王 偉 聶慶科 李 寧 劉晶晶 張 鵬 翟自強(qiáng)

（1.河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北石家莊 050227；2.河北省巖土工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050227；3.河北省出省建筑隊(duì)伍管理服務(wù)中心，河北石家莊 050051）

0 引言

在優(yōu)化國家能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)方面，液化天然氣（LNG）以其低污染、低消耗、燃燒完全等優(yōu)點(diǎn)，成為受到世界各國青睞的綠色、清潔能源[1-5]。LNG 產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，LNG 存儲是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，LNG 低溫儲罐是LNG 儲存運(yùn)輸過程中的關(guān)鍵核心，也是LNG 接收站中投資最大的基礎(chǔ)設(shè)施，其占整個接收站成本的1/2～1/3[6]。截至2019年3月，國內(nèi)建成了21 座LNG接收站，69 座儲罐[7]。

LNG 具有易燃、易爆、低溫（-164.5℃）的特點(diǎn)，LNG 低溫儲罐一旦發(fā)生泄露、火災(zāi)、爆炸等事故，對接收站本身及周邊環(huán)境所產(chǎn)生的威脅不可估量[1]。因此，LNG 儲罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求較高，建造技術(shù)復(fù)雜。地基基礎(chǔ)作為LNG 儲罐的重要組成部分，其穩(wěn)固性和安全性對防止儲罐沉降、傾斜、失穩(wěn)而引起次生災(zāi)害的發(fā)生至關(guān)重要[8]。LNG 儲罐地基基礎(chǔ)的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在建造環(huán)境復(fù)雜、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)高、承受荷載較大、沉降要求較嚴(yán)、基礎(chǔ)底部需考慮通風(fēng)或換熱等方面[9-16]，與其他行業(yè)基礎(chǔ)相比，LNG 儲罐地基基礎(chǔ)往往表現(xiàn)為樁徑大、樁長深、布樁密度大、水平承載力要求高、施工難度大、施工要求高等特點(diǎn)[9-10]。

本文對LNG 儲罐地基基礎(chǔ)的重要性和復(fù)雜性進(jìn)行了分析總結(jié)，對儲罐地基基礎(chǔ)形式進(jìn)行了分類歸納，從安全性、經(jīng)濟(jì)性和適用性三個方面對不同基礎(chǔ)形式進(jìn)行了對比分析，以期指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 儲罐地基基礎(chǔ)概述

LNG 儲罐屬荷載大、危險(xiǎn)性大的建（構(gòu)）筑物。地基基礎(chǔ)作為LNG 儲罐的重要組成部分，對防止儲罐傾斜、失穩(wěn)而引起次生災(zāi)害的發(fā)生至關(guān)重要。由于LNG 儲罐自身的特點(diǎn)，導(dǎo)致其地基基礎(chǔ)與其他行業(yè)建筑地基基礎(chǔ)相比，具有一定的特殊性與復(fù)雜性。

1.1 建造環(huán)境復(fù)雜

LNG 儲罐通常建造于近海岸地區(qū)，屬鹽堿環(huán)境，地下水土對混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有不同程度的腐蝕性[17-18]。腐蝕環(huán)境下，混凝土的耐久性是工程界關(guān)注的重要問題。由于受到侵蝕，混凝土的強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)失效，使得混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為防止混凝土的腐蝕，常采用特殊水泥（如抗硫酸鹽水泥）或摻加添加劑(如抗腐蝕外加劑)，不僅大大增加了工程造價，而且防腐效果能否達(dá)到預(yù)期尚不能明確。LNG 儲罐作為危險(xiǎn)性較大的建（構(gòu)）筑物，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的要求非常高[13]。因此，腐蝕環(huán)境下地基基礎(chǔ)的防腐設(shè)計(jì)與施工，對確保LNG 儲罐長期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

1.2 抗震設(shè)防要求高

LNG 儲罐對于抗震作用要求很高[15]，應(yīng)進(jìn)行OBE 工況和SSE 工況下的抗震計(jì)算，保證LNG 儲罐在SSE 工況下安全停運(yùn)。OBE 工況應(yīng)為50年超越概率為10%（重現(xiàn)期475年）、阻尼比為5%的反應(yīng)譜表示的地震動，與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）規(guī)定的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)；SSE 工況應(yīng)為50年超越概率為2%（重現(xiàn)期2475年）、阻尼比為5%的反應(yīng)譜表示的地震動，與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）規(guī)定的罕遇地震超越概率2%～3%基本相同，略高[9]。儲罐地震響應(yīng)分析依據(jù)的地震譜通常是由國家地震局的地震安全評價得到的，然而場地位置不同，反應(yīng)譜也不同；同一位置，基巖埋置深度不同，反應(yīng)譜也不同。從目前的研究成果來看，不少地震響應(yīng)計(jì)算并未對此進(jìn)行明確，由此可能導(dǎo)致的結(jié)果是，對結(jié)構(gòu)的安全性評價結(jié)論值得商榷。

