近年来,随着国家战略石油储备基地建设的深入开展,大型油罐和原油储备库建设项目日益增多,储油罐也向集中化和超大型化的趋势发展,使其短圆柱状的薄壳结构不能再满足超大罐容的需求。饱和黄土地基的含水量高、承载力低,在内液压、地震等荷载作用下,储罐基础通常会发生各种类型沉降,将对储罐的正常运营和安全造成严重威胁。此外,地震荷载不但能使结构失稳、丧失承载力,还能引发火灾、爆炸等严重的次生灾害。因此,本论文依托饱和黄土地区修建的首座大型储油罐工程,对饱和黄土地基处理、油罐荷载下CFG桩复合地基承载与变形机理、油罐-基础-地基共同作用、罐体关键位置应力与应变分布、油罐地震反应特征和抗震性能等关键问题进行研究,对保障储罐的安全运行具有重要意义。主要研究内容和创新如下:(1)开展了CFG桩单桩及单桩复合地基承载特性静载试验,获得了CFG单桩及单桩复合地基的极限承载力。选取其中一座15万m~3储油罐,在罐区设置变形监测断面,地基内埋设测试元件,在充水试压时进行储罐基础监测。采用离心模型试验,模拟地基土应力水平,对比分析油罐荷载下饱和黄土地基和CFG桩复合地基的变形发展特征。研究表明,刚性CFG桩能够将较大的荷载传递至卵石层,起到端承效应,提高地基承载力,使其满足设计要求。饱和黄土层下的卵石层,能够很快消散掉外荷载引起的超静孔隙水压力,地基沉降较快趋于稳定。罐体充水后,通过环梁基础传递到地基表面的荷载较大,引起环梁基础下地基沉降变形增大。在罐底不同平面处,桩-土压力存在差异,随着半径增大,基底压力呈现出先增大后减小再增大的―M‖形变化趋势。(2)采用数值计算软件,建立CFG桩有限元模型,分析荷载水平、桩体长度、桩体模量、褥垫层技术参数、置换率等参数对CFG桩承载性能的影响。考虑桩土间的相互作用,推导出CFG复合地基桩间土压缩量的简化解析表达式。研究表明,在褥垫层的调节下,上部桩间土的压缩量大于桩体沉降量,且在桩顶一定深度范围内存在负摩阻区,中性点深度与桩周土沉降下限深度之比约为0.5。考虑到储罐底面的刚度较小,储罐荷载作用可假定为大面积柔性荷载,忽略桩端卵石层的压缩变形,采用简化法计算CFG桩复合地基压缩层的沉降与实测结果较为一致。而复合模量法的计算结果偏小,因为其夸大了桩体的作用。(3)对15万m~3的大型储罐进行罐壁、环梁的现场应力测试和变化规律分析,建立油罐-地基-基础系统有限元模型,进行环梁应力、罐壁环向应力与底板沉降分析,并将数值计算结果与现场测试值对比分析。进行罐底板应力与变形、储罐局部应力有限元分析,对储油罐底板局部翘离、大角焊缝弯曲应力进行定量分析。研究表明,充水量最大时,在距离罐底上表面3.34m处,罐壁环向应力达到最大值284.9MPa,底板连接处的轴向压应力达到最大值210MPa。在罐底板与罐壁连接的大角焊缝处,罐底板的径向弯曲应力约为环向应力的2.7倍。罐底板有反向―翘离‖现象,最大翘离高度为4.8mm,抗风圈和加强圈很好地限制了罐壁的径向位移,使罐壁环向应力与轴向轴力在其附近发生波动。(4)采用ANSYS有限元软件建立储油罐有限元分析模型,考虑油罐与储液的流固耦合作用和加强圈与抗风圈加强作用,进行不同储液高度下罐体的模态分析。通过输入天津宁河波,进行位移时程响应和应力时程响应分析。研究表明,设置加强圈和抗风圈对储油罐的高阶频率有较大的影响,随着液面的升高,储罐的低阶频率随之增大,而高阶频率则减小。同时,抗风圈和加强圈能有效的减小最大位移值的幅度和应力,达到控制罐体位移和应力,不因过早到达极限位移和屈服强度而破坏。加速度达到峰值时,储油罐整体环向应力最大值为744MPa,接近材料的极限抗拉强度,罐体局部可能会发生强度破坏。最大位移值为168mm,罐体结构进入塑性阶段,在抗震设计当中,可以利用材料的塑性特性。按照规范公式验算,储罐在0m～22m的充液高度范围储存液体时,均能满足8度设计地震(相当于475年一遇)不坏的抗震设防要求。