軟弱地基上筒倉樁基設計

軟弱地基上筒倉樁基設計 軟弱地基上筒倉樁基設計

高 智*

(北京石油化工工程有限公司,北京 100107)

摘 要：結合工程的地質特點、工期要求和筒倉基礎的受力和沉降特點等因素,基礎采用了預應力混凝土管樁(PHC管樁),通過多方案比較确定了布樁方案,并以該方案為例,介紹了基礎設計需要計算的主要内容及其計算參數的選擇,重點介紹了豎向承載力、水平承載力以及沉降的計算,最後提出了對施工的要求,可供類似工程參考。

關鍵詞：軟弱地基, 筒倉, PHC管樁, 承載力, 沉降

1 概述

1.1 筒倉及其基礎概述

筒倉(貯倉)一般指貯存散料的直立容器,是貯存松散的粒狀或小塊狀原材料或燃料(如谷類、水泥、砂子、礦石、煤及化工原料等)的貯藏結構;可作為生産企業調節、運轉和貯存物料的設施,也可作為貯存散料的倉庫[1]。

筒倉的基礎選型應根據地基條件、荷載大小和上部結構形式綜合分析确定。對于圓形筒倉,宜采用筏形基礎或樁基[2]。

筒倉的樁基礎多采用混凝土灌注樁、鋼筋混凝土預制樁等。樁基礎是将上部結構荷載通過樁傳給堅硬土層或通過樁周圍的摩擦力傳給地基。樁基礎能減小地基不均勻沉降,對于重心位置較高的筒倉結構更具有重大意義,而且樁基礎使實際結構較好地符合類似懸臂梁簡圖的基本假定,所以我國沿海港口軟土地基上建造的筒倉多采用樁基礎[3]。

1.2 本工程概述

本例中筒倉為某礦渣粉生産線工程項目的子項:礦渣粉庫,筒身采用鋼筋混凝土結構,内徑18 m,庫高56 m,基礎埋深4.2 m,設計儲量10 000 t。筒倉形式采用IBAU庫,IBAU庫是目前常用的均化庫形式,由德國IBAU公司首先研制成功,在結構設計中,IBAU庫的主要特點是庫底中心有一個大圓錐,通過它将庫内物料的質量傳到庫壁上[4],代替常見的平厚庫底闆,錐體與庫壁的連接有兩種主要的形式,整體連接和非整體連接,本設計采用非整體連接。筒倉的剖面圖如圖1所示。

本工程共四個筒倉并排設置,兩側設置鬥提框架,平面位置如圖2所示。

2 基礎選型

本工程結構安全等級為二級;抗震設防類别為丙類;設計使用年限為50年。地震基本烈度7度,設計基本地震加速度值0.15 g,設計地震分組為第一組。建築場地類别為Ⅲ類;設計特征周期為0.45 s。地基基礎設計等級為乙級,樁基設計等級乙級,樁基環境類别二b。

由于篇幅關系,本文僅對中間倉進行分析,邊倉較中間倉增加鬥提框架,不在本文内容中。

本工程勘察場地為遼河三角洲,地面高度變化不大。地貌單元為沖積平原。根據勘察結果,在勘探深度内,拟建場地地層共分6層。場地地層自上而下依次為:①雜填土;②粉質黏土;③淤泥質粉質黏土;④粉質黏土;⑤粉質黏土;⑥粉質黏土。各層土天然地基承載力特征值見表1。

勘察期間,場地地下水類型,主要為①、②層粉質黏土、③淤泥質粉質黏土層中的上層滞水。

圖1 筒倉剖面圖(全部尺寸除注明外,均以mm為單位,标高以m為單位)

Fig.1 Silo sectional view

圖2 筒倉平面布置圖
Fig.2 Silo plan

表1 各層土天然地基承載力特征值

Table 1 Characteristic value of bearing capacity of natural foundation of each layer sorl

參數土名稱 承載力特征值fak/kPa壓縮模量平均值Es1?2/MPa②粉質黏土1104．0③淤泥質粉質黏土802．5④粉質黏土1605．0⑤粉質黏土1905．5⑥粉質黏土2206．5

補給來源主要為大氣降水,穩定水位埋深在1.10～1.6 m,穩定水位标高3.01～3.58 m,抗浮水位标高按3.0 m考慮。根據水質檢測報告,地下水在Ⅱ類環境中對混凝土結構具有微腐蝕性,在幹濕交替作用下對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性。