LNG 儲罐較高的抗震設(shè)防要求，導(dǎo)致按現(xiàn)有國家、行業(yè)規(guī)范進(jìn)行樁基水平承載能力計(jì)算時，無法滿足儲罐結(jié)構(gòu)水平承載力設(shè)計(jì)需求?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》第5.7.2 條規(guī)定：對于鋼筋混凝土預(yù)制樁、鋼樁、樁身正截面配筋率不小于0.65%的灌注樁，可根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果取地面處水平位移為10 mm（對于水平位移敏感建筑物取水平位移6 mm）所對應(yīng)的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。該規(guī)范規(guī)定的最大允許水平位移過小，不適用LNG 儲罐地基基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)。目前，國內(nèi)普遍做法是OBE 工況下采用水平位移10 mm 所對應(yīng)的樁基水平承載力，SSE 工況下采用水平位移40 mm 所對應(yīng)的樁基水平承載力。

1.3 荷載大、沉降要求較嚴(yán)

由于沿?？衫玫陌毒€減少，優(yōu)良的LNG 站址稀缺，這要求陸上接收站折合成單位面積的存儲量必須增加，使得LNG 儲罐向大型化發(fā)展。目前國內(nèi)建成的最大LNG 儲罐罐容2.2×105m3，世界上最大的罐容是KOGAS 在Samcheok 液化天然氣接收站建造的3 座2.7×105m3地上全容儲罐。LNG 儲罐大型化發(fā)展導(dǎo)致儲罐對地基基礎(chǔ)沉降控制要求越來越嚴(yán)格。LNG 儲罐對絕對沉降變形的限值，目前相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中未做明確規(guī)定，但在具體工程技術(shù)文件中，一般按照水壓試驗(yàn)工況沉降變形不大于25 mm、長期荷載作用下沉降變形不大于55 mm 進(jìn)行控制。LNG 儲罐基礎(chǔ)允許的沉降差[9]：

（1）底板邊緣任意2 個觀測點(diǎn)的沉降差不應(yīng)超過2 個觀測點(diǎn)之間弧長的1/1000；

（2）同一測量方位內(nèi)、外罐的相對沉降差不應(yīng)超過10 mm；

（3）任意方向直徑的兩端沉降差不應(yīng)超過儲罐外罐外徑的1/1000；

（4）儲罐中心與儲罐邊緣的沉降差不應(yīng)超過儲罐外罐外徑的3/1000。

1.4 地基基礎(chǔ)底通風(fēng)或換熱

儲罐存儲的介質(zhì)為-164.5℃LNG，盡管儲罐內(nèi)LNG 與外界環(huán)境之間采用了約1.0 m 厚度的保冷層隔離，但考慮儲罐內(nèi)低溫介質(zhì)的熱傳導(dǎo)作用，LNG 的冷量仍然會緩慢地傳導(dǎo)至罐外。當(dāng)基礎(chǔ)與地基土接觸時，會使地基土的溫度降低到零度以下的低溫，土壤發(fā)生凍脹現(xiàn)象，基礎(chǔ)發(fā)生凍裂現(xiàn)象，造成儲罐基礎(chǔ)受力不均而破壞，從而引發(fā)儲罐的傾斜、失穩(wěn)。因此，儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時，必須設(shè)法撤走傳導(dǎo)至罐外的冷量，防止地基土凍脹與基礎(chǔ)的凍裂[9]。

2 地基基礎(chǔ)形式分類及適用范圍

為防止儲罐內(nèi)LNG 冷量散失引起土壤凍脹、基礎(chǔ)凍裂的現(xiàn)象發(fā)生，儲罐地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時必須對地基與基礎(chǔ)采取防凍措施?？紤]到現(xiàn)行的有效措施主要為電伴熱和空氣對流兩種方式，因此LNG 儲罐基礎(chǔ)通常分為電伴熱落地式基礎(chǔ)和架空式基礎(chǔ)兩大類[9，19]。

