地震區(qū)構(gòu)筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的選擇及其對(duì)造價(jià)的影響

◎ 王浩然

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)化程度的提高，構(gòu)筑物得到蓬勃發(fā)展。筒倉(cāng)等一些新型的構(gòu)筑物在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。自20世紀(jì)80年代從美國(guó)引進(jìn)第一批鋼板倉(cāng)至今已有30多年歷史，多年來(lái)幾代科學(xué)工作者不懈的努力研究，已經(jīng)取得了輝煌的成績(jī)。裝配式、焊接型等一大批新工藝、新理念的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)均已經(jīng)達(dá)到了世界發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)水平。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范也日益完善，鋼板倉(cāng)作為一種新的現(xiàn)代化倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備，具有施工周期短、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、基礎(chǔ)施工省等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地在糧油、飼料、釀酒、化工等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，鋼板倉(cāng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的選擇顯得尤為重要。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮地質(zhì)條件、水文情況、冰凍線及深度等，尤其是地震烈度大、沿海地區(qū)顯得非常重要。

1 鋼板倉(cāng)基礎(chǔ)形式及受力

1.1 鋼板倉(cāng)基礎(chǔ)形式

鋼板倉(cāng)基礎(chǔ)屬特種結(jié)構(gòu)范疇，有別于其他建筑物，除滿(mǎn)足工藝要求、設(shè)備走向外，還包括底部庫(kù)房的使用，工藝要求在某種程度上限定場(chǎng)地的位置。基礎(chǔ)形式各不相同，受場(chǎng)地影響有單倉(cāng)、雙倉(cāng)、四倉(cāng)、單排及雙排（見(jiàn)圖1～5），有柱支撐及砼剪力墻結(jié)構(gòu)等（見(jiàn)圖6、7）。

圖1 鋼板倉(cāng)單倉(cāng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 鋼板倉(cāng)雙倉(cāng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 鋼板倉(cāng)四倉(cāng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 鋼板倉(cāng)單排倉(cāng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 鋼板倉(cāng)雙排倉(cāng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 柱支撐結(jié)構(gòu)圖

圖7 剪力墻結(jié)構(gòu)圖

1.2 鋼板倉(cāng)基礎(chǔ)受力

基礎(chǔ)受力較為復(fù)雜，單倉(cāng)可容納100～5 000 t不等，而且大直徑倉(cāng)體受上部鋼結(jié)構(gòu)的影響，一般5 000 t型荷載的單體倉(cāng)按目前國(guó)內(nèi)外比較有名生產(chǎn)廠家提供的工藝尺寸，直徑均在20 m左右，這就說(shuō)明物料的活荷載是165 kN/m2，底板的厚度350 mm。從數(shù)值上分析同民用建筑相比簡(jiǎn)直就是天文數(shù)字，設(shè)計(jì)者必須加以重視。設(shè)計(jì)時(shí)不只是考慮自身活荷載、靜載，還要考慮動(dòng)荷載，瞬間加載、空倉(cāng)情況，荷載重新分配，計(jì)算難度大。資料顯示，目前大直徑鋼板倉(cāng)基礎(chǔ)國(guó)內(nèi)許多設(shè)計(jì)單位采用的基礎(chǔ)形式主要有樁基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)、復(fù)合地基等。

2 工程實(shí)例

南方一城市新建10座5 000 t鋼板倉(cāng)，其平面圖見(jiàn)圖8。

圖8 10座5 000 t筒倉(cāng)平面圖

2.1 工藝參數(shù)

倉(cāng)體直徑20 m，高度27 m，作用底部荷載165 kN/m2。下設(shè)2排輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)，4 m深的工具室。

2.2 地質(zhì)分析

根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》評(píng)價(jià)，區(qū)域地質(zhì)條件和本次勘察結(jié)果表明，場(chǎng)地所處地貌為海相一級(jí)階地，現(xiàn)場(chǎng)地開(kāi)闊平坦。本次鉆探深度范圍內(nèi)，地層主要由雜填土、海相沉積土組成。場(chǎng)地內(nèi)第6層淤泥質(zhì)黏土為震陷軟土，而第3層粉砂、第4層中砂和第5層粉土為液化土層，場(chǎng)地劃分對(duì)建筑抗震不利地段，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[1]第4.3.6條至第4.3.9條，應(yīng)采用全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理的措施。經(jīng)處理后本場(chǎng)地適宜進(jìn)行該工程建設(shè)。因第3層土粉砂、第4層中砂大部分處于基坑挖除范圍內(nèi)，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要側(cè)重考慮第5層粉土和第6層淤泥質(zhì)黏土其相應(yīng)的負(fù)摩阻力和震陷對(duì)樁基礎(chǔ)的不利影響，地震烈度為8度設(shè)防，具體如表1、2、3所示。