軟弱地基指主要由淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土構成的地基,其主要問題是:承載力不足及地基變形過大[5]。本例中主要解決的就是軟弱地基的承載力和地基變形問題。

筒倉物料及結構恒載、活載的标準值為:152 540.96 kN;承台厚度:2.4 m,面積:393.728 m2,承台自重标準值:23 623.68 kN;承台上覆土厚度:2.1 m,容重:18 kN/m3,承台覆土自重标準值:14 882.92kN。合計全部自重标準值:191 047.56 kN。

自重标準值/面積=191 047.56/393.728=485.23 kN/m2,基底坐落于③層上,承載力特征值為80 kPa,即使考慮修正也不能提供這麼高的承載力,故考慮使用樁基,樁基類型考慮選用灌注樁或預應力管樁。

由于本工程地質條件較差,預估樁基為摩擦樁,故應選擇較大表面積體積比的樁型,而小直徑樁的面積體積比較大,如800 mm的樁每混凝土可提供5 m2/m3表面積;600 mm的樁為6.67 m2/m3;500 mm為8 m2/m3。

樁徑考慮分别試算500 mm、600 mm直徑。

由于業主指定要求選用管樁,故選用圖集:03SG409《預應力混凝土管樁》(設計時還未出版10G409《預應力混凝土管樁》圖集)。500 mm樁徑編号:PHC-AB 500(100)(a型樁尖)。600 mm樁徑編号:PHC-AB 600(130)(a型樁尖)。

樁的中心距、樁端進入持力層的深度、樁頂嵌入承台内的長度等均按規範要求确定。

3 豎向承載力計算

500 mm樁徑樁基的承載力計算詳見表2。

表2 承載力計算

Table 2Capacity calculation

500mm樁徑，樁長45m，187#孔點(比較得出本孔點承載力最低)土層名稱及編号側阻力qsik/kPa厚度li/mqsik×li/(kN·m-1)雜填土①000粉質粘土②4200淤泥質粉質黏土③304．69140．7粉質黏土④6022．31338粉質黏土⑤648．2524．8粉質黏土⑥709．81679．7總計2683．2側阻力4214．76kN極限端阻力标準值qpk/kPa2400端阻力471．24kN合計4686kN承載力特征值2343kN

得出500 mm樁徑承載力特征值:2 343 kN,設計時取2 240 kN。

其中,03SG409圖集中規定“管樁樁身結構對應的單樁豎向力承載力最大特征值=2 300 kN”、“樁身結構豎向力承載力設計值=3 150 kN”,故承載力特征值為2 240 kN。

600 mm樁徑樁基的承載力計算詳見表3。

表3 承載力計算

Table 3 Capacity calculation

600mm樁徑，樁長45m，187#孔點(比較得出本孔點承載力最低)土層名稱及編号側阻力qsik/kPa厚度li/mqsik×li/(kN·m-1)雜填土①000粉質黏土②4200淤泥質粉質黏土③304．69140．7粉質粘土④6022．31338粉質黏土⑤648．2524．8粉質黏土⑥709．71679．7總計2683．2側阻力5057．71kN極限端阻力标準值qpk/kPa2400端阻力678．58kN合計5736．3kN承載力特征值2868．15kN

得出600 mm樁徑承載力特征值:2 868.15 kN,設計時取2 755 kN。

其中03SG409圖集中規定“管樁樁身結構對應的單樁豎向力承載力最大特征值=3 550 kN”、“樁身結構豎向力承載力設計值=4 800 kN”均大于計算值,故承載力特征值取2 755 kN。

當選用直徑500 mm的樁基布置時,考慮按4 d=2.0 m間距布置,如圖3所示兩種方案。

方案一(最内側樁軸線的同心圓滿足三樁的布置要求):共100根樁,總承載力=100×2 240=224 000 kN。

方案二(最内側樁軸線同心圓滿足四樁的布置要求):共96根樁,總承載力=96×2 240=215 040 kN。

當選用直徑600 mm的樁基布置時,考慮按4 d=2.4 m間距布置,如圖4所示兩種方案。

方案三(筒壁圓心布置一根樁):共75根樁,總承載力=75×2 755=206 625 kN。

方案四(最内側樁軸線的同心圓滿足五樁的布置要求):共74根樁,總承載力=74×2 755=203 870 kN。

單個承台及整個單體的布樁系數(上部總荷載與單樁承載力總和的比值)宜控制在0.75～0.90之間,試樁結果較理想時可取高值。

圖3 樁基布置對比圖
Fig.3 Comparison chart of pile foundation arrangement

圖4 樁基布置對比圖
Fig.4 Comparison chart of pile foundation arrangement

本例中,布樁系數方案一為191 047.56/224 000=0.853;方案二為191 047.56/215 040=0.888;方案三為191 047.56/206 625=0.925;方案四為191 047.56/203 870=0.937,可見僅方案一及方案二滿足要求。