2.1 電伴熱落地式基礎(chǔ)

電伴熱落地式基礎(chǔ)即儲罐基礎(chǔ)與地基土接觸，并在基礎(chǔ)底板內(nèi)設(shè)置電伴熱系統(tǒng)，以此抵消掉傳導(dǎo)入地基基礎(chǔ)內(nèi)的冷量，該落地式基礎(chǔ)可分為天然地基筏板基礎(chǔ)、復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)和低承臺樁基礎(chǔ)。

2.1.1 天然地基筏板基礎(chǔ)

當(dāng)儲罐區(qū)建筑場地土質(zhì)均勻、堅(jiān)實(shí)，性質(zhì)良好，地基承載能力和變形滿足設(shè)計(jì)要求時，儲罐基礎(chǔ)直接坐落在地基土上，并在基礎(chǔ)底板內(nèi)設(shè)置電伴熱系統(tǒng)，以此抵消掉傳導(dǎo)入地基基礎(chǔ)內(nèi)的冷量，稱天然地基筏板基礎(chǔ)?？紤]到LNG 儲罐的荷載較大，一般地基為巖層時采用該基礎(chǔ)形式（見圖1）。

圖1 天然地基筏板基礎(chǔ)

2.1.2 復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)

復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式與天然地基筏板基礎(chǔ)一樣。當(dāng)儲罐區(qū)建筑場地的承載能力及變形不能滿足設(shè)計(jì)要求且相差不大時，可采用適合的地基處理技術(shù)[20-24]對地基土進(jìn)行處理，形成復(fù)合地基，以提高地基的承載能力，減小地基的變形，儲罐基礎(chǔ)直接坐落在復(fù)合地基上，稱復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)。

目前LNG 接受站選址均為近海岸地區(qū)，地質(zhì)條件相對較差，現(xiàn)有地基處理技術(shù)對承載力的提升、變形的控制往往非常有限，因此該形式的地基基礎(chǔ)尚未應(yīng)用到工程實(shí)踐中。目前，復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)在鋼制低溫儲罐工程上應(yīng)用較多[25]。

2.1.3 低承臺樁基礎(chǔ)

低承臺樁基礎(chǔ)是建（構(gòu)）筑物的一種常見基礎(chǔ)形式，指基樁頂位于地面以下的樁基礎(chǔ)，承臺底面埋深應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范的要求（見圖2）。樁基具有承載力高、沉降量小而較均勻的特點(diǎn)，幾乎可以應(yīng)用于各種工程地質(zhì)條件和各種類型的工程，但考慮到低承臺樁基礎(chǔ)本身工程造價相對較高，為防止LNG 儲罐地基凍脹、基礎(chǔ)凍裂現(xiàn)象的發(fā)生，再在儲罐基礎(chǔ)內(nèi)安裝電加熱系統(tǒng)，則儲罐基礎(chǔ)的工程造價、運(yùn)行成本及后期維護(hù)費(fèi)將非常高，因此目前該基礎(chǔ)形式尚未應(yīng)用到LNG 儲罐工程。

圖2 低承臺樁基礎(chǔ)

2.2 架空式基礎(chǔ)

架空式基礎(chǔ)即通過一定方式將儲罐基礎(chǔ)抬高，與地基土脫開，儲罐基礎(chǔ)底板下形成高1.5～2.0 m的空氣通道[19]，通過基礎(chǔ)底板下空氣的自然流通將冷量帶走，是目前LNG 儲罐常采用基礎(chǔ)形式，可分為雙承臺架空基礎(chǔ)、高承臺樁基礎(chǔ)和雙承臺架空樁基礎(chǔ)。

2.2.1 雙承臺架空基礎(chǔ)

當(dāng)儲罐區(qū)建筑場地土質(zhì)均勻、堅(jiān)實(shí)，性質(zhì)良好，地基承載能力和變形滿足設(shè)計(jì)要求時，儲罐基礎(chǔ)可采用雙承臺架空式基礎(chǔ)直接坐落在地基土上，基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式為承臺+支撐短柱+儲罐底板，稱雙承臺架空基礎(chǔ)?？紤]到LNG 儲罐的荷載較大，一般地基為巖層時采用該基礎(chǔ)形式（見圖3）。

圖3 雙承臺架空基礎(chǔ)

2.2.2 高承臺樁基礎(chǔ)

