地震區構筑物基礎結構的選擇及其對造價的影響

◎ 王浩然

（沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧 沈陽 110168）

隨著世界經濟的高速發展，工業化程度的提高，構筑物得到蓬勃發展。筒倉等一些新型的構筑物在我國的應用越來越廣泛。自20世紀80年代從美國引進第一批鋼板倉至今已有30多年歷史，多年來幾代科學工作者不懈的努力研究，已經取得了輝煌的成績。裝配式、焊接型等一大批新工藝、新理念的設計水準均已經達到了世界發達國家的先進水平。國家標準及規范也日益完善，鋼板倉作為一種新的現代化倉儲設備，具有施工周期短、標準化程度高、基礎施工省等優點，越來越多地在糧油、飼料、釀酒、化工等行業得到了廣泛的應用。然而，鋼板倉基礎結構的選擇顯得尤為重要。在設計中應考慮地質條件、水文情況、冰凍線及深度等，尤其是地震烈度大、沿海地區顯得非常重要。

1 鋼板倉基礎形式及受力

1.1 鋼板倉基礎形式

鋼板倉基礎屬特種結構范疇，有別于其他建筑物，除滿足工藝要求、設備走向外，還包括底部庫房的使用，工藝要求在某種程度上限定場地的位置。基礎形式各不相同，受場地影響有單倉、雙倉、四倉、單排及雙排（見圖1～5），有柱支撐及砼剪力墻結構等（見圖6、7）。

圖1 鋼板倉單倉結構圖

圖2 鋼板倉雙倉結構圖

圖3 鋼板倉四倉結構圖

圖4 鋼板倉單排倉結構圖

圖5 鋼板倉雙排倉結構圖

圖6 柱支撐結構圖

圖7 剪力墻結構圖

1.2 鋼板倉基礎受力

基礎受力較為復雜，單倉可容納100～5 000 t不等，而且大直徑倉體受上部鋼結構的影響，一般5 000 t型荷載的單體倉按目前國內外比較有名生產廠家提供的工藝尺寸，直徑均在20 m左右，這就說明物料的活荷載是165 kN/m2，底板的厚度350 mm。從數值上分析同民用建筑相比簡直就是天文數字，設計者必須加以重視。設計時不只是考慮自身活荷載、靜載，還要考慮動荷載，瞬間加載、空倉情況，荷載重新分配，計算難度大。資料顯示，目前大直徑鋼板倉基礎國內許多設計單位采用的基礎形式主要有樁基礎、筏板基礎、箱型基礎、復合地基等。

2 工程實例

南方一城市新建10座5 000 t鋼板倉，其平面圖見圖8。

圖8 10座5 000 t筒倉平面圖

2.1 工藝參數

倉體直徑20 m，高度27 m，作用底部荷載165 kN/m2。下設2排輸送機、斗式提升機、通風系統，4 m深的工具室。

2.2 地質分析

根據《巖土工程勘察報告》評價，區域地質條件和本次勘察結果表明，場地所處地貌為海相一級階地，現場地開闊平坦。本次鉆探深度范圍內，地層主要由雜填土、海相沉積土組成。場地內第6層淤泥質黏土為震陷軟土，而第3層粉砂、第4層中砂和第5層粉土為液化土層，場地劃分對建筑抗震不利地段，根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[1]第4.3.6條至第4.3.9條，應采用全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且對基礎和上部結構處理的措施。經處理后本場地適宜進行該工程建設。因第3層土粉砂、第4層中砂大部分處于基坑挖除范圍內，所以設計時需要側重考慮第5層粉土和第6層淤泥質黏土其相應的負摩阻力和震陷對樁基礎的不利影響，地震烈度為8度設防，具體如表1、2、3所示。

表1 地基土承載力及有關巖土工程設計參數建議值表

表2 樁基巖土工程設計參考數建議值表

表3 估算單樁豎向極限承載力標準值表

2.3 討論

從表1、2、3數值可以看出，第3、4、5層土屬液化土，當地震來臨時該土層全部液化，像流水一樣，其中還產生負摩阻，地質相當復雜，施工技術要求高，必須按圖施工，土層外觀良好，現場管理人員往往忽視液化存在，產生誤導。如果設計中出現任何差錯后果都是不堪設想。這方面問題國內外均有報到。

3 設計方案

該工程具有幾種設計方案，一是采用高強預應力管樁，鉆孔灌注樁；二是復合地基。

（1）經結構計算，單樁承載力特征值為2 500 kN，根據地質報告估算豎向極限承載力標準值及《建筑地基基礎設計規范》（GB5007-2011）[2]初步設計時單樁豎向承載力特征值可按下式進行估算Ra=qpaAp+up∑qsali，結果滿足要求。

（2）持力層為第8層礫砂，樁段極限阻力標準值為1萬kPa，樁端深度不得小于1 000 mm。按《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）當建筑物的阻尼比按有關規定不等于0.05時，地震影響系數的阻尼調整系數和形狀參數應符合下列規定。曲線下降段的衰減指數按下式確定，γ=0.9+0.05-ξ/0.3+6ξ，最后確定豎向極限承載力標準值取6 000 kPa。按規范要求進行現場單樁試驗，對預制樁當有對比試驗時，采用了高應變檢驗單樁豎向承載了，檢測數量不少于總樁數的5%，且不得少于5根，滿足設計要求。最后進行破壞性試驗，結果為6 300 kN。

4 方案確定

業主組織召開專家論證會，對施工圖初步設計進行討論，預應力管樁基礎設計參數：樁直徑500 mm，樁長度22 m，承臺梁6 500×650；復合地基，承臺圓形，直接22 m，高度1.2 m，400×400砼方樁，長度22 m，按梅花形布置，間距1.2 m；增加褥墊層。灌注樁施工慢，施工質量差，單樁承載力低，根據周邊建筑物及相關資料，綜合考慮最后確定為預應力管樁基礎。

5 造價比較及施工情況

從施工圖預算及竣工結算對比，采用預應力管樁基礎單倉造價35萬左右，如果是復合地基造價為55萬元，10座筒倉共節約造價200萬元。時間縮短了2個月，樁基礎施工簡單，復合地基工藝繁瑣且施工周期長，尤其南方受高溫、多雨、臺風等天氣影響，質量無法保證,工程結束后，在全部滿倉的情況下，按規范進行沉降量觀測，滿足規范要求。

6 結語

通過以上分析及工程實例可以看出，當鋼板倉體積大、地震烈度高、地質條件復雜時，在確保結構安全的情況下，應優先采用預應力管樁基礎，基礎形式的不同，對造價和施工產生的差異是顯而易見的，在滿足同樣的使用條件下，可以使基礎造價大幅度降低。

參考文獻：

[1]中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50007-2011建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.