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地面堆載廠房軟土地基基礎(chǔ)設(shè)計與施工研究

發(fā)布日期： 2013-08-07 發(fā)布：  

  2013年14期目錄       本期共收錄文章20篇

　　摘 要：在廣東省湛江市（處沿海軟土地基）興建廠房或倉庫，廠房或倉庫的地面堆載，軟基處理是必須面臨的技術(shù)難題。本文以具體的工程實例，從設(shè)計與施工方面做了探討。
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　　關(guān)鍵詞：軟土地基；地面堆載；設(shè)計施工
　　中圖分類號：U44 文獻標識碼：A
　　一、概述
　　工業(yè)廠房設(shè)計中常遇見大面積地面堆載的地基處理問題。一類情況是大噸位的大面積地面堆載，如100kN/㎡、200 kN/㎡，且對地面平整度不作過高要求。在這種情況下只要廠房的柱下采用樁基礎(chǔ)，則廠區(qū)的地面通常不用采取地基處理措施，至多要考慮地面堆載是否會導致柱下樁基礎(chǔ)的負摩阻力。
　　另一類情況是地面堆載較輕，對廠區(qū)地面平整度又不能完全忽視時的地基處理問題。
　　當大面積地面堆載為10kN/㎡以下時，廠區(qū)的地面一般均可考慮采取地基處理措施；但當大面積地面堆載達到30-40kN/㎡時，廠區(qū)的地面是否應采取地基處理措施就是個難題。這個難題實際上并非技術(shù)問題，而是如何設(shè)計出既經(jīng)濟又安全的地基處理方案的問題。
　　現(xiàn)圍繞某單層工業(yè)廠房大面積地面堆載的地基處理的設(shè)計失誤，對如何進行既經(jīng)濟又安全的地基處理設(shè)計進行分析。
　　二、案例分析
　　1 工程概況
　　某單層工業(yè)廠房，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，單柱軸力約750kN，跨度20m，柱距8m，設(shè)有20t行車，，總面積約17000㎡。廠房內(nèi)地面大面積均布荷載30kN/㎡。
　　擬建場地在35.0m深度范圍內(nèi)的地基土均屬第四紀全新世與上更新世沖積沉積物，粉質(zhì)黏土"硬殼層"埋層較深，土質(zhì)均勻，可塑一軟塑，中壓縮性；1.9m厚的粉質(zhì)黏土
　　“硬殼層”以下為15m厚的淤泥質(zhì)黏土，強度低，屬高壓縮性、高靈敏度、低強度地基土，工程性質(zhì)差，為天然地基的主要壓縮層；第5-2與5-3層土屬中等壓縮性土，工程性質(zhì)較好，可作為以摩擦為主的樁基持力層。該工程地基土的物理力學性質(zhì)指標見表1。
　　2 地基基礎(chǔ)設(shè)計
　　對于單層工業(yè)廠房的基礎(chǔ)，該工程地質(zhì)勘察報告的“結(jié)論與建議”認為，廠房柱下可采用預制樁，樁長25m，直徑400mm，單樁承載力特征值為500kN，以第5-2層土為樁端持力層。對于廠區(qū)地面大面積均布荷載30kN/㎡，該工程地質(zhì)勘察報告認為，由于第3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與第4層淤泥質(zhì)黏土的總厚度為15m，均為飽和、流塑、高壓縮性土，地基承載力特征值為55～60kPa，壓縮模量約為3.3MPa；而表層“硬殼屠”土厚度僅L 8m，地基承載力特征值為70kPa，壓縮模量為6MPa；大面積地面均布堆載30kN/㎡的沉降影響范圍及深度較大，因此對于大面積地面均布堆載采用天然地基不能滿足要求，建議采用復合地基進行處理。地基處理方法可采用真空預壓、水泥攪拌樁復合地基、石灰樁復合地基。三種地基處理方法的技術(shù)經(jīng)濟比較見表2。