高承臺樁基礎(chǔ)指樁頂標(biāo)高或承臺底標(biāo)高高出地基表面一定高度的樁基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是基樁部分樁身沉入土中，部分樁身外露在地基表面以上（見圖4）。

圖4 高承臺樁基礎(chǔ)

高承臺樁基礎(chǔ)以自然空氣的流通帶走儲罐傳導(dǎo)給基礎(chǔ)的冷量，不需要在基礎(chǔ)中埋設(shè)電伴熱系統(tǒng)，工程造價及后期運(yùn)維成本相對較低。因此，高承臺樁基礎(chǔ)形式在工程中應(yīng)用較廣泛[9,19]。

2.2.3 雙承臺架空樁基礎(chǔ)

雙承臺架空樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式為低承臺樁基礎(chǔ)+支撐短樁+儲罐底板（見圖5）。雙承臺架空樁基礎(chǔ)能夠穿透軟弱層達(dá)到較深的持力層，其承受豎向荷載的能力很好，對絕對沉降、不均勻沉降的控制能力也較強(qiáng)，同時具有較好的抗震能力。該基礎(chǔ)形式適用于工程地質(zhì)條件較差、良好的地基持力層埋深較深，且為地震高發(fā)、抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)。

圖5 雙承臺架空樁基礎(chǔ)

3 落地式和架空式基礎(chǔ)對比

3.1 安全性對比

（1）地震響應(yīng)

僅從結(jié)構(gòu)抗震性及穩(wěn)定性角度考慮，建設(shè)LNG儲罐時，落地式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)于架空式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[26-27]。

（2）基礎(chǔ)抗暴性

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及研究資料表明[27]，通常LNG 儲罐布置在小于14 kPa 的超壓沖擊波區(qū)域間，且LNG儲罐罐底設(shè)計(jì)可以承受的爆炸壓力為210 kPa。即使有外來的乙烷泄漏到罐底并發(fā)生爆炸（不可信事件），罐底結(jié)構(gòu)可以承受最大爆炸壓力，結(jié)構(gòu)安全；如果泄漏到罐底的LNG 氣化后發(fā)生爆炸，罐底結(jié)構(gòu)也是安全（目前是零概率事件）。因此，落地式基礎(chǔ)（沒有爆炸氣體積聚的空間）和架空式基礎(chǔ)在爆炸安全性上沒有差別。

3.2 經(jīng)濟(jì)性對比

LNG 儲罐基礎(chǔ)選擇落地式基礎(chǔ)或架空式基礎(chǔ)，主要取決于工程地質(zhì)條件、本地區(qū)的抗震設(shè)防烈度及儲罐的抗震要求。常規(guī)情況下，架空基礎(chǔ)的建設(shè)費(fèi)用、建設(shè)周期均高于落地式基礎(chǔ)，然而其后期的運(yùn)行成本及后期維護(hù)費(fèi)則非常低。以山東青島某接收站1.6×105m3LNG 全容罐為例，儲罐罐底漏冷量為2026666 MJ/a，青島地區(qū)年平均溫度為12.2℃，需地基土對基礎(chǔ)加熱量約為220752 MJ/a，因此加熱系統(tǒng)需要提供的熱量為1773064 MJ/a，每臺罐每年加熱耗電量為49.3×104kW·h。全容式儲罐的設(shè)計(jì)使用壽命為50年，儲罐基礎(chǔ)電加熱器的使用壽命不超過20年，加熱系統(tǒng)50年內(nèi)最少需要更換3 次。參照我國過去30年能源價格、物價、管理維護(hù)人工成本等的上漲趨勢，以靜態(tài)價格估算綜合建設(shè)和運(yùn)行的整體經(jīng)濟(jì)性，落地式基礎(chǔ)多出的費(fèi)用將非常可觀[27]。

3.3 適用性對比

LNG 接收站站址的選擇應(yīng)考慮港口位置、陸域可用地面積、周圍自然環(huán)境、周圍社會環(huán)境、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展情況等因素綜合確定[9]。

當(dāng)儲罐區(qū)基巖埋深較淺，且廣泛、均勻分布時，綜合各種因素儲罐基礎(chǔ)可選用天然地基筏板基礎(chǔ)或雙承臺架空基礎(chǔ)；當(dāng)儲罐區(qū)存在吹填土、素填土、軟弱土或混合土層時，建議結(jié)合地層條件可先采用預(yù)壓法、強(qiáng)夯法等地基處理技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，然后綜合各種因素可選用低承臺樁基礎(chǔ)、高承臺樁基礎(chǔ)或雙承臺樁基礎(chǔ)作為儲罐基礎(chǔ)。由于LNG 儲罐自重較大、抗震要求較高，當(dāng)選用樁基礎(chǔ)作為儲罐基礎(chǔ)時，基樁宜選用混凝土鉆孔灌注樁。

