超厚軟基拌和站復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及沉降計(jì)算

徐步齊

(中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司, 湖南長(zhǎng)沙 410004)

基礎(chǔ)沉降過(guò)大容易引起不均勻沉降，影響結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)建成后所產(chǎn)生的最終沉降量，并判斷是否超出允許范圍，以便在設(shè)計(jì)時(shí)，采取相應(yīng)的工程措施以提高建筑物的安全性[1]。在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)也要滿足變形要求。對(duì)此，國(guó)內(nèi)的許多專家、學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。孫超等人[2]應(yīng)用FLAC3D軟件，模擬出z向位移值隨深度的變化曲線以及基底下的附加應(yīng)力圖，并和規(guī)范法進(jìn)行比較分析，總結(jié)了FLAC3D在模擬基礎(chǔ)沉降時(shí)的特點(diǎn)。文加奇[3]和王朝燕等人[4]分析了常見(jiàn)幾類地基沉降的具體計(jì)算方式，并結(jié)合地基基礎(chǔ)沉降的真實(shí)情況，分析了計(jì)算時(shí)需要注意的要點(diǎn)問(wèn)題。還有一些學(xué)者們[5-8]分析了基礎(chǔ)沉降的原因，并提出一些處理措施。

軟土地基承載力低，加載后易變形且不均勻，變形速率大且不易滿足建筑物地基設(shè)計(jì)要求，因此研究軟土地基上結(jié)構(gòu)的沉降是非常有意義的。Poulos[9]對(duì)不同情況下的樁筏基礎(chǔ)沉降計(jì)算進(jìn)行討論。尹玉[10]應(yīng)用巖土大型有限元軟件PLAXIS，分析比較了剛性基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)和樁筏基礎(chǔ)這三種基礎(chǔ)形式以及真空預(yù)壓前后對(duì)建筑物沉降影響。肖俊華[11]根據(jù)上海環(huán)球金融中心的實(shí)測(cè)沉降結(jié)果，研究了深埋樁筏基礎(chǔ)沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律，并運(yùn)用不同的方法計(jì)算沉降并與實(shí)測(cè)沉降進(jìn)行對(duì)比。

本文對(duì)黃圃拌和站進(jìn)行基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)測(cè)沉降結(jié)果，研究基礎(chǔ)沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律；同時(shí)，采用分層總和法計(jì)算地基沉降并與實(shí)測(cè)沉降進(jìn)行對(duì)比，從而更好地預(yù)測(cè)軟土地區(qū)的基礎(chǔ)沉降。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

黃圃拌和站用地位于中山市黃圃鎮(zhèn)境內(nèi)，新建南沙港鐵路NSGZQ-4標(biāo)段標(biāo)尾DK47+500處，地塊長(zhǎng)約230 m，寬約160 m，東西走向，北面臨近洪奇瀝水道，東側(cè)緊靠黃圃碼頭，地處河邊開(kāi)闊地帶，面臨臺(tái)風(fēng)考驗(yàn)。地塊原地面標(biāo)高在2.45～2.8 m之間，北側(cè)平行于水道有河堤，堤頂標(biāo)高在5 m左右。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，地表覆蓋有0.1～0.5 m腐殖土層，以下3 m范圍內(nèi)(挖機(jī)伸臂深度)為淤泥及砂層，且含水量大(圖1)，并且經(jīng)挖機(jī)、推土機(jī)等機(jī)械碾過(guò)后，地表有水流涌出(圖2)。

黃圃拌和站主要由粉罐和主樓組成(圖3)。其中，粉罐的總自重為1 200 kN(裝滿施工原材料)，主樓的總自重為500 kN。由于拌和站的地基為軟土地基，為防止基礎(chǔ)沉降過(guò)大，影響拌和站的正常使用，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，并采用φ500 mm的PHC管樁進(jìn)行承載力加固處理，打入深度為24 m，構(gòu)成復(fù)合基礎(chǔ)形式。粉罐和主樓的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

圖1 地表以下3m內(nèi)的土層情況

圖2 機(jī)械碾過(guò)后的現(xiàn)場(chǎng)

圖3 拌和站的整體布置

基礎(chǔ)的位置擴(kuò)大基礎(chǔ)PHC管樁l×b/mH/m樁長(zhǎng)L0/m樁徑Φ/mm粉罐3.2×3.2124500主樓10.4×6.4124500基底標(biāo)高(m)-0.8-24.8

