混凝土拌和站基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算

籍春雷

摘要：混凝土拌和站是橋梁、涵洞等結(jié)構(gòu)物施工的重要生產(chǎn)工具，已在我國(guó)施工建設(shè)中被廣泛的應(yīng)用。為確保混凝土拌和站安裝穩(wěn)固及施工人員的安全，保障拌和站能夠穩(wěn)定高效的為施工項(xiàng)目供應(yīng)充足的混凝土，本文通過對(duì)霍阿高速路基4標(biāo)混凝土拌和站水泥倉(cāng)和主機(jī)基礎(chǔ)承載力、地基承載力及抗傾覆值的驗(yàn)算，總結(jié)出相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)與計(jì)算依據(jù)，可為相關(guān)的工程提供經(jīng)驗(yàn)與參考。

關(guān)鍵詞：混凝土；拌和站；承載力；抗傾覆；驗(yàn)算

近年，基礎(chǔ)建設(shè)對(duì)混凝土的需求量激增，自建混凝土拌和站能夠保證施工需求的混凝土數(shù)量和質(zhì)量，而且具有經(jīng)濟(jì)便利，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可重復(fù)使用的特點(diǎn)，越來越受到各施工單位青睞。目前各個(gè)大型項(xiàng)目更傾向于采用自建混凝土拌和站以保證施工需求。

在實(shí)際混凝土拌和站建設(shè)中，需解決基礎(chǔ)承載力、地基承載力及各個(gè)拌和站結(jié)構(gòu)傾覆的危險(xiǎn)。基于此需對(duì)以上三個(gè)控制指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，其結(jié)果可為混凝土拌和站安全建設(shè)和使用提供依據(jù)，為保障混凝土拌和站能夠安全高效生產(chǎn)提供保障。

1工程概況

本工程屬于霍阿一級(jí)公路的一段，位于霍林郭勒市郊區(qū)，以路基和橋梁工程為主，全程6200米。其中橋梁2座，分別為K31+624霍林郭勒特大橋和K35+958寶村特大橋，全為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。橋梁構(gòu)筑物工程量大，混凝土需求量大，由于地處偏遠(yuǎn)郊區(qū)，商品混凝土運(yùn)輸不便，項(xiàng)目部決定自建混凝土拌和站，以滿足施工需求和工程進(jìn)度安排。

混凝土拌和站在K33+350～K33+450右側(cè)設(shè)置，集中供應(yīng)混凝土施工，占地面積11423㎡。

2混凝土拌和站的基本組成

HZS120型混凝土拌和站主要由儲(chǔ)料倉(cāng)裝置系統(tǒng)、配料供給系統(tǒng)、水泥供給系統(tǒng)、自動(dòng)供水系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、計(jì)量控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等組成，拌和站構(gòu)造圖如圖 2-1所示。其中儲(chǔ)料倉(cāng)裝置系統(tǒng)配置了4個(gè)倉(cāng)位的混凝土儲(chǔ)配料倉(cāng)，分別存放大碎石（19.5-31.5mm）、中碎石（9.5-19.5mm）、細(xì)碎石（4.75-9.5mm）、粗砂。

3水泥倉(cāng)基礎(chǔ)驗(yàn)算

3.1基礎(chǔ)埋深計(jì)算

本合同段位于北方地區(qū)，土質(zhì)屬于季節(jié)性凍土，參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)有實(shí)測(cè)資料時(shí)按Zd=h，-△z計(jì)算[1]；

式中：Zd——場(chǎng)地凍結(jié)深度（m）；h，——最大凍深出現(xiàn)時(shí)，場(chǎng)地最大凍土層厚度；△z——最大凍深出現(xiàn)時(shí)，場(chǎng)地表凍漲量（m）。

根據(jù)多年實(shí)測(cè)，當(dāng)?shù)刈畲髢鐾梁穸葹?.5m；當(dāng)?shù)赝翆訛椴粌鰸q土層，查表得△z=0。按公式計(jì)算場(chǎng)地的凍土深度為Zd=1.5-0=1.5m；

