復(fù)雜地形下井架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

吳 英 家

(大同煤礦集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,山西 大同 037003)

復(fù)雜地形下井架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

吳 英 家

(大同煤礦集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,山西 大同 037003)

以具體工程為例,結(jié)合場(chǎng)地條件,在井架兩側(cè)呈現(xiàn)大高差情況下,使用樁基代替常規(guī)獨(dú)立基礎(chǔ)作為井架基礎(chǔ)，并介紹了具體設(shè)計(jì)過程及注意事項(xiàng)。

樁基礎(chǔ)，獨(dú)立基礎(chǔ)，擋土墻，井架

1 工程概況

本工程為大同同煤集團(tuán)同忻礦井南二盤區(qū)副井井架的基礎(chǔ)工程，位置位于同煤集團(tuán)同家梁礦。同家梁礦整個(gè)西側(cè)場(chǎng)地標(biāo)高比圍墻外側(cè)的場(chǎng)地標(biāo)高高出8 m，圍墻內(nèi)外8 m高差的土用毛石擋土墻支擋，毛石擋墻是多年前修建的，圍墻砌筑在毛石擋土墻頂面。圍墻外側(cè)又緊鄰運(yùn)煤鐵路(大秦線等運(yùn)煤專線)，鐵路鐵軌距擋土墻外皮7 m。井口距離圍墻內(nèi)側(cè)17 m，井架根部在垂直圍墻方向的間距為27 m，井架根部在平行圍墻方向間距13 m。由于同家梁礦場(chǎng)地的限制及機(jī)電安裝專業(yè)的要求，井架置于圍墻內(nèi)側(cè)，且井架根部距離圍墻內(nèi)側(cè)最近處5 m。依據(jù)《同煤集團(tuán)同家梁礦巖土工程勘察報(bào)告》，井架所處位置的地質(zhì)情況為：第①層土矸石，層厚2.5 m, 地基承載力特征值為70 kPa。第②層為填土，地基承載力特征值為100 kPa,其厚度3.4 m。第③層為卵石，層厚2 m，地基承載力特征值為200 kPa。第④層粉土，層厚5 m,地基承載力特征值為140 kPa。第⑤層為粗砂，層厚大于10 m。由于場(chǎng)地地形復(fù)雜，加上施工前后均不能對(duì)擋墻產(chǎn)生不利影響，若擋墻破壞，造成鐵路不能使用，會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，諸多問題給井架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)帶來很大的麻煩。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案選擇

2.1 獨(dú)立基礎(chǔ)方案

在地質(zhì)條件良好的情況下，井架基礎(chǔ)一般設(shè)計(jì)為獨(dú)立基礎(chǔ)。井架為多繩摩擦式提升機(jī)房用井架，對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的荷載較大。井架共四個(gè)部位與基礎(chǔ)相連，靠近圍墻的兩個(gè)點(diǎn)受力也基本相同，遠(yuǎn)離圍墻的兩個(gè)點(diǎn)受力也基本相同。上部井架經(jīng)計(jì)算后，得到傳給基礎(chǔ)的荷載值，靠近圍墻的基礎(chǔ)頂部受力最不利標(biāo)準(zhǔn)組合：Fk=1 200 kN(方向向下)，Vx=360 kN(方向向圍墻外側(cè))，Vy=100 kN(方向平行圍墻)；遠(yuǎn)離圍墻的基礎(chǔ)頂部受力最不利標(biāo)準(zhǔn)組合為：Fk=4 200 kN(方向向下)，Vx=-1 500 kN(方向向圍墻內(nèi)側(cè))，Vy=100 kN(方向平行圍墻)。由于表層2.5 m均為矸石,均應(yīng)挖除,若選擇填土層作為持力層,則基礎(chǔ)面積過大,緊鄰圍墻側(cè)的場(chǎng)地空間有限,基礎(chǔ)施工無法實(shí)現(xiàn)；若選擇卵石層作為持力層，則基底標(biāo)高達(dá)到-5.9 m，基坑開挖過大，同樣由于擋墻對(duì)空間的限制而無法施工基礎(chǔ)；若將填土層換填，同樣也受限于空間限制而無法施工。可見，以往井架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為獨(dú)立基礎(chǔ)是因?yàn)闆]有場(chǎng)地周邊建筑物(構(gòu)筑物)的限制，而淺層地基承載力又比較好。而在本工程中，既有擋墻對(duì)空間的限制，淺層地基承載力又比較差，所以井架基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)方案是行不通的。

