水利工程液化場地上管理用房設(shè)計探析

□張金濤 馬曉麗

管理用房是水利工程中最主要人員活動與休息場所，根據(jù)使用功能的要求，現(xiàn)場由于場地的局限，只能布置在某些已完工河堤上或河堤附近，由于河堤是根據(jù)水利工程的相關(guān)規(guī)范進行施工，其壓實系數(shù)與承載力往往不能滿足建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范的相關(guān)要求，這樣就不可避免的需要進行地基礎(chǔ)處理，已達到相關(guān)承載力與沉降的要求，如何在地基處理設(shè)計中體現(xiàn)哪些參數(shù)和結(jié)構(gòu)主體設(shè)計中應(yīng)注意哪些構(gòu)造措施等問題，結(jié)合石津灌區(qū)某管理用房的設(shè)計進行闡述，并提出對此類結(jié)構(gòu)優(yōu)化的幾點建議。

1.工程概況

工程為河北省石津灌區(qū)某樞紐的一處管理用房，位于河堤之上，建筑造型為仿古的瓦坡屋面設(shè)計，結(jié)構(gòu)形式為砌體結(jié)構(gòu)，主體建筑高度3.6m，長16.400m，寬7.100m，基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)，由于受到場地的制約，在建筑場地左邊距離河道3m左右，河道底高程約為32.93m,管理用房室內(nèi)標(biāo)高36.4m,高差3.5m左右，需考慮管理用房基礎(chǔ)穩(wěn)定性，又由地質(zhì)勘察報告可知，地表以下大約1.5～4.8m左右均為壤土具有嚴(yán)重的液化等級，需要采取相應(yīng)抗液化措施。

圖1 基礎(chǔ)底面外邊緣線至坡頂?shù)乃骄嚯x示意圖

2.工程分析

根據(jù)甲方提供的地勘報告可知：抗震設(shè)防烈度：7度；設(shè)計基本地震加速度：0.15g；設(shè)計地震分組：第1組。建筑場地類別：Ⅲ類。由于右側(cè)有鐵路線，左側(cè)有河道，所以這個管理用房用地受限，只能臨近河道進行建設(shè)，而場地又存在嚴(yán)重液化，這就對該管理用房結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了很高的要求，首先《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中對基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求基礎(chǔ)底面外邊緣距離坡頂?shù)淖钚【嚯x進行了規(guī)定，所以要進行驗算分析。其次地基嚴(yán)重液化，按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求需要進行地基處理，如何選擇合適的方法進行地基處理才更有效，更易操作，更能減少造價，這兩個方面的問題如何解決直接影響到工程的實施。

3.應(yīng)注意問題及采取措施

3.1 地基穩(wěn)定性驗算分析

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》5.4.2位于穩(wěn)定土坡坡頂上的建筑，應(yīng)符合下列規(guī)定：對于條形基礎(chǔ)，當(dāng)垂直于坡頂邊緣線的基礎(chǔ)底面邊長小于或等于3m時，其基礎(chǔ)底面外邊緣錢至坡頂?shù)乃骄嚯x應(yīng)符合

a≥3.5b-d/tanβ

且a≥2.5m

式中：

a—基礎(chǔ)底面外邊緣錢至坡頂?shù)乃骄嚯x(m)；

b—垂直于坡頂邊捷錢的基礎(chǔ)底面邊長(m)；

d—基礎(chǔ)埋置深度(m)；

β—邊坡坡角（°）。

根據(jù)現(xiàn)場河道坡度為1∶2，代入數(shù)據(jù) b=1200mm,d=1700mm,tanβ=1∶2；計算得a≥0.8m且≥2.5m最終取a≥2.5m。也就是基礎(chǔ)外邊緣線應(yīng)該距離河堤頂部的距離不小于2.5m才能滿足穩(wěn)定性要求。見圖1。

3.2 地基液化處理方案比選

根據(jù)地質(zhì)勘察報告可知，場地地基液化等級為嚴(yán)重，按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》4.3.6條文可知抗液化措施對于丙類建筑應(yīng)全部消除液化沉陷或部分消除液化沉陷且對基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理，根據(jù)地勘報告可知液化土層為深度大約1.5～4.8m壤土層，表層土為人工填土需要挖除，根據(jù)地基中存在可液化的土層，一般處理方式有以下3種：