根據(jù)規(guī)范的要求，本地區(qū)基礎(chǔ)埋深宜大于此深度，但本地區(qū)土層為不凍漲土，基礎(chǔ)下可以存留一定厚度的凍土，因此保守取基礎(chǔ)埋深為1.5m。

3.2水泥倉(cāng)的基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算

3.2.1水泥倉(cāng)容量設(shè)計(jì)及荷載計(jì)算

本工程混凝土拌和站型號(hào)為HZS120，實(shí)際生產(chǎn)按生產(chǎn)能力80%計(jì)算，即每小時(shí)生產(chǎn)混凝土方量為120×80%=96m3。混凝土拌和站一天（以8小時(shí)計(jì)）滿負(fù)荷生產(chǎn)量為96×8=768m3。以C50型混凝土配合為例，水泥的用量約為混凝土質(zhì)量的20%，混凝土密度以每立方米2500kg計(jì)，則水泥用量為768×2500×20%=384000kg，即384t。

因此配置4個(gè)水泥倉(cāng)，水泥倉(cāng)直徑2.88m，高9m，每個(gè)水泥倉(cāng)容量為100t。水泥倉(cāng)空倉(cāng)及支起架重為20t，裝滿水泥后總重120t。水泥倉(cāng)支腿鄰邊間距2.03m，支腿高5m。每條支腿與鋼板焊接，鋼板尺寸為長(zhǎng)500毫米、寬500毫米，并且埋入混凝土基礎(chǔ)內(nèi)。

F滿倉(cāng)=（M倉(cāng)+M水泥）×g=（20000+100000）×9.8=1176000N=1176kN

式中：F滿倉(cāng)為單個(gè)水泥倉(cāng)滿載和支架的重力；M倉(cāng)為單個(gè)水泥倉(cāng)空倉(cāng)及支架的重量；M水泥為單個(gè)水泥倉(cāng)滿載時(shí)水泥的重量。

3.2.2水泥倉(cāng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及其承載力驗(yàn)算

水泥倉(cāng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為矩形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)橫截面長(zhǎng)4.5米、寬4.5米，埋深1.5米。每個(gè)水泥倉(cāng)的基礎(chǔ)不相連，基礎(chǔ)澆筑C25型號(hào)的混凝土，為防止其開裂，中間加固，配置兩層鋼筋網(wǎng)（φ12mm），每根鋼筋間距為300mm，鋼筋網(wǎng)的豎向間距為500mm。

F腿=F滿倉(cāng)/4=1176/4=294kN；p腿=F腿/A腿=294/（500×500）=1.176N/mm2。式中，F(xiàn)腿為水泥倉(cāng)滿載時(shí)單腿荷載；p腿為支腿鋼板對(duì)混凝土基礎(chǔ)單位面積的壓力值；A腿為支腿鋼板作用于基礎(chǔ)上的有效面積。

C25型號(hào)混凝土抗壓強(qiáng)度取值11.9N/mm2。[2]支腿鋼板對(duì)混凝土基礎(chǔ)單位面積的壓力值小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，因此水泥倉(cāng)基礎(chǔ)的承載力能夠滿足水泥倉(cāng)滿載時(shí)施加的豎向力。

3.3水泥倉(cāng)地基承載力驗(yàn)算

本項(xiàng)目位于季節(jié)性凍土地區(qū)，對(duì)基礎(chǔ)采取防凍害的措施。在水泥倉(cāng)基礎(chǔ)側(cè)面回填厚度為200mm的非凍脹性粗砂，以有效防止凍害的發(fā)生。經(jīng)地質(zhì)勘測(cè)，測(cè)得地下1.5m深處的土層承載力為200kPa。