　　該工程基礎(chǔ)的最大特點有二：第一，最大樁荷載僅750kN，但由于運行20t行車，故柱底水平荷載與彎矩均較大；第二，廠區(qū)地面有30kN/㎡的大面積均布堆載。
　　設(shè)計人員根據(jù)地質(zhì)勘察報告建議，對于廠區(qū)地面采用直徑500mm、長度15m的水泥攪拌樁進行地基處理，間距1.3mXl.3m。廠房中柱下布置4根直徑500mm、長度25m預應力鋼筋混凝土管樁，邊柱下布置2根直徑500mm、長度25m預應力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為500kN。
　　3 工程問題
　　業(yè)主認為：首先，廠區(qū)地面若采用水泥攪拌樁復合地基進行處理，僅水泥攪拌樁造價就高達50～60萬元，而且水泥攪拌樁的施工時間約需30d，其與預應力鋼筋混凝土管樁的施工有一定沖突，因此極大地影響了整個工程的預定工期，這是業(yè)主完全不可能接受的；其次，單層鋼結(jié)構(gòu)屋蓋工業(yè)廠房的柱底最大荷載僅750kN，卻布置了3-4根預應力鋼筋混凝土管樁，承載力高達1500～2000kN，為柱底最大荷載的2～3倍�？傊�，業(yè)主認為整個廠房的基礎(chǔ)造價太高而且無法滿足施工工期的要求。于是在與設(shè)計人員協(xié)商未果之后，委托某工程顧問公司進行廠房基礎(chǔ)的優(yōu)化咨詢。
　　4 失誤原因分析
　　對于預應力混凝土管樁，顧問公司認為該工程屬于柱底垂直荷載較小，水平荷載與柱底彎矩較大的情況，為平衡柱底較大彎矩，設(shè)計人員采用多樁承臺樁基礎(chǔ)是合適的。但可以用承載力較小的沉管灌注樁或同樣樁長的小方樁來代替，并優(yōu)化布樁形式，預計可降低樁造價的1/3左右。具體樁基礎(chǔ)優(yōu)化方案如下：當中柱柱底軸力標準1000kN，柱底彎矩標準值為1400kN·m時，中柱下原布置4根直徑500mm，長25m預應力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為500kN，可改為中柱下布置3根直徑400mm，長25m預應力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為400kN，通過調(diào)整3樁之間的樁距來平衡柱底彎矩。
　　當中柱柱底軸力標準1800kN，柱底彎矩標準值為880kN·m時，中柱下原布置4根直徑500mm，長度25m預應力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為500kN，可改為中柱下布置3根直徑500mm，長30m預應力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為620kN，通過調(diào)整3樁之間的樁距來平衡柱底彎矩。
　　邊柱下布置2根直徑400mm，長25m預應力鋼筋混凝土管樁，單樁承載力特征值為400kN，通過調(diào)整2樁之間的樁距來平衡柱底彎矩。樁距的調(diào)整參見圖1。
　　關(guān)于場地大面積堆載的處理，《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施——結(jié)構(gòu)》第2章第2.9.3條指出：當?shù)孛娑蚜陷^大時，應考慮堆料對地基不均勻沉陷的影響。若地面等效均布荷載小于表的數(shù)值，可以不考慮堆料對地基不均勻沉陷的影響。
　　三、對策研究
