某外旋式旋流池棧橋柱基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)分析

趙杰紅 盛文仲

中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北 武漢 430223

冶金工業(yè)在連鑄、軋鋼過(guò)程中產(chǎn)生大量含氧化鐵皮污水，通過(guò)旋流沉淀池處理；沉淀后的氧化鐵皮通過(guò)抓斗吊轉(zhuǎn)運(yùn)至干渣坑，濾水后再用抓斗吊轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)輛到燒結(jié)回收利用；抓斗吊還兼做水泵的吊裝檢修。

抓斗吊一般露天運(yùn)行，設(shè)吊車(chē)梁、棧橋柱支撐。旋流池圓形布置，棧橋柱與旋流池池壁距離遠(yuǎn)近不同，棧橋柱基礎(chǔ)地基處理方案受旋流池深基坑支護(hù)方案影響。通過(guò)分析對(duì)比，在不同深基坑支護(hù)方案條件下，探討最經(jīng)濟(jì)合理的棧橋柱基礎(chǔ)方案，以期為該類工程實(shí)施提供必要的借鑒意義。

1 工程概況分析

該工程為某1780板帶熱軋工程外旋式旋流沉淀池，外筒內(nèi)徑32m，外筒底標(biāo)高-14.1m；內(nèi)筒內(nèi)徑24m，內(nèi)筒底標(biāo)高-17.6m。露天棧橋1臺(tái)吊車(chē)跨度36m，軌面標(biāo)高12.0m，吊車(chē)工作制A6，最大輪壓350kN，輪距6.4m。

旋流池與棧橋柱基礎(chǔ)的平面關(guān)系如圖1所示：

圖1 旋流池與棧橋柱基礎(chǔ)平面關(guān)系

場(chǎng)區(qū)自上而下土層分布及主要地質(zhì)參數(shù)如下：0.000m面以下素填土厚約1m，強(qiáng)風(fēng)化砂巖（fak=500kPa）厚約10.2m，中風(fēng)化砂巖（fak=2000kPa）。

2 旋流池基坑支護(hù)方案分析

按擬建場(chǎng)地的地質(zhì)情況及施工工藝，旋流池基坑支護(hù)方案一般有以下幾種：大開(kāi)挖、沉井、地下連續(xù)墻、水泥攪拌樁止水帷幕和鋼筋混凝土支護(hù)樁相結(jié)合的基坑支護(hù)、混凝土排樁支護(hù)及井壁逆作法等等。

本工程地面以下為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化砂巖，且場(chǎng)地周邊無(wú)其它已有建構(gòu)筑物，基坑開(kāi)挖不受限制，大開(kāi)挖是較經(jīng)濟(jì)、合理的方案。基坑方案如下：開(kāi)挖基坑坡比取1:0.5或1:0.6，分三級(jí)放坡，標(biāo)高分別為-5.5m、-11m、-16m。斜坡采用掛網(wǎng)噴漿保護(hù)。本工程基坑開(kāi)挖期間為沿海地區(qū)的旱季，地下水為上層滯水和基巖裂隙水，水量較小，采用坑內(nèi)明排處理。

基坑開(kāi)挖邊坡剖面見(jiàn)圖2所示，基坑開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖3所示。

圖2 基坑開(kāi)挖邊坡剖面圖

圖3 基坑開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)照片

棧橋柱基礎(chǔ)的方案與旋流池的基坑支護(hù)方案緊密相關(guān)。除大開(kāi)挖以外的其它支護(hù)方案，均未擾動(dòng)旋流池周邊的天然土層，棧橋柱基礎(chǔ)可根據(jù)場(chǎng)地的土層情況采用合理的地基處理方案。如天然地基、換填墊層法地基處理、CFG復(fù)合地基處理、樁基礎(chǔ)等等。

本工程采用的大開(kāi)挖方案，基坑開(kāi)挖面大，棧橋柱下土層均徹底擾動(dòng)。棧橋柱基礎(chǔ)方案須根據(jù)基坑開(kāi)挖輪廓、回填土層情況等詳細(xì)分析。

3 棧橋柱基礎(chǔ)方案分析

為節(jié)省基坑開(kāi)挖工作量，大直徑沉淀池基坑一般應(yīng)為圓形布置；棧橋主要功能是將沉淀池內(nèi)渣抓至干渣坑，受干渣坑布置影響，棧橋柱基礎(chǔ)一般不是居中對(duì)稱布置。由此帶來(lái)的問(wèn)題是每個(gè)柱基礎(chǔ)下基坑埋深不同。棧橋柱基礎(chǔ)與基坑開(kāi)挖平面關(guān)系見(jiàn)圖4所示。