單個(gè)水泥倉(cāng)基礎(chǔ)重力G基=4.5×4.5×1.5×2500×9.8=744187.5N，取G基=744kN。水泥倉(cāng)地基的最大荷載包括罐體自重、水泥重和基礎(chǔ)自重組成。單個(gè)水泥倉(cāng)地基最大荷載為Fmax=F滿倉(cāng)+G基=1176+744=1920kN。

p基=Fmax/A基=1920/（4.5×4.5）=94.8kN/m2（kPa），式中：p基為基礎(chǔ)底面對(duì)地基單位面積的壓力；A基為單個(gè)水泥倉(cāng)基礎(chǔ)作用于地基上的有效面積。

水泥倉(cāng)基礎(chǔ)底面處的平均壓力94.8kPa小于地基承載力，因此地基能夠承受水泥倉(cāng)及其基礎(chǔ)所產(chǎn)生的豎向力。

3.4水泥倉(cāng)抗傾覆驗(yàn)算

設(shè)計(jì)資料顯示，內(nèi)蒙古自治區(qū)霍林郭勒市多年平均季風(fēng)時(shí)風(fēng)速為4m/s，多年平均風(fēng)速為5.5m/s，風(fēng)向多為東北風(fēng)為主。如圖3-2所示。

霍林郭勒屬于通遼市，查找規(guī)范[3]中的全國(guó)各城市基本風(fēng)壓值表（R=50），通遼市基本風(fēng)壓值為0.55kN/m2。

根據(jù)以下公式計(jì)算了風(fēng)荷載值，Wk=βz×μs×μz×W0。風(fēng)振系數(shù)βz取經(jīng)驗(yàn)值=1.2。圓形截面的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs為0.8。此施工地區(qū)屬于規(guī)范規(guī)定的B類地區(qū)，5m-15m處風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz取值范圍為1.0-1.13，此高度區(qū)間μz值變化較小，對(duì)風(fēng)壓的計(jì)算值影響也較小，保守取風(fēng)壓高度14m處μz的計(jì)算值1.10來計(jì)算風(fēng)荷載。

Wk=1.2×0.8×1.10×0.55=0.58kN/m2。

當(dāng)水泥倉(cāng)是空倉(cāng)的時(shí)候，是水泥倉(cāng)最容易被風(fēng)傾覆的時(shí)候，傾覆力矩計(jì)算的傾覆點(diǎn)位置在基礎(chǔ)底面的最左端點(diǎn)。如果忽略地基對(duì)混凝土基礎(chǔ)的壓力及摩擦阻力，此時(shí)水泥倉(cāng)及其基礎(chǔ)整體的抗傾覆力矩為M穩(wěn)=（F空倉(cāng)+G基）×0.5×4.5=（20×9.8+744）×0.5×4.5=2115kN·m。風(fēng)對(duì)水泥倉(cāng)的傾覆力矩：M傾=WkSH=0.58×2.88×9×（9/2+5+1.5）= 165.37kN·m。M穩(wěn)/M傾=2115/165.37=12.79，故基礎(chǔ)滿足規(guī)范中安全系數(shù)1.6的要求。

4混凝土拌和站主機(jī)基礎(chǔ)驗(yàn)算

4.1主機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及其承載力驗(yàn)算

拌和站主機(jī)是一個(gè)立方體倉(cāng)，尺寸為6m×4m×5m（長(zhǎng)×寬×高）。承受風(fēng)力最大的面為6m×5m。拌和站主機(jī)下面的支腿高度為4m。主機(jī)每條支腿與鋼板焊接，鋼板尺寸為長(zhǎng)500mm、寬500mm，并且埋入混凝土基礎(chǔ)內(nèi)。基礎(chǔ)澆筑C25型號(hào)的混凝土，為防止其開裂，中間加固，配置兩層鋼筋網(wǎng)（φ12mm），每根鋼筋間距為300mm，鋼筋網(wǎng)的豎向間距為500mm。每條支腿混凝土基礎(chǔ)橫截面尺寸為1.0m×1.0m，埋深1.5m。在基礎(chǔ)側(cè)面回填厚度為200mm的非凍脹性粗砂，以有效防止凍害的發(fā)生。