　　上述規(guī)定主要是根據(jù)工程實踐總結(jié)而來的。湛江地區(qū)的表層粉質(zhì)黏土“硬殼層”的厚度一般為2-3m，可塑一軟塑狀態(tài)，是淺基礎(chǔ)的良好持力層。設(shè)計基礎(chǔ)時保留硬殼層，可以有效地保護下臥軟土層免受擾動，減少建筑物的沉降變形。 　　根據(jù)十字板剪切強度與深度的關(guān)系判斷，地區(qū)表層粉質(zhì)黏土“硬殼層”屬超固結(jié)土，這種超固結(jié)狀態(tài)與粉質(zhì)黏土“硬殼層”曾是地面有關(guān)。而地區(qū)地面以下10m范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土層屬輕微超固結(jié)土層（平均超固結(jié)比OCR=1.10）。其超固結(jié)狀態(tài)可能是環(huán)境變化特別是氣候條件（如干燥、蒸發(fā)等）非超載因素所致。因此，根據(jù)地區(qū)多年工程實踐經(jīng)驗，即使是大面積堆載，只要不大于30kN/㎡，在土的前期固結(jié)壓力左右，此時作用在粉質(zhì)黏土“硬殼層”之下淤泥質(zhì)黏土上的附加壓力也未超過淤泥質(zhì)黏土的天然結(jié)構(gòu)強度，地面沉陷就不至于很大；而當?shù)孛娲竺娣e堆載超過40kN/㎡左右時，應考慮采取地基處理措施。
　　具體到本案例的具體情況，顧問公司建議補充進行地面以下10m之內(nèi)的十字板剪切試驗，進一步了解粉質(zhì)黏土"硬殼層"之下淤泥質(zhì)黏土的物理力學性質(zhì)，可由丌C。計算得到淤泥質(zhì)黏土的天然結(jié)構(gòu)強度C。為根據(jù)十字板剪切試驗求得的抗剪強度。
　　本案例原設(shè)計方案對廠區(qū)地面采用水泥攪拌樁復合地基進行處理，除了考慮30kN/㎡的大面積地面堆載導致地面不均勻沉陷外，還擔心廠房樁基受大面積地面堆載影響而產(chǎn)生負摩阻力，從而導致廠房樁基發(fā)生附加沉降與內(nèi)傾。對于這點疑問，顧問公司認為，根據(jù)經(jīng)驗，在樁基旁堆載達150kN/㎡時，仍不需在地坪下布置樁基來解決負摩阻力問題。
　　某無縫鋼管廠曾進行堆載試驗，在22m×30m的面積內(nèi)用碎石堆載150良N/㎡；堆載邊緣鄰近設(shè)一個4樁基礎(chǔ)，承臺尺寸為5.4m×5.4m，樁采用60m長鋼管樁。試驗結(jié)果是，由堆載引起的樁沉降值為10mm；150kN/㎡堆載下土的最大沉降值為520mm，而樁的側(cè)向變形值最大為37mm，發(fā)生在地表以下5m處。試驗結(jié)果表明，就某無縫鋼管廠的情況，大面積堆載150kN/㎡引起的樁負摩阻力影響較小，占樁的總沉降量的百分比也較小，樁的側(cè)向位移也不大。
　　某廠第一水壓機車間24m露天跨的柱下采用樁基礎(chǔ)，地面大面積堆載105kN/㎡（局部160kN/㎡）。1958年投產(chǎn)，至1961年實測，8m高行車軌道頂部的最大位移為59mm，柱頂最大內(nèi)傾位移為46mm。實測結(jié)果表明，就某廠第一水壓機車間24m露天跨的情況，大面積堆載105kN/㎡引起的樁負摩阻力影響并不明顯。
　　鑒于本案例的30kPa地面堆載，與無縫鋼管廠和某廠第一水壓機車間的地面大面積堆載105～150kN/㎡相差甚大，因此本案例地面堆載對廠房柱下樁基礎(chǔ)的影響應在可控范圍之內(nèi)。
　　通過顧問公司的優(yōu)化設(shè)計，本案例的基礎(chǔ)共降低造價近100萬元，折合每平方米約50元。
　　此外，對于最大單柱軸力750kN的單層鋼結(jié)構(gòu)屋蓋廠房，提出了單樁承載力特征值達到500kN左右的樁型，也欠考慮，造價偏高；本案例還有20t行車，柱底水平荷載較大，選用單樁承載力較小的多樁承臺樁基礎(chǔ)較為合理。
　　參考文獻
　　[1]建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB500072011）[Z].
　　[2]建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94-2008）[Z].

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