一是振沖加密、強夯擊實等人工加密，處理效果比較好，適用于所有液化土層，尤其是強夯法是利用重錘自由落體產(chǎn)生的動能壓密土體，減少軟弱土層的壓縮性，大大提高土層的承載力，同時施工期間會對周圍的建筑產(chǎn)生振動作用，由于管理用房右側(cè)存在距離很近的河道，如果強夯處理可能會造成河堤邊坡坍塌，同樣振沖碎石法是利用振動器振動形成碎石樁，樁間土受到擠密從而提高樁間土的承載力，降低液化的可能，也是會造成河道邊坡的失穩(wěn)，不適合采用。

二是樁基，能夠依靠可液化土層以下深部地層承載，能減少或消除發(fā)生不可接受液化沉降的可能，但樁基礎(chǔ)不能防止由于側(cè)向結(jié)構(gòu)位移引起的損害，需要采取措施防止過大的側(cè)向變形，對于此工程來說可徹底解決液化問題但造價過高，不適合采用。

三是挖除液化土層并用非液化土層置換，這種處理方式適用于淺層軟弱土層，且下層有較好的土層處理厚度一般為3m左右。可以整體置填液化土層，也可部分置換填液化土層，若部分消除地基液化時，換填處理的深度應(yīng)能使處理后的地基液化指數(shù)減少，其值不大于5。

下臥土層的承載力驗算

式中：PZ—相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，墊層底面處的附加壓力值(kPa)；

PCZ—墊層底面處土的自重壓力值(kPa)；

fCZ—墊層底面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值(kPa)。

條形基礎(chǔ)墊層底面處的附加壓力值PZ

表1 地基液化處理方案對比表

式中：b—條形基礎(chǔ)底面的寬度(m)；

Pk—相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值(kPa)；

Pc—基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值(kPa)；

z—基礎(chǔ)底面下墊層的厚度(m)；

θ—墊層(材料)的壓力擴散角(°)。

將灰土墊層壓力擴散角θ=28°，基礎(chǔ)寬度b=1.2m，墊層厚度z=2m，Pk=80kPa，Pc=1.7×18=30.6kPa，代入得 Pz=18.5kPa，又由Pcz=3.7×18=66.6kPa，faz=157kPa代入驗算滿足設(shè)計要求。

綜合評價3種方法，采用振沖加密法則是完全消除液化沉陷，但是工期較長，成本較高；采用樁基處理效果很好但造價過高，工期過長不宜采用；采用換填法部分消除液化沉陷再對上部結(jié)構(gòu)進行處理，造價降低，工期短，適用性好。

表1分析結(jié)果可以看出換填灰土法對于該工程更適合，主要原因是該工程的特殊性，左邊3.5m～4m深的河道，若采用振沖擠密法，河堤邊坡距離地基處理邊界僅僅1.5m～2.5m對擠密效果有很大影響，主要表現(xiàn)在應(yīng)力逐漸的松弛，處理效果一般，所以此工程地基處理方法：首先將基礎(chǔ)范圍內(nèi)人工填土挖除，再在基礎(chǔ)底面以下?lián)Q填不小于2m深的3∶7灰土，壓實系數(shù)不小于0.97，基礎(chǔ)外邊緣以外的處理寬度≥1m，處理后液化指數(shù)經(jīng)計算滿足規(guī)范要求。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計采用加設(shè)基礎(chǔ)圈梁、加強頂部圈梁和局部增加構(gòu)造柱等措施加強基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的整體性和剛度。

4.結(jié)語

一是管理用房是水利工程中不可缺少的重要建筑物，由于其占地面積小，經(jīng)常放在河堤上或者附近，這就對其地基處理和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的更高的要求。如何避免基礎(chǔ)距離開挖的河道太近引起的穩(wěn)定性問題，如何處理液化場地對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，這些都是設(shè)計人員平時設(shè)計中應(yīng)該引起重視的問題。

二是在設(shè)計過程中，有些設(shè)計人員只考慮設(shè)計安全性，常常保險起見選用樁基或者擠密樁處理液化地基，這樣是能徹底消除液化沉陷，同時造成不必要的浪費。應(yīng)綜合各方面的因素，在確保設(shè)計的水工建筑物的安全性的同時，還要降低造價，把地基處理設(shè)計得更加可靠和經(jīng)濟。

三是此工程采用了換填墊層法且同時進行結(jié)構(gòu)的整體剛度加強處理方式，達到了預(yù)期效果，為降本增效的智慧水利提供了有意義的參考。