渣場(chǎng)填土地基上建筑物基礎(chǔ)形式選擇

盧寶玉，王智陽(yáng)，張 博

(1.甘肅省平?jīng)鍪星f浪縣水務(wù)局，甘肅 平?jīng)?744600;2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710024;3.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在工程建設(shè)中，基礎(chǔ)作為將建筑物荷載傳至地基的承重構(gòu)件，其安全穩(wěn)定至關(guān)重要。筏板基礎(chǔ)具有承載力高、整體性好、剛度大、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)；樁基礎(chǔ)也可提供較大的承載力，且能較好控制其他原因引起的不均勻沉降[1]。因此，這兩種基礎(chǔ)形式在水利及建筑工程中都得到了十分廣泛的應(yīng)用[2-3]。堆渣場(chǎng)上層為人工填土及開(kāi)挖廢料，土體結(jié)構(gòu)不均勻且較為松散。在渣場(chǎng)上進(jìn)行建筑物建設(shè)時(shí)，基礎(chǔ)形式的是否合適并滿足要求將直接影響到工程的成敗[4-9]。本文針對(duì)某水利工程以堆渣場(chǎng)為基礎(chǔ)，選擇平板式筏板基礎(chǔ)、梁板式筏板基礎(chǔ)、樁基基礎(chǔ)3種方案，從應(yīng)力變形及投資兩方面進(jìn)行比選分析，確定最終方案，為渣場(chǎng)填土地基建筑物基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

某水利工程堆渣場(chǎng)容量為49萬(wàn)m3，堆渣體從溝口開(kāi)始，東西長(zhǎng)約450 m，南北最寬處約110 m，中間寬，兩頭較窄。堆渣體前緣坡面分為五級(jí)，頂部高程622.00 m，在高程611.40、596.40、581.40 m各設(shè)一級(jí)2 m寬?cǎi)R道，在568.82 m設(shè)一級(jí)9 m寬?cǎi)R道，共4級(jí)馬道?，F(xiàn)將在渣場(chǎng)上進(jìn)行管理營(yíng)地建設(shè)，主要包括辦公樓、綜合服務(wù)樓，公寓等。其中辦公樓擬采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共5層，長(zhǎng)66.1 m，寬28.8 m，高21.9 m。堆渣場(chǎng)平整至修建辦公樓已4 a多，目前地表外觀監(jiān)測(cè)變形趨勢(shì)來(lái)看，堆渣體水平變形和沉降變形基本處于收斂或較穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值

表2 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值表

2 基礎(chǔ)形式初擬

參考類似工程，綜合考慮建筑物使用要求及地基地質(zhì)情況，根據(jù)規(guī)范要求[10-11]，現(xiàn)初擬以下3種基礎(chǔ)形式進(jìn)行比選研究。

(1) 方案1：平板式筏板基礎(chǔ)，筏板厚度取60 cm；

(2) 方案2：梁板式筏板基礎(chǔ)，筏板厚60 cm，梁截面為40 cm×80 cm；

(3) 方案3：樁基礎(chǔ)，樁直徑為100 cm，長(zhǎng)度為11.6～33.5 m，共89根，樁與樁之間設(shè)有聯(lián)系梁(30 cm×60 cm)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

依據(jù)溝道原始地形和渣場(chǎng)場(chǎng)坪圖、辦公樓基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，建立三維有限元數(shù)值分析模型。渣場(chǎng)周邊到計(jì)算邊界的最小距離為80.0 m。模型采用直角坐標(biāo)系，X軸為水平軸，指向溝谷右邊坡為正(面向下游)；Y為水平軸，指向溝谷下游為正；Z軸為豎直方向，指向上為正。堆渣體和場(chǎng)地巖土體以及基礎(chǔ)用Solid單元模擬，基礎(chǔ)上部板梁柱用板單元和梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬。假設(shè)基巖及混凝土均為均質(zhì)彈性、各向同性，計(jì)算采用材料參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算材料參數(shù)

根據(jù)擬定的基礎(chǔ)形式3個(gè)方案，建立有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

模型1：平板式筏板基礎(chǔ)，模型單元總數(shù)為684 477個(gè)；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為139 601個(gè)。用接觸單元模擬筏板與堆渣體之間的接觸面。

模型2：梁板式筏板基礎(chǔ)，模型單元總數(shù)為685 074個(gè)；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為139 601個(gè)。用接觸單元模擬筏板與堆渣體之間的接觸面。

模型3：樁基基礎(chǔ)，模型單元總數(shù)為82 863個(gè)；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為51 237個(gè)。假定辦公樓荷載完全由樁承擔(dān)，樁基礎(chǔ)也用Solid單元模擬。

筏板基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)數(shù)值模型見(jiàn)圖1，3種模型網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖2。

3.2 方案1模擬結(jié)果與分析

計(jì)算在結(jié)構(gòu)自重情況下應(yīng)力變形情況，并從地基面變形、筏板應(yīng)力、地基面法向應(yīng)力3方面進(jìn)行分析。地基面變形情況見(jiàn)圖3?；A(chǔ)范圍內(nèi)地面最大變形產(chǎn)生在豎直方向，表現(xiàn)為沉降變形，變形量為-6.1～-27.4 mm，較大值位于中部，最大最小變形比值為4.5；在溝谷左右水平方向上的變形量為-0.7～-1.2 mm，較大值位于左端，最大最小變形比值為1.71；地面在溝谷上下游水平方向上的變形量為0.4～1.3 mm，較大值位于下游側(cè)，最大最小變形比值為3.25。兩柱之間的最大沉降差為4.4 mm，小于0.002l=14.0 mm(規(guī)范允許值)[10]。

筏板應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖4，應(yīng)力極值統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4。筏板底面拉應(yīng)力大于頂面，正應(yīng)力最大拉應(yīng)力為2.5 MPa，大于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.43 MPa(混凝土等級(jí)為C30)，但拉應(yīng)力大于1.43 MPa的區(qū)域很小，基本位于柱子附近(最大約1.0 m)；正應(yīng)力最大壓應(yīng)力為3.28 MPa，是混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度14.3 MPa的22.9%。