根據樁基規範[6]第5.2.1-2條規定:地震作用效應和荷載效應标準組合,軸心豎向力作用下:NEKmax≤1.25R;偏心豎向力作用下:NEKmax≤1.5R。根據盈建科軟件計算結果,詳見表4。

表4 方案對比

Table 4 Comparison of different proposals

方案地震作用效應和荷載效應标準組合下，基樁的最大豎向力/kN對應的荷載組合方案一3208kN(1．5×2240=3360)承載率：95．48%1．0恒+0．5活?0．2風x?1．0震x+0．38豎震方案二3297kN(1．5×2240=3360)承載率：98．13%1．0恒+0．5活?0．2風x?1．0震x+0．38豎震方案三4071kN(1．5×2755=4132．5)承載率：98．51%1．0恒+0．5活?0．2風x?1．0震x+0．38豎震方案四4096kN(1．5×2755=4132．5)承載率：99．12%1．0恒+0．5活?0．2風x?1．0震x+0．38豎震

綜合上述的計算分析,并由于筒倉的荷載很大,在筒壁下範圍内必須按最小的樁間距布置盡可能多的樁基,上述所列各方案均為可能的情況下布樁最多的方案,故本工程選用方案一作為最終的設計及後面讨論的方案。

4 水平承載力計算

筒倉結構由于承受風荷載和地震作用,并且由于筒倉的物料荷載較大,在地震工況下會産生較大的水平地震力,對于預應力管樁需要驗算其水平承載力是否能夠滿足要求。

樁基的水平承載力與位移計算,是結構設計的難點,一般應通過試驗來确定。

根據樁基規範[6]第5.7.1條規定:受水平荷載的一般建築物和水平荷載較小的高大建築物單樁基礎和群樁中的基樁應滿足下式要求:Hik≤Rh。

Hik計算:按本規範第5.1.1-2條根據盈建科軟件計算結果,Hik=127 kN。

Rh計算:按本規範5.7.2-6條計算水平承載力特征值Rha,其中樁身抗彎剛度

樁的水平變形系數

樁頂允許水平位移χ0a=0.01 m,樁的換算深度αh=24.93 m,代入公式得:Rha=45.05 kN。按本規範5.7.3條計算Rh=ηhRha,其中,ηh=ηiηr+ηl=3.01,代入公式得Rh=135.44 kN,滿足要求。

影響單樁水平承載力和位移的因素包括樁身截面抗彎剛度、材料強度、樁側土質條件、樁的入土深度、樁頂約束條件。對于抗彎性能強的樁,如高配筋率的混凝土預制樁,樁身雖未斷裂,但由于樁側土體塑性隆起,或樁頂水平位移大大超過使用允許值,也認為樁的水平承載力達到極限狀态。

對于軟土地區或液化土要特别關注水平承載力校核。如果局部不足,可以整體考慮,通過梁、闆等構件增加整體性來實現,本例中承台厚2.4 m整體性較好。對于承台底部及側向土體比較好時,承台底土摩擦力及承台側土反力是抵抗水平力的重要組成部分,本例中把承台底土摩擦力及承台側土反力作為安全儲備,未予考慮。

考慮承載力比較接近,而且承台底為軟土地基,為加強樁基與承台的連接和水平承載力,故采取構造做法加強,見圖5。

5 沉降計算

當樁距小,樁數多,單樁應力傳到樁尖處後相互重疊,群樁與樁間土形成一個整體,近似于一個深埋實體基礎,群樁承載力就可以按實體基礎進行地基強度與變形驗算[7]。

根據樁基規範[6]第5.5.6～5.5.9條條文說明:樁距小于和等于6倍樁徑的群樁基礎,在工作荷載下的沉降計算方法,目前有兩大類。一類是按實體深基礎計算模型,采用彈性半空間表面荷載下Boussinesq應力解計算附加應力,用分層總和法計算沉降;另一類是以半無限彈性體内部集中力作用下的Mindlin解為基礎計算沉降。樁基規範采用等效作用分層總和法,沉降計算公式與習慣使用的等代實體深基礎分層總和法基本相同,僅增加一個等效地基沉降系數ψe。