混凝土拌和站主機(jī)自重8t，成品料斗容積8m3，混合料滿載重20t，即每條支腿承載7t，每條腿對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的壓力為F腿=7×9.8=68.6kN。其單位面積的壓力為P腿=F腿/A腿=68.6/（500×500）=0.27N/mm2

每條腿單位面積的壓力遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度，因此混凝土能夠承載拌和站主機(jī)施加的豎向力。

4.2主機(jī)地基承載力驗(yàn)算

主機(jī)每條支腿處混凝土基礎(chǔ)自重計(jì)算如下：G腿基=1.0×1.0×1.5×2500×9.8=36.75kN；

P基=（F腿+G腿基）/A基=（68.6+36.75）/（1.0×1.0）=105.35kN/m2（kPa）。式中：p基為拌和站主機(jī)基礎(chǔ)底面對(duì)地基單位面積壓力；A基為主機(jī)支腿基礎(chǔ)作用于地基上的有效面積；

每條主機(jī)腿及其基礎(chǔ)對(duì)地基的平均壓力105.35kPa小于地基承載力，因此地基能夠承載主機(jī)及其基礎(chǔ)的豎向力。

4.3主機(jī)抗傾覆力驗(yàn)算

當(dāng)拌和站主機(jī)沒有攪拌混凝土?xí)r，是最容易發(fā)生傾覆危險(xiǎn)的時(shí)候，傾覆力矩計(jì)算的傾覆點(diǎn)位置在基礎(chǔ)底面的端點(diǎn)。如果忽略地基對(duì)混凝土基礎(chǔ)的壓力及摩擦阻力，此時(shí)拌和站主機(jī)及其基礎(chǔ)整體的抗傾覆力矩為M穩(wěn)=（F'空倉(cāng)+G基）×（0.5×4+0.5）=（8×9.8+36.75×4）×（0.5×4+0.5）=563.5kN·m

風(fēng)振系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值βz=1.2。查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，風(fēng)荷載體型系數(shù)μs為1.0。此施工地區(qū)屬于規(guī)范規(guī)定的B類地區(qū)，5m-10m處風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz均為1.0。

Wk=1.2×1.0×1.0×0.55=0.66kN/m2。

風(fēng)對(duì)水泥倉(cāng)的傾覆力矩：M傾=WkSH=0.66×6×5×（5/2+4+1.5）= 158.4kN·m

M穩(wěn)/M傾=563.5/158.4=3.56，故基礎(chǔ)滿足規(guī)范中安全系數(shù) 1.6的要求。

5結(jié)論

混凝土（C25）基礎(chǔ)設(shè)置在攪拌站的每個(gè)水泥倉(cāng)底下，基礎(chǔ)在中間加固。基礎(chǔ)尺寸為4.5m×4.5m，埋深1.5m，經(jīng)驗(yàn)算該水泥倉(cāng)基礎(chǔ)承載力、地基承載力以及水泥倉(cāng)抗傾覆能力均符合規(guī)范要求。拌和站主機(jī)處每個(gè)腿處澆筑C25型號(hào)的混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)在中間加固，尺寸為1.0m×1.0m，埋深1.5m，經(jīng)驗(yàn)算主機(jī)處基礎(chǔ)承載力、地基承載力以及主機(jī)抗傾覆能力均符合規(guī)范要求，在使用過程中拌和站設(shè)備安全穩(wěn)定！

拌和站水泥倉(cāng)及主機(jī)是否平穩(wěn)牢固，是拌和站建設(shè)的重中之重。只有經(jīng)過科學(xué)的計(jì)算驗(yàn)證，才能使工程施工順利的進(jìn)行，施工人員的人身安全得到重要的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2012.

（作者單位：中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司）