孫曉東

(1.大地工程開發(fā)(集團(tuán))有限公司，北京100102;2.天津城市建設(shè)學(xué)院，天津300384)

近年來在工業(yè)建筑中，尤其是煤炭行業(yè)，由于設(shè)計產(chǎn)能的因素，需要建造大型儲煤場和產(chǎn)品倉，此類建筑物往往占地面大，堆料高度高，如河北曹妃甸某圓形儲煤場直徑120 m，堆煤高度達(dá)34 m。由此所產(chǎn)生的大面積堆載對地基的變形影響深度大、范圍廣，尤其在軟土地區(qū)此種情形更為明顯[1]。假如在設(shè)計時未考慮到大面積堆載對地基變形產(chǎn)生的影響，將造成嚴(yán)重的后果，如建筑物地基產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致地坪下沉、墻體開裂、及由此引發(fā)柱內(nèi)傾等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響建筑物安全[2]。本文將就此問題結(jié)合工程實例加以計算和分析對比，以供同類工程設(shè)計時參考。

1 大面積堆載沉降變形計算方法

規(guī)范[3]規(guī)定由地面荷載引起柱基內(nèi)側(cè)邊緣中點的地基附加沉降計算值按分層總和法計算:

式中s－地基最終變形量;s'－按分層總和法計算出的地基變形量;ψs－沉降經(jīng)驗系數(shù);n－土層數(shù);p0－基礎(chǔ)底面附加壓力;Esi－基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量;zi、zi－1－ 基礎(chǔ)底面至第 i層土、第 i－1層土底面的距離;αi、αi－1－基礎(chǔ)底面計算點至第i層土、第i－1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。

關(guān)于地基變形計算深度，規(guī)范[3]規(guī)定，應(yīng)符合式(2)要求。

式中△si－在計算深度范圍內(nèi)第i層土的計算變形值;△sn－由計算深度向上取一定厚度△z的土層計算變形值。

地面荷載計算范圍:橫向取5倍基礎(chǔ)寬度，縱向為實際堆載長度，其作用面在基底平面處。當(dāng)荷載范圍橫向?qū)挾瘸^5倍基礎(chǔ)寬度時，按5倍基礎(chǔ)寬度計算。小于5倍基礎(chǔ)寬度或荷載不均勻時，應(yīng)換算成寬度為5倍基礎(chǔ)寬度的等效均布地面荷載計算。

2 工程實例

2.1 條形儲煤場

工程概況:山西長治某原煤儲煤場，儲煤長度120 m、寬度30 m。考慮后期堆煤高度15 m，煤堆荷載取150 kPa。場地地層見表1。

表1 場地地層Tab.1 Site formation

模型選取:按長120 m、寬30 m的堆煤場地實際情況，計算沉降最大值段的附加沉降。計算分四塊:1、2 塊長L=73 m、寬 b=15 m，3、4 塊長 L=47 m、寬b=15 m，計算模型見圖1。

計算過程:據(jù)規(guī)范[3]分層總和法，變形從地面算起，上返1.2 m驗算變形影響深度，當(dāng)△S≤0.025S停止計算。經(jīng)計算深度到30 m時，△S/S=0.014 ＜ 0.025，變形達(dá)到收斂，總沉降量 S=676 mm。由此可見，此大面積堆載影響深度大，達(dá)30 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)荷載作用下的影響深度[4]，且沉降變形大。

固結(jié)時間:變形影響深度H=30 m，孔隙比e=0.8，壓縮系數(shù) av=0.32 MPa－1，滲透系數(shù) k=0.87 ×103cm/a。

當(dāng)土體固結(jié)度為80%:由 α =1.0，Ut=0.8，查得Tv=0.6，土的固結(jié)系數(shù) Cv=k(1+e)/rwav=4.89 ×107(cm2/a)，固結(jié)時間 t=TvH2/Cv=44 d。

當(dāng)土體固結(jié)度為100%:由 α=1.0，Ut=1，查得Tv=0.95，土的固結(jié)系數(shù)Cv=k(1+e)/rwav=4.89 ×107(cm2/a)，固結(jié)時間 t=TvH2/Cv=66 d。

由上可知，大面積堆載地基變形大約在44 d后完成大部分沉降變形，在66 d后達(dá)到穩(wěn)定。

2.2 圓形儲煤場

工程概況:河北曹妃甸某圓形儲煤場直徑120 m，最大堆煤高度34 m，要求復(fù)合地基承載力320 kPa，擋煤墻要求復(fù)合地基承載力370 kPa，儲煤場示意圖見圖2，場地地層見表2。