圖4 棧橋柱基礎(chǔ)與基坑開(kāi)挖平面關(guān)系圖

選用PKPM框排架計(jì)算分析，柱子截面0.5mx1.2m，基礎(chǔ)計(jì)算柱底標(biāo)高（-1.500m）標(biāo)準(zhǔn)組合如下：

☆ 標(biāo)準(zhǔn)組合

Mmax 對(duì)應(yīng)組合號(hào): 71 Mmax= 637.50 N = 546.88 V = 46.97

Mmin 對(duì)應(yīng)組合號(hào):114 Mmin= -170.91 N = 468.40 V = -12.68

Nmax 對(duì)應(yīng)組合號(hào): 66 M = -169.69 Nmax= 693.60 V = -11.38

Nmin 對(duì)應(yīng)組合號(hào):118 M = -169.41 Nmin= 237.19 V = -12.68

Vmax 對(duì)應(yīng)組合號(hào): 71 M = 637.50 N = 546.88 Vmax= 46.97

Vmin 對(duì)應(yīng)組合號(hào):110 M = -170.91 N = 247.19 Vmin= -12.68

參《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第3.0.1～3.0.3條規(guī)定，棧橋吊車(chē)跨度Lk=36m，柱距9m，需進(jìn)行地基變形驗(yàn)算。參《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第5.3.4條規(guī)定，橋式吊車(chē)軌面傾斜限值，縱向0.004，橫向0.003，換算后，縱向相鄰柱距的沉降差限值9000x0.004=36mm，橫向柱的沉降差限值36000x0.003=108mm。

如圖4所示，A軸基礎(chǔ)位于0～-5.5m斜坡，B軸基礎(chǔ)位于-5.5m～-11m斜坡，C軸基礎(chǔ)位于-11m～-16m斜坡，D軸基礎(chǔ)與池體整體澆筑，E軸基礎(chǔ)位于-11m～-16m斜坡，F(xiàn)軸基礎(chǔ)位于-5.5m～-11m斜坡。

地基沉降量不完全依賴于計(jì)算，應(yīng)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)分析。基坑回填土設(shè)計(jì)要求：采用素土及時(shí)回填，回填土分層夯實(shí)，每層厚300mm，壓實(shí)系數(shù)不小于0.94。圓形深基坑，回填體量大、施工周期長(zhǎng)，且靠近海邊，實(shí)際施工過(guò)程中，受天氣等各方面因素影響，基坑回填質(zhì)量難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

鑒于上述判斷，新近壓實(shí)填土不可直接作為棧橋柱基礎(chǔ)的持力層；若在基坑回填后超挖換填碎石，處理后的面層地基承載力可保證，但有厚度10m左右的新近回填土層，基礎(chǔ)沉降量無(wú)法保證；若采用強(qiáng)夯處理，由于棧橋柱基礎(chǔ)靠近旋流井側(cè)壁，強(qiáng)夯機(jī)械施工對(duì)池體的影響無(wú)法準(zhǔn)確判定，風(fēng)險(xiǎn)較大不可實(shí)施。

按工程經(jīng)驗(yàn)，可實(shí)施的地基處理方案有天然地基方案、素混凝土回填方案、樁基方案。以B軸柱基礎(chǔ)為例，從工程量、工期、綜合成本三方面，對(duì)比分析天然地基方案、素混凝土回填方案、樁基方案。

3.1 天然地基方案

天然地基是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中首選的地基形式。采用天然地基方案，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)底部標(biāo)高應(yīng)考慮下降至基坑底部，基底持力層為中風(fēng)化砂巖。地基承載力特征值2000kPa，基底面積脫空比限值取15%，基底標(biāo)高取-11m。

用理正結(jié)構(gòu)工具箱計(jì)算柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基底面積大小由脫空比控制，計(jì)算得基礎(chǔ)大小2.5mx4.2mx0.8m（厚度）；基礎(chǔ)短柱1.3mx2mx9.2m（高度）。單個(gè)基礎(chǔ)鋼筋混凝土量：2.5x4.2x0.8+1.3x2x9.2=32.3m3；另需考慮斜坡由C15素混凝土找平，混凝土量12m3。單個(gè)基礎(chǔ)成本價(jià)約0.18x32.3+0.07x12=6.6萬(wàn)元。