計算時,對于其中幾個重要計算參數的選取:

(1) 基床系數是WINKLER模型重要參數,将土對基礎的約束假設成相互獨立的面彈簧。目前有多種确定基床系數的方法,有基于基礎底土性的經驗查表法,有基于實測沉降或計算沉降反推的剛度法。前者由于曆史原因與後者相差很大,前者可能是後者的10倍。查表法适用于單一建築僅計算内力的情況。由于目前軟件能相對準确考慮上部結構剛度,因此對于複雜大型基礎調平設計,特别是存在較大沉降差情況下,基于實測沉降或計算反推的剛度法是理論上嚴密,計算值合理的一種方法。基床反力系數的取值對于樁筏和不考慮承台效應的樁基礎,取為0。本例中即取0。

圖5 接頭詳圖(單位:mm)
Fig.5 Connection details (Unit:mm)

(2) 樁剛度包括抗壓剛度、抗拔剛度和彎曲剛度。

抗壓剛度:根據地質資料計算,采用“荷載除以位移”的方法用沉降試算法給出樁剛度,計算公式

本例中選取三根代表性位置的樁計算樁的抗壓剛度,由試算可知,最外圈樁剛度為最大,中心樁剛度最小,所選樁的平面位置見圖6。

其中Q為平均樁反力,按“荷載除以總樁數”确定,荷載包括:上部荷載的準永久組合(1.0恒+0.5活),筏闆自重,覆土重,闆面恒荷載,算得Q=1 922.31 kN。s為樁頂沉降,等于“樁身壓縮+樁端沉降”,樁身壓縮

其中,ξe=0.5,樁1在荷載效應準永久組合作用下樁頂的附加荷載Q1=1 895 kN,樁長l1=45 m,樁身混凝土的彈性模量Ec=38 000 N/mm2,樁身截面面積Aps=125 663.71 mm2,計算得樁身壓縮Se=8.93 mm,樁端沉降按盈建科計算結果為101 mm,代入計算得樁的抗壓剛度Kp=17 486.85 kN/m,同理計算得樁2的抗壓剛度Kp=43 470.49 kN/m,樁3的抗壓剛度Kp=45 800.57 kN/m。

圖6 樁的平面位置(單位:mm)
Fig.6 Plan position of piles (Unit:mm)

抗拔剛度:不考慮水浮力或其他樁受拉情況抗拔樁剛度可以不輸入,故本例中輸入0。

彎曲剛度對于筏闆一般影響不大,僅對于線性分布的樁或單樁考慮,故本例中輸入0。

根據盈建科軟件計算結果,沉降最大值為101.6 mm。沉降分布見圖7。

由于建模為單倉建模,未考慮相鄰基礎的影響,本例中考慮1#倉空倉、3#倉滿倉時,2#倉的傾斜最不利,故考慮相鄰基礎影響時應按樁基規範[6]第5.5.12條地基規範[8]第5.3.9條的角點法計算,先将不規則的基礎形狀等效成矩形,按樁基規範[6]第5.5.13條,詳見圖8,粗線矩形為等效矩形,等效時按面積相等的原則。計算1#倉基礎底面的附加應力po對2#倉基礎中心處引起的附加沉降量s0,所求沉降量s0為均布荷載po,由矩形面積A0123在O點引起的沉降量s0123減去由矩形面積A0543在O點引起的沉降量s0543的兩倍,即s0=2(s0123-s0543)。

計算得,2#倉基礎中點沉降最終值為107.1 mm;2#倉基礎右側中點沉降最終值為96.9 mm;2#倉基礎左側中點沉降最終值為76.1 mm;傾斜率為0.001 1。

以上計算結果滿足《鋼筋混凝土筒倉設計規範》[9]第5.4.3條:按正常使用極限狀态設計筒倉基礎時,應取标準組合,其傾斜率不應大于0.004,平均沉降量不宜大于200 mm。

圖7 沉降圖(單位:mm)
Fig.7 Settlement contour (Unit:mm)

6 施工要求

對滿堂布樁,無論樁距大小,均不宜從四周轉圈向内推進施工。因為這樣限制了樁間土向外的側向變形,容易造成大面積土體隆起,斷樁的可能性增大。可采用從中心向外推進的方案,或從一邊向另一邊推進的方案。