表1 地基土承載力及有關(guān)巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表

表2 樁基巖土工程設(shè)計(jì)參考數(shù)建議值表

表3 估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值表

2.3 討論

從表1、2、3數(shù)值可以看出，第3、4、5層土屬液化土，當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)該土層全部液化，像流水一樣，其中還產(chǎn)生負(fù)摩阻，地質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜，施工技術(shù)要求高，必須按圖施工，土層外觀良好，現(xiàn)場(chǎng)管理人員往往忽視液化存在，產(chǎn)生誤導(dǎo)。如果設(shè)計(jì)中出現(xiàn)任何差錯(cuò)后果都是不堪設(shè)想。這方面問(wèn)題國(guó)內(nèi)外均有報(bào)到。

3 設(shè)計(jì)方案

該工程具有幾種設(shè)計(jì)方案，一是采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，鉆孔灌注樁；二是復(fù)合地基。

（1）經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，單樁承載力特征值為2 500 kN，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告估算豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB5007-2011）[2]初步設(shè)計(jì)時(shí)單樁豎向承載力特征值可按下式進(jìn)行估算Ra=qpaAp+up∑qsali，結(jié)果滿(mǎn)足要求。

（2）持力層為第8層礫砂，樁段極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值為1萬(wàn)kPa，樁端深度不得小于1 000 mm。按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）當(dāng)建筑物的阻尼比按有關(guān)規(guī)定不等于0.05時(shí)，地震影響系數(shù)的阻尼調(diào)整系數(shù)和形狀參數(shù)應(yīng)符合下列規(guī)定。曲線下降段的衰減指數(shù)按下式確定，γ=0.9+0.05-ξ/0.3+6ξ，最后確定豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取6 000 kPa。按規(guī)范要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)單樁試驗(yàn)，對(duì)預(yù)制樁當(dāng)有對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，采用了高應(yīng)變檢驗(yàn)單樁豎向承載了，檢測(cè)數(shù)量不少于總樁數(shù)的5%，且不得少于5根，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。最后進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，結(jié)果為6 300 kN。

4 方案確定

業(yè)主組織召開(kāi)專(zhuān)家論證會(huì)，對(duì)施工圖初步設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)：樁直徑500 mm，樁長(zhǎng)度22 m，承臺(tái)梁6 500×650；復(fù)合地基，承臺(tái)圓形，直接22 m，高度1.2 m，400×400砼方樁，長(zhǎng)度22 m，按梅花形布置，間距1.2 m；增加褥墊層。灌注樁施工慢，施工質(zhì)量差，單樁承載力低，根據(jù)周邊建筑物及相關(guān)資料，綜合考慮最后確定為預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)。

5 造價(jià)比較及施工情況

從施工圖預(yù)算及竣工結(jié)算對(duì)比，采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)單倉(cāng)造價(jià)35萬(wàn)左右，如果是復(fù)合地基造價(jià)為55萬(wàn)元，10座筒倉(cāng)共節(jié)約造價(jià)200萬(wàn)元。時(shí)間縮短了2個(gè)月，樁基礎(chǔ)施工簡(jiǎn)單，復(fù)合地基工藝繁瑣且施工周期長(zhǎng)，尤其南方受高溫、多雨、臺(tái)風(fēng)等天氣影響，質(zhì)量無(wú)法保證,工程結(jié)束后，在全部滿(mǎn)倉(cāng)的情況下，按規(guī)范進(jìn)行沉降量觀測(cè)，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析及工程實(shí)例可以看出，當(dāng)鋼板倉(cāng)體積大、地震烈度高、地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，在確保結(jié)構(gòu)安全的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)形式的不同，對(duì)造價(jià)和施工產(chǎn)生的差異是顯而易見(jiàn)的，在滿(mǎn)足同樣的使用條件下，可以使基礎(chǔ)造價(jià)大幅度降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.