施工要求：按此方案，須先施工棧橋柱基礎(chǔ)并養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，方可進(jìn)行深基坑回填。由于棧橋柱基礎(chǔ)的阻擋，基坑回填施工難度加大，施工周期加長(zhǎng)，預(yù)估較正常回填需增加工期10天。

3.2 C15素混凝土回填處理

按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[3]第4章規(guī)定，由于基坑深度在11m左右，換填深度遠(yuǎn)超3m，無(wú)法采用砂石等換填材料。按工程經(jīng)驗(yàn)及基礎(chǔ)構(gòu)造要求，采用C15素混凝土回填至基底標(biāo)高-2.3m。

用理正結(jié)構(gòu)工具箱計(jì)算柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基底面積大小由脫空比控制，計(jì)算得基礎(chǔ)大小2.5mx4.0mx0.8m（厚度）；不需設(shè)計(jì)基礎(chǔ)短柱。單個(gè)基礎(chǔ)鋼筋混凝土量：2.5x4.0x0.8=8m3；C15素混凝土回填臺(tái)體體積，估算C15素混凝土量約270m3。單個(gè)基礎(chǔ)成本價(jià)約0.18x8+0.07x270=20.3萬(wàn)元。

施工要求：按此方案，須先用素混凝土回填至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高，因素混凝土高度較高，需分批澆筑，且養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行深基坑回填。同樣由于回填臺(tái)體的阻擋，基坑回填施工難度加大，施工周期加長(zhǎng)，預(yù)估較正常回填需增加工期10天。

3.3 樁基方案

樁型選用：樁端持力層為中風(fēng)化巖，上層為厚度10m以上的新近回填土，可選用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁端嵌巖，為端承樁。樁徑取800mm，樁端進(jìn)入中風(fēng)化巖1m，樁長(zhǎng)11m，樁距取2.4m。

樁承載力計(jì)算：當(dāng)以中風(fēng)化巖層為持力層時(shí)，其單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4]中式5.3.9-1計(jì)算：

單樁豎向承載力特征值Ra=（3.14x0.8x260x1+0.95x4000 x3.14x0.42）/2=1281kN。考慮回填土層樁側(cè)負(fù)摩阻力影響折減，取Ra=1000kN。

用理正結(jié)構(gòu)工具箱計(jì)算獨(dú)立樁承臺(tái)，承臺(tái)尺寸4mx1.6mx0.8m（厚度），樁頂最大豎向力Nkmax=780kN＜1.2Ra，有較大的富裕。

單個(gè)承臺(tái)鋼筋混凝土量：1.6x4.0x0.8=5.1m3；單承臺(tái)下2樁鋼筋混凝土量：3.14x0.42x11x2=11m3

單個(gè)柱基礎(chǔ)的樁基及承臺(tái)成本價(jià)：0.18x5.1+0.2x11=3.1萬(wàn)元。另需考慮樁機(jī)進(jìn)場(chǎng)及檢測(cè)的相關(guān)費(fèi)用。

施工要求：按此方案，旋流井深基坑正常回填，無(wú)障礙物，施工效率較高。考慮到樁基施工、檢測(cè)周期等，總體施工周期接近。

3.4 綜合分析

綜合上述分析結(jié)果，對(duì)比棧橋柱基礎(chǔ)的綜合費(fèi)用和施工周期，見(jiàn)表1所示。

表1 棧橋柱基礎(chǔ)方案綜合費(fèi)用及施工周期對(duì)照表

4 結(jié)語(yǔ)

本工程設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，根據(jù)基坑開(kāi)挖、回填方案，并結(jié)合工程施工進(jìn)度要求，綜合分析對(duì)比，最終改用鉆孔灌注樁方案。本工程其它項(xiàng)目未采用鉆孔灌注樁，樁機(jī)進(jìn)場(chǎng)等花費(fèi)較多時(shí)間。樁基施工過(guò)程順利，棧橋經(jīng)過(guò)多年生產(chǎn)使用，未有沉降變形等發(fā)生，質(zhì)量可靠。

旋流沉淀池大開(kāi)挖方案，棧橋柱基礎(chǔ)多方案分析，有助于為類似工程提供借鑒，以便在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)合基坑開(kāi)挖方案制定經(jīng)濟(jì)、合理的棧橋柱基礎(chǔ)方案。為類似項(xiàng)目提供參考。