2.2 樁基礎(chǔ)方案

由于場(chǎng)地空間限制，所選擇樁型必須對(duì)周邊建筑物(構(gòu)筑物)無太大影響，人工挖孔樁為非擠土樁，對(duì)周邊臨近構(gòu)筑物影響最小。人工挖孔樁的施工質(zhì)量也比其他類型的灌注樁質(zhì)量更有保證，既可以直接鑒別和檢查孔壁和孔底的土質(zhì)情況，又可以直接測(cè)定樁身與樁底的尺寸，再者人工挖孔樁整個(gè)施工過程都是在無水環(huán)境下進(jìn)行，避免了因擋墻墻背土質(zhì)發(fā)生變化而對(duì)擋墻造成影響，同時(shí)也避免泥水對(duì)樁身質(zhì)量和承載力的影響。所以，人工挖孔樁最適合本工程。井架基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，承載力及變形均應(yīng)滿足樁基礎(chǔ)規(guī)范要求。在設(shè)計(jì)階段,不具備本工程的試樁資料,設(shè)計(jì)按樁基規(guī)范初步估算。由于工期緊，設(shè)計(jì)和試樁同時(shí)進(jìn)行，要求設(shè)計(jì)應(yīng)保留一定的富余度，以保證試樁結(jié)果能滿足工程要求。

2.2.1 基樁設(shè)計(jì)

由于擋墻的限制，人工挖孔樁應(yīng)盡量不擴(kuò)底，以免對(duì)擋墻產(chǎn)生影響。初步按樁徑1.0 m計(jì)算，垂直圍墻方向布置2排，每排3根樁，樁間距均為3 m，頂標(biāo)高-2.5 m，承臺(tái)厚度2 m，長度8 m，寬度5 m，承臺(tái)邊緣距離擋墻頂部2 m，基礎(chǔ)錐臺(tái)與井架連接處標(biāo)高0.5 m。在偏心豎向力作用下，由建筑樁基技術(shù)規(guī)范，基樁承受豎向力：

其中，GK=2 700 kN，Mxk=400 kN·m,Myk=4 500 kN·m，F(xiàn)K=4 200 kN，xi=1.5 m，yi=3 m，計(jì)算求得軸心豎向力下單樁承受豎向力Nk=1 150 kN，單樁承受最大的豎向力Nkmax=1 683 kN。由樁基規(guī)范，初步設(shè)計(jì)時(shí)，單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

Quk=u∑φsiqsikli+φpqpkAp。

其中,u=3.14 m，qsik為各土層極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，填土為20 kPa，粉土為50 kPa，卵石為100 kPa，粗砂為74 kPa，qpk=2 500 kPa,持力層為粗砂層，樁端入粗砂層2 m，設(shè)計(jì)樁長12.4 m，計(jì)算求得單樁豎向承載力極限值Quk=3 931 kN，Qk=Quk/2=1 966 kN>Nk=1 150 kN，Nkmax=1 683 kN <1.2Qk=2 359 kN。

由于承臺(tái)距離擋土墻頂部很近，應(yīng)嚴(yán)格控制水平位移，所有樁均按最不利情況設(shè)計(jì)。樁身配筋按大于0.65%設(shè)計(jì)，估算單樁水平承載力特征值為：

2.2.2 沉降計(jì)算

沉降計(jì)算采用布辛奈斯克解，按實(shí)體深基礎(chǔ)分層總和法計(jì)算，并考慮沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，依據(jù)樁基規(guī)范公式5.5.6，最終算得最大沉降為22.4 mm。最大沉降差為11 mm,依據(jù)礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范，井架地基變形最大允許值為80 mm，地基最大允許變形差為0.001×L=0.001×27 000=27 mm，可見，樁基沉降計(jì)算均滿足規(guī)范要求。

2.2.3 試樁結(jié)果

由于工期很緊，施工前試樁均保留為工程樁。本工程共24根樁，試樁數(shù)量4根。每個(gè)樁基礎(chǔ)1根試樁。由于靠近擋墻一側(cè)的地質(zhì)條件及地形條件更為復(fù)雜，該側(cè)2根試樁位置均為離擋墻最近，編號(hào)分別為ZH1和ZH2，其他試樁分別編號(hào)ZH3和ZH4。單樁豎向承載力特征值檢測(cè)結(jié)果分別為：Qk1=1 876 kN，Qk2=1 832 kN，Qk3=2 315 kN，Qk4=2 117 kN，檢測(cè)結(jié)果均大于所承受的荷載標(biāo)準(zhǔn)值。單樁水平承載力特征值檢測(cè)結(jié)果分別為:Rh1=97 kN，Rh2=102 kN，Rh3=239 kN，Rh4=246 kN。雖然靠近擋墻一側(cè)的單樁承載力特征值比較小(詳細(xì)原因見下節(jié)說明)，但同樣大于單樁所承受的荷載。事實(shí)上，若考慮后期群樁基礎(chǔ)效應(yīng)，承載力會(huì)更大。綜合以上樁基的承載力與變形計(jì)算及檢測(cè)，本樁基設(shè)計(jì)滿足工程要求。

3 設(shè)計(jì)施工中的關(guān)鍵問題

3.1 樁的布置

一般情況下，在彎矩及剪力作用方向上多布置樁是效率比較高的。由于井架靠近擋墻一側(cè)空間有限，在垂直擋墻方向，不允許布置數(shù)量較多的樁，所以基樁盡量沿平行擋墻方向布置。本工程在受力最大的基礎(chǔ)(遠(yuǎn)離擋墻的基礎(chǔ))上布置6根樁，承臺(tái)長向平行擋墻。雖然靠近擋墻一側(cè)的基礎(chǔ)受力較小，考慮到該側(cè)地形的復(fù)雜，不確定性因素較多，以及該工程的重要性，將四個(gè)基礎(chǔ)均按最不利情況設(shè)計(jì)。

3.2 樁及承臺(tái)的施工

靠近擋墻側(cè)樁孔的施工無疑是設(shè)計(jì)與施工人員最擔(dān)心。由于擋墻距離井架根部只有5 m，所以距墻最近樁的樁邊距墻也只剩下3 m，施工中必須保證樁孔的垂直度，否則可能會(huì)對(duì)擋墻產(chǎn)生不利影響。實(shí)際上，樁孔施工中未遇見擋墻墻身及基礎(chǔ)，若遇到則將會(huì)使實(shí)際情況更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)與施工必須重新考慮另一種更加穩(wěn)妥的方案。最后在挖承臺(tái)基坑時(shí)，也要注意不要對(duì)擋墻產(chǎn)生破壞，基坑回填時(shí)，應(yīng)回填粗砂等，壓實(shí)系數(shù)大于0.95。

3.3 樁基檢測(cè)

靠近擋墻側(cè)的基樁檢測(cè)是設(shè)計(jì)能否通過的最關(guān)鍵一環(huán)。一般情況下，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，基樁周邊有無限土體，而本工程實(shí)際情況是擋墻側(cè)的基樁不完全滿足這種條件。在井架施工前，擋土墻是按地面均布活載35 kN/m2(有拉支架車通過)設(shè)計(jì)的。筆者把基礎(chǔ)承受的水平力按集中力作用在擋墻頂部，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的傾覆力矩小于按地面均布活載35 kN/m2所產(chǎn)生的傾覆力矩。不過，還是嚴(yán)格要求在基樁檢測(cè)時(shí)，要緩慢施加水平力及豎向力時(shí)，以便觀察變化。在擋墻側(cè)基樁水平承載力檢測(cè)時(shí)，加載并未達(dá)到規(guī)范要求的步驟便卸載了，主要是考慮到此時(shí)得到的承載力特征值已經(jīng)滿足工程要求，并且沒有對(duì)擋墻產(chǎn)生影響。而無擋墻限制的基樁則正常檢測(cè)。

4 結(jié)語

目前該井架已經(jīng)正常運(yùn)行使用，在極其復(fù)雜的地形條件下，采用樁基代替獨(dú)立基礎(chǔ)，解決實(shí)際中的問題，并且沒有影響周邊設(shè)施的正常使用，可見樁基礎(chǔ)功能的強(qiáng)大。而對(duì)比以往相同井架基礎(chǔ)的造價(jià)，本工程樁基造價(jià)比獨(dú)立基礎(chǔ)方案稍高，但從安全、經(jīng)濟(jì)、適用角度來看，樁基礎(chǔ)更能適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)地形條件。礦山建筑很多都是在復(fù)雜地形上建造的，本工程為復(fù)雜地形上建造建筑物提供了一定的參考價(jià)值。

[1] JGJ 94—2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JGJ 106—2003,建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GB 50385—2006,礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 劉金礪，高文生，邱明兵.建筑樁基技術(shù)規(guī)范應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5] 朱丙寅,婁 宇，楊 琦.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及實(shí)例分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

Theopen-shelffoundationdesignundercomplexterrain

WuYingjia

(DatongCoalMineGroupDesignReseatchLimitedCompant,Datong037003,China)

Using concrete project as an example, combining site condition, high dispersion in both left side and right side of derrick, replace independent foundation for pile foundation as foundation of derrick, then introduce concrete process of design and matters need attention.

pile foundation, independent foundation, retaining wall, derrick

TU473.1

：A

1009-6825(2017)24-0061-03

2017-06-13

吳英家(1984- ),男,碩士,工程師