4 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

4.1 抗震設(shè)計(jì)

根據(jù)《液化天然氣接收站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51156-2015）[9]要求，LNG 儲罐要求能抵抗2475年一遇的地震。由于LNG 儲罐自重大，地震工況下LNG 儲罐需承受較大的水平地震力，為了滿足儲罐抗震要求，設(shè)計(jì)首先會考慮通過增大樁徑、增加樁數(shù)解決，然而儲罐基礎(chǔ)的直徑是一定的，不可能無限制地增大樁徑、提高布樁數(shù)量。因此，儲罐樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)是目前儲罐設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，也是LNG 儲罐向大型化發(fā)展的制約因素之一。

目前，LNG 儲罐設(shè)計(jì)與建造過程中，通常采用樁周土換填法、樁周土擠密法來提高基樁的水平承載能力，并取得了很好的工程實(shí)踐效果。然而，目前提高儲罐基礎(chǔ)水平承載能力的方法設(shè)計(jì)主要還依賴于工程經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，其理論分析與計(jì)算的研究滯后于工程實(shí)踐，不利于儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

4.2 群樁協(xié)調(diào)變形的控制

當(dāng)LNG 儲罐建設(shè)場地位于基巖埋深相對較淺、基巖面起伏較大的區(qū)域時，儲罐基礎(chǔ)下樁長的變化較大，不同樁長儲罐基礎(chǔ)沉降控制的研究資料少見報(bào)道。對于儲罐基礎(chǔ)的豎向變形控制，通常采用增加樁端入巖深度、提高基樁豎向承載力、減少基樁豎向變形解決，然而，當(dāng)樁長差別較大的情況下，樁身的壓縮變形也不可忽略。

LNG 儲罐樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時，歐標(biāo)體系要求考慮單樁失效的情況[28]。因此，地震工況下，樁長變化較大、嵌巖深度不一的群樁基礎(chǔ)水平變形協(xié)調(diào)也是設(shè)計(jì)計(jì)算的難點(diǎn)。對于樁長差別較大的嵌巖群樁基礎(chǔ)，同樣大小水平荷載作用下，遇巖較早、嵌巖深、樁長短的基樁水平位移量較長樁小，地震工況下，該類嵌巖樁會承擔(dān)較大的水平力，存在提前失效的風(fēng)險(xiǎn)，從而引起“多米諾骨牌效應(yīng)”的發(fā)生。針對該現(xiàn)象，廣東某LNG 接收站項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，通過在基巖面下一定深度范圍內(nèi)擴(kuò)孔、樁周回填級配砂石的措施，人為削弱基巖對嵌巖樁的水平約束，增大水平荷載作用下嵌巖樁水平變形能力，達(dá)到長短嵌巖樁水平協(xié)調(diào)變形的目的。然而，對于該樁型及群樁布樁的設(shè)計(jì)計(jì)算還主要依賴于數(shù)值模擬，缺乏計(jì)算理論、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。

5 結(jié)語

（1）LNG 具有易燃、易爆、低溫（-164.5℃）特點(diǎn)，地基基礎(chǔ)作為LNG 儲罐的重要組成部分，其穩(wěn)固性對防止儲罐傾斜、失穩(wěn)而引起次生災(zāi)害的發(fā)生至關(guān)重要。儲罐地基基礎(chǔ)的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在建造環(huán)境復(fù)雜、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)高、承受荷載較大、沉降要求較嚴(yán)、冷量疏解與保溫等方面。

（2）分類歸納了LNG 儲罐的地基基礎(chǔ)形式，將儲罐地基基礎(chǔ)形式定義為兩大類，細(xì)分為六種具體形式，給出了各種基礎(chǔ)形式的定義、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及適用范圍，并從安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性三個方面進(jìn)行了對比。

（3）復(fù)雜地層中、高抗震設(shè)防條件下，LNG 儲罐地基基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)變形控制是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，目前相關(guān)的研究成果不多，其理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不利于儲罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，同時制約著LNG 儲罐向超大型化的發(fā)展。