表2 場地地層Tab.2 Site formation

模型選取:以最高堆煤點為沉降點，變形從地面算起。將圓形堆場簡化為矩形，左側(cè)為370 kPa矩形荷載外加50 kPa矩形荷載產(chǎn)生的沉降變形S1、S2，右側(cè)為320 kPa三角形荷載產(chǎn)生的沉降變形S3，最終總沉降變形量:S=S1+S3－S2。計算模型見圖3。

據(jù)規(guī)范[3]計算地面下50 m深度范圍內(nèi)各區(qū)沉降變形:S1=987 mm，S2=112 mm，S3=680 mm。則最終總沉降變形量

由收斂條件求得，此大面積堆載最大影響深度為26 m，變形影響深度范圍內(nèi)沉降變形為1 260 mm?？梢娷浲恋貐^(qū)大面積堆載影響深度以下一定范圍內(nèi)沉降變形量依然較大，約300 mm。如采用天然地基處理此場地，后期沉降驚人，設(shè)計人員必須對此問題引起重視，采取可靠措施控制好地基變形。

與復(fù)合地基變形對比:以曹妃甸圓形儲煤場為例，設(shè)計擬采用砂石樁+素混凝土樁復(fù)合地基，文獻(xiàn)[5]對此地基處理方式做了專門論述，闡述了組合型復(fù)合地基承載力及沉降變形的計算方法。

復(fù)合地基沉降變形依然分為三部分，計算模型同圖3。

素混凝土樁，樁徑600 mm，樁長26 m，單樁承載特征值Ra1=1 358 kN。砂石樁，樁徑600 mm，單樁豎向承載力特征值Ra2=350 kN，樁間土承載力特征值fsk=120 kPa。素混凝土樁承載力發(fā)揮系數(shù) η1取0.8，砂石樁承載力發(fā)揮系數(shù) η2取0.7，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)η3取0.55，置換率m1=m2=8.7% 。

根據(jù)規(guī)程[6]計算組合型復(fù)合地基承載力

根據(jù)規(guī)范[7]主控樁素混凝土樁復(fù)合地基承載力

據(jù)規(guī)范[3]復(fù)合地基土層壓縮模量

由分層總和法計算堆場總沉降量為

由上述計算結(jié)果分析可知，大面積堆載條件下未采取任何地基處理措施的地基沉降變形為1 260 mm，采取地基處理措施后地基沉降變形僅為48 mm，兩者差別達(dá)25倍之多，所以對于大面積堆載情況，均應(yīng)采取適宜方法進(jìn)行地基處理。

3 大面積堆載條件下負(fù)摩阻力問題

大面積堆載影響深度范圍內(nèi)，樁側(cè)應(yīng)受到負(fù)摩阻力作用，文獻(xiàn)[8－9]對此有專門論述。如果在樁基設(shè)計時未考慮或未能充分合理地考慮負(fù)摩阻力的影響，則會給工程建設(shè)帶來安全隱患[10]。

以曹妃甸圓形儲煤場為例，不考慮大面積堆載影響深度，只考慮上部19.3 m吹填土的負(fù)摩阻力。設(shè)計參數(shù)不變，經(jīng)計算組合型復(fù)合地基承載力 fspk=464 kPa＞320 kPa，滿足設(shè)計要求。

若考慮大面積堆載影響深度，此26 m深度范圍內(nèi)樁側(cè)土均按負(fù)摩阻力計算，中性點位置按表3計算[11]。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，在重要建筑物中，中性點深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗確定[8]。本例僅作定性分析，故采用規(guī)范法。

經(jīng)計算，素混凝土樁單樁承載特征值Ra1=704 kN，組合型復(fù)合地基承載力fspk=303 kPa＜320 kPa，不滿足設(shè)計要求。若樁加長至30 m，組合型復(fù)合地基承載力fspk=358 kPa＞320 kPa，滿足設(shè)計要求。由此可見，樁基設(shè)計時要充分合理地考慮負(fù)摩阻力的影響，必要時需加長樁長。

表3 規(guī)范給出的中性點位置Tab.3 Depth of neutral point in national code

4 結(jié)論

1)大面積堆載條件下對地基變形影響深度大，要超出常規(guī)荷載作用下的影響深度，因此要引起設(shè)計重視。大面積堆載情況下土體沉降在一定時間內(nèi)會趨于穩(wěn)定。

2)與復(fù)合地基相比，大面積堆載地基變形要多出25倍左右，可見進(jìn)行地基處理的必要性。對于復(fù)雜形狀的大面積堆載地基變形計算，需對模型進(jìn)行必要的簡化。

3)大面積堆載影響深度范圍內(nèi)，設(shè)計時需考慮樁身土體沉降產(chǎn)生的負(fù)摩阻力作用。

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