1.2 地質(zhì)條件

拌和站北面臨近洪奇瀝水道，東側(cè)緊靠黃圃碼頭，地層主要由飽和的粉砂、淤泥質(zhì)土和細(xì)圓礫土組成。場(chǎng)地含水量較大。各土層的參數(shù)指標(biāo)情況如表2所示。

表2 地基各土層參數(shù)指標(biāo)

2 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

為了研究拌和站的地基沉降，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了24個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖4)。從2016年11月12日開(kāi)始進(jìn)行沉降測(cè)點(diǎn)標(biāo)高測(cè)量，于2017年7月31日結(jié)束，歷時(shí)231 d。

圖4 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

3 基礎(chǔ)沉降的理論與實(shí)驗(yàn)研究

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

由于篇幅有限，本文只列出了部分監(jiān)測(cè)結(jié)果(粉罐的監(jiān)測(cè)點(diǎn)14、15、20、21以及主樓的監(jiān)測(cè)點(diǎn)16、19)見(jiàn)圖5。

(a)粉罐的沉降量

(b)主樓的沉降量圖5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的積累沉降量

由圖5可知：

(1)在70 d之前，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的積累沉降量隨著監(jiān)測(cè)天數(shù)的增長(zhǎng)而迅速增大；監(jiān)測(cè)天數(shù)超過(guò)70 d后，積累沉降量的變化很小，這說(shuō)明拌和站的地基已沉降完全。

(2)當(dāng)監(jiān)測(cè)天數(shù)小于10 d時(shí)，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的積累沉降量為負(fù)值。這是因?yàn)榇藭r(shí)地基沉降量較小，且在觀測(cè)過(guò)程中有誤差。

(3)當(dāng)監(jiān)測(cè)天數(shù)為100～150 d之間時(shí)，主樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的積累沉降量有突變，這是由觀測(cè)過(guò)程中的誤差造成的。

3.2 理論分析

3.2.1 規(guī)范內(nèi)容

根據(jù)GB 50007-2011《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]第3.2.2條，基礎(chǔ)底面以下受壓土層Zn壓縮產(chǎn)生的總沉降量S可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：S為基礎(chǔ)的總沉降量(m)；n為基底以下地基沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)按壓縮模量的土層分層數(shù)目；σz(0)為基礎(chǔ)底面處的附加壓應(yīng)力(kPa)。

σz(0)=σh-γh

(2)

式中：σh為基底壓應(yīng)力(kPa)；b為基礎(chǔ)的寬度(m)；γ為土的容重(kN/m3)；h為基底埋置深度(m)；z為基底至計(jì)算土層頂面的距離(m)；zi,zi-1為自基底至第i和第i-1薄層底面的距離(m)。

地基沉降計(jì)算總深度zn的確定應(yīng)符合下列要求：

(3)

式中：ΔSi為計(jì)算深度范圍內(nèi)第i薄層土的沉降量；Sn為深度zn處向上取厚度為Δz的土層的沉降值；Esi為基礎(chǔ)底面以下受壓土層內(nèi)第i薄層的壓縮模量，根據(jù)壓縮曲線按實(shí)際壓力范圍取值(kPa)；Ci,Ci-1為基礎(chǔ)底面至第i薄層地面范圍內(nèi)和至第i-1薄層地面范圍內(nèi)的平均附加應(yīng)力系數(shù)(圖6)；ms為沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測(cè)資料及經(jīng)驗(yàn)確定，對(duì)于軟土地基ms不得小于1.3。

圖6 平均附加應(yīng)力系數(shù)

(4)

式中：φ1，φ2，…，φn為厚度l1，l2，…，ln各土層的內(nèi)摩擦角，l0為樁位于土中的深度(圖7)。

圖7 實(shí)體基礎(chǔ)的支撐面積計(jì)算示意

3.2.2 計(jì)算內(nèi)容

3.2.2.1 復(fù)合基礎(chǔ)

由工程概況可知，在施工過(guò)程中，經(jīng)挖機(jī)、推土機(jī)等機(jī)械碾過(guò)后，地表有水流涌出。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)所有土層均在地下水以下，其重度均取浮重度。同時(shí)，因?yàn)閷痘曌鲗?shí)體基礎(chǔ)，且外擴(kuò)后實(shí)體基礎(chǔ)中土體占比重較大，所以粉罐的實(shí)體基礎(chǔ)的重度取17.5 kN/m3，主樓的實(shí)體基礎(chǔ)的重度取18 kN/m3。由此可得粉罐的基礎(chǔ)底面附加應(yīng)力為σz(0)=27.17 kPa，主樓的基礎(chǔ)底面附加應(yīng)力為σz(0)=12.65 kPa。

此外，因?yàn)榘韬驼镜牡鼗鶠檐浲恋鼗匀s=1.3，利用式(1)求解粉罐和主樓的最終沉降量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 計(jì)算粉罐的地基最終沉降

表4 主樓的地基最終沉降

3.2.2.2 擴(kuò)大基礎(chǔ)(無(wú)打入樁)

假設(shè)拌和站的基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)(無(wú)打入樁)，并計(jì)算粉罐和主樓的基礎(chǔ)沉降。此時(shí)，粉罐的基礎(chǔ)尺寸為3.2 m×3.2 m，主樓的基礎(chǔ)尺寸為10.4 m×6.4 m。

由工程概況可知，在施工過(guò)程中，經(jīng)挖機(jī)、推土機(jī)等機(jī)械碾過(guò)后，地表有水流涌出。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)所有土層均在地下水以下，其重度均取浮重度，則粉罐的基礎(chǔ)底面附加應(yīng)力為σz(0)=124.02 kPa，主樓的基礎(chǔ)底面附加應(yīng)力為σz(0)=14.35 kPa。

此外，因?yàn)榘韬驼镜牡鼗鶠檐浲恋鼗匀s=1.3，利用公式(1)求解粉罐和主樓的最終沉降量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

表5 粉罐的地基最終沉降

表6 主樓的地基最終沉降

3.3 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比

由于上述計(jì)算中，假設(shè)粉罐中裝滿了施工材料，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)14和監(jiān)測(cè)點(diǎn)15處的粉罐為備用粉罐(自重未知)，因此只對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)20和監(jiān)測(cè)點(diǎn)21處粉罐的地基沉降的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)16和監(jiān)測(cè)點(diǎn)19處主樓的地基沉降的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值，對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

(a)粉罐

(b)主樓圖8 實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比

由圖8可知：

(1)當(dāng)粉罐和主樓的基礎(chǔ)均采用復(fù)合基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)沉降的實(shí)測(cè)值均小于其計(jì)算值，且實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的差值在4～6 mm之間。這說(shuō)明基礎(chǔ)沉降的實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較為吻合。

(2)當(dāng)粉罐的基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)(無(wú)打入樁)，基礎(chǔ)沉降的計(jì)算值是實(shí)測(cè)值的兩倍多。這說(shuō)明粉罐在軟土地基上不適合使用擴(kuò)大基礎(chǔ)(無(wú)打入樁)，原因是粉罐的自重大而基礎(chǔ)底面小。

(3)當(dāng)主樓的基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)(無(wú)打入樁)，基礎(chǔ)沉降的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差3～7 mm，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較為吻合。這說(shuō)明主樓在軟土地基上可以使用擴(kuò)大基礎(chǔ)(無(wú)打入樁)，原因是主樓的自重小而基礎(chǔ)底面面積大。

4 結(jié)論

(1)在70 d之前，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的積累沉降量隨著監(jiān)測(cè)天數(shù)的增長(zhǎng)而迅速增大；監(jiān)測(cè)天數(shù)超過(guò)70 d后，積累沉降量的變化很小，這說(shuō)明拌和站的地基已沉降完全。

(2)當(dāng)粉罐和主樓的基礎(chǔ)均采用復(fù)合基礎(chǔ)時(shí)，沉降量的實(shí)測(cè)值均小于其計(jì)算值，且實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的差值在4～6 mm之間；基礎(chǔ)沉降的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合。

(3)當(dāng)粉罐的基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)(無(wú)打入樁)，基礎(chǔ)沉降的計(jì)算值是實(shí)測(cè)值的兩倍多。這說(shuō)明粉罐在軟土地基上不適合使用擴(kuò)大基礎(chǔ)(無(wú)打入樁)。

(4)當(dāng)主樓的基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)(無(wú)打入樁)，基礎(chǔ)沉降的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差3～7 mm，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較為吻合。這說(shuō)明主樓在軟土地基上可以使用擴(kuò)大基礎(chǔ)(無(wú)打入樁)。

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