывает, что во многих случаях не удается добиться допустимого уровня осадки сооружения [4].
Рис. 3. Сплошная железобетонная плита
Конструкция сегментно-сферического фундамента
ССФ состоит из железобетонной плиты, у которой нижняя часть имеет выемки, представляющие собой сегменты сфер, равномерно расположенные по всей площади железобетонной плиты в несколько рядов. Сваи жестко соединены с железобетонной плитой и расположены в местах пересечения трех сегментов сфер. Сваи представляют собой четырехгранные усеченные пирамиды, выполненные с предварительным выштамповыванием грунта. На рис. 5 показан вид ССФ в разрезе [5]. В предлагаемом способе измерения замкнутого объёма, появляющегося в каждом сегменте в результате просадки грунта, образовавшаяся полость заполняется воздухом до опредёленного давления. Затем от полученного результата измерений в каждом сегменте вычитаются результаты предыдущих измерений, передаются в систему контроля и сравниваются с установленным критическим значением. Если полученный результат равен или превышает установленный критический объём просадки грунта, то подается сигнал СУ ССФ на устранение просадки.
Способ измерения объема просадки грунта
Автоматическое измерение объема образовавшейся полости производится поочередно по всем сегментам ССФ одним датчиком, установленным в доступном для обслуживания месте.
Данный способ иллюстрируется на рис. 6, где изображена технологическая схема АС ССФ (4), в которой измерение объема образовавшейся полости просадки грунта происходит с помощью сжатого воздуха. Для определения объема полости в каждый сегмент (1) подается воздух до определенного давления, контролируемого манометром (5), воздух подается через равные промежутки времени (1-2 раза в месяц) с помощью компрессора (8), ресивера (7) и входного (2) и выходного (3) трубопроводов, проложенных в теле фундамента. Подаваемый объем воздуха контролируется расходомером (6). Устранение просадки производится с помощью шламового насоса (9), который подает дополнительный грунт (песок с транспортирующей жидкостью (водой)) под фундамент, полностью восстанавливая контакт фундамента с грунтом до появления осадки фундамента.
Объем сегмента, вычисляется по формуле:
Vc = 1 • п
(ЗА
(1)
I
Рис. 4. Свайный фундамент под резервуаром: 1 - резервуар, 2 - плита ростверка, 3 - слабая глина, 4 - плотная глина
Рис. 5. Разрез ССФ: а - плита, б - грунт, в - свая
где hс - задаваемая высота сегмента 0,75 м; Я - радиус сегмента сферы, равный 3 м.
Рис. 6. Технологическая схема АС ССФ 1 2 4
Рис. 7. Мнемосхема ССФ с системой контроля
I
Таблица 1
Сравнительный расчет ССФ и свайного фундамента
Наименование Сегментно-сферический фундамент Свайный фундамент
Объем бетона, затрачиваемого на строительство фундамента, м3 523,38 634,39
Площадь контакта грунта с фундаментом, м2 1888,03 1560,10
Несущая способность одной сваи, кН 569,4 263,92
Несущая способность фундамента, кН F Уп
237 850 < 287 528 202 277 < 229 250
Vс = 3 • 3,14(0,75)2 • (3• 3 -0,7) = 4,86 м3.
Для определения критического объема просадки грунта предлагается использовать 1/3 высоты сегмента, следовательно, высота полости критического объема просадки составит: 1!к =0,75/3 =0,25 м.
Критический объем просадки грунта для сегмента сферы составит:
Vс = 1 • 3,14(0,75)2 • (3• 3 -0,7) = 4,86 м3
Кроме того, применение системы измерения сжатым воздухом дает возможность продувать трубопроводы, очищая их от остатков песка и воды и утрамбовывать грунт в образовавшейся полости.
Состав СУ ССФ, оснащенного АС контроля просадок грунта
СУ ССФ, оснащенного АС контроля за объемом просадок грунта, состоит: из первого кольца трубопроводов, расположенных снаружи фундамента, соединенного с трубками, расположенными в теле фундамента, предназначенными для подачи воздуха или песка с водой; второго кольца трубопровода, соединенного с трубками, предназначенными для отвода воздуха и транспортирующей жидкости (воды); емкости с водой и песком, шламового насоса, манометра для контроля давления пульпы; компрессора с ресивером, манометра для контроля давления воздуха и датчика расхода воздуха (рис. 7).
Сравнительный расчет
Для сравнения выберем свайный фундамент, так как конструкция ССФ схожа со свайным. Результаты расчета необходимого для строительства объема бетона, площади контакта с грунтом, и несущей способности для ССФ и свайного фундамента приведены в табл. 1.
Выводы
При сравнении результатов расчетов очевидно, что на сооружение ССФ бетона потребуется на 12% меньше, а площадь контакта с грунтом и несущая способность у ССФ на 12,5% больше по сравнению со свайным фундаментом с железобетонной плитой такой же площади.
Предложенные в работе СУ и АС измерения и контроля просадки грунта ССФ позволяют обнаружить и устранить просадки грунта до возникновения неравномерной осадки фундамента и изменения НДС конструкции.
Также можно сделать вывод, что несущая способность ССФ, оснащенного СУ и АС ИК просадки грунта одинакова для любого грунта. В зависимости от грунта, будет изменяться лишь частота измерений появления просадок грунта, и определить ее возможно только экспериментальным путем.
Такой фундамент можно применять для строительства любых промышленных и гражданских сооружений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горелов А.С. Неоднородные грунтовые основания и их влияние на работу вертикальных стальных резервуаров: моногр. СПб.: Недра, 2009. 216 с.
2. Патент РФ № 2691800 C2 МПК E02D 35/00 Способ управления пространственным положением фундамента / Землеруб Л.Е., Терегулов М.Р., Матюха Д.А., Горбунов О.Е., Воробьев И.В. Опубл.: 18.06.2019. Бюл. № 17.
3. Землеруб Л.Е., Терегулов М.Р. Сегментно-сферический фундамент для РВС, оборудованный системой контроля и управления пространственным положением // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2017. № 2. С. 32-34.
4. Коновалов П.А., Мангушев Р.А., Сотников С.Н. и др. Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований. М.: АСВ, 2009. 336 с.
5. Патент РФ № 2599109 C2 МПК E02D 27/38 Фундамент для вертикального стального резервуара / Тян В.К., Якупов Р.Р., Околот А.А., Терегулов М.Р., Землеруб Л.Е. Опубл.: 10.10.2016. Бюл. № 28.
REFERENCES
1. Gorelov A.S. Neodnorodnyye gruntovyye osnovaniya I ikh vliyaniye na rabotu vertikal'nykh stal'nykh rezervuarov [Heterogeneous soil foundations and their influence on the operation of vertical steel tanks]. St. Petersburg, Nedra Publ., 2009. 216 p.
2. Zemlerub L.YE., Teregulov M.R., Matyukha D.A., Gorbunov O.YE., Vorob'yev I.V. Sposob upravleniya prostranstvennym polozheniyem fundamenta [Method for controlling the spatial position of the foundation]. Patent RF, no. 2691800, 2019.
3. Zemlerub L.YE., Teregulov M.R. Segmented-spherical foundation for vertical steel tanks equipped with a spatial position monitoring and control system. Transport I khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2017, no. 2, pp. 32-34 (In Russian).
4. Konovalov P.A., Mangushev R.A., Sotnikov S.N. Fundamenty stal'nykh rezervuarov I deformatsii ikh osnovaniy [Foundations of steel tanks and deformations of their bases]. Moscow, ASV Publ., 2009. 336 p.
5. Tyan V.K., Yakupov R.R., Okolot A.A., Teregulov M.R., Zemlerub L.YE. Fundament dlya vertikal'nogo stal'nogo rezervuara [Foundation for a vertical steel tank]. Patent RF, no. 2599109, 2016.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Сорокина Мария Николаевна, инженер 1 категории, ООО «СамараНИПИнефть».
Землеруб Леонид Евсеевич, старший преподаватель кафедры трубопроводного транспорта, Самарский государственный технический университет.
Терегулов Марат Рустамович, старший преподаватель кафедры трубопроводного транспорта, Самарский государственный технический университет.
Mariya N. Sorokina, Engineer 1st category, LLC SamaraNIPIneft.
Leonid E. Zemlerub, Senior Lecturer of the Department of Pipeline Transport, Samara State Technical University.
Marat R. Teregulov, Senior Lecturer of the Department of Pipeline Transport, Samara State Technical University.