對滿堂布樁,無論如何設計施打順序,總會遇到新打樁的振動對已結硬的已打樁的影響問題,樁距偏小或夾有比較堅硬的土層時,亦可采用螺旋鑽機預引孔的措施,以減少沉、拔管時對樁的振動力。

後面打樁會影響前面的樁的垂直度,貌似一般解決的辦法是采用合理的沉樁設備和沉樁方式,控制沉樁速率,合理安排沉樁流程。

7 結論

結合實例分析了應用預應力管樁的筒倉基礎在軟弱地基中的實際應用的問題,得出以下幾點結論:

(1) 在計算中,應通過樁基選型、布置等滿足樁基豎向承載力的要求,通過對比發現雖然600 mm的單樁承載力特征值較高,但是在基礎面積有限的情況下,500 mm的管樁可以得到的總承載力是最高的。

圖8 等效矩形示意圖(單位:mm)
Fig.8 Schematic diagram of equivalent rectangles (Unit:mm)

(2) 由于筒倉物料荷載較大,水平地震荷載也較大,故樁基水平承載力的驗算也尤為關鍵,通過比較軟件及規範公式手算結果差異不大,可作為設計的參考。同時應注意加強樁基與承台的連接,推薦采用文中的加固節點詳圖。

(3) 對于沉降的計算要注意重要的參數(基床系數、樁剛度等)的選取,計算結果滿足規範要求,但應注意,沉降的計算本身的準确性有待考證,應注意與現場實際經驗相結合。

(4) 對于這類複雜地質條件的樁基施工提出了具體的要求。

參考文獻：

[1] 貯倉結構設計手冊編寫組.貯倉結構設計手冊[M].北京:中國建築工業出版社,1999.

Silo structure design manual writing group.Silo structure design manual [M].Beijing:China Architecture and Building Press,1999.(in Chinese)

[2] 朱彥鵬.特種結構[M].武漢:武漢理工大學出版社,2012.

Zhu Yanpeng.Special structures [M].Wuhan:Wuhan University of Technology Press,2012.(in Chinese)

[3] 王守忠.獨立筒倉基礎設計與計算[J].港工技術,1995,3:42-50.

Wang Shouzhong.Design and calculation for the foundation of independent silos [J].Port Engineering Technology,1995,42-50.(in Chinese)

[4] 劉春英.新型幹法水泥生産線生料均化系統的選擇[J].建材技術與應用,2008,(12):14-15.

Liu Chunying.Choice of the raw meal homogenization system of the new-type cement dry production line [J].Research & Application of Building Materials,2008,(12):14-15.(in Chinese)

[5] 朱炳寅.建築地基基礎設計方法及實例分析[M].北京:中國建築工業出版社,2013.

Zhu Bingyin.Building foundation design and case analysis [M].Beijing:China Architecture and Building Press,2013.(in Chinese)

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 94—2008建築樁基技術規範[S].北京:中國建築工業出版社,2008.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.JGJ 94—2008 Technical code of building pile foundations[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2008.(in Chinese)

[7] 顧曉魯.地基與基礎[M].北京:中國建築工業出版社,2003.

Gu Xiaolu.Ground and foundation [M].Beijing:China Architecture and Building Press,2003.(in Chinese)

[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50007—2011建築地基基礎設計規範[S].北京:中國建築工業出版社,2011.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50007—2011 Code for design of building foundation[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2011.(in Chinese)

[9] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50077—2003鋼筋混凝土筒倉設計規範[S].北京:中國建築工業出版社,2003.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50077—2003 Code for design of reinforced concrete[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2003.(in Chinese)

Design of Silo Pile Foundation on Soft Ground

GAO Zhi*

(Beijing Petrochemical Engineering Co.,Ltd., Beijing 100107, China)

Abstract：Combined with geological characteristics of a project,schedule requirements and mechanical properties and settlement characteristics of silo basesand,prestressed concrete piles are employed.The pile arrangement is determined through comparison of several proposals.The main contents and analysis parameters during the design of the foundation are introduced by illustration of this project,where calculation of the vertical and horizontal load-carrying capacities and the settlement are intensively described.Finally,the constructional requirements are proposed,which can be referenced for similar projects.

Keywords：soft ground, silo, PHC pipe pile, bearing capacity, settlement

收稿日期：2015-11-03

*聯系作者， Email:15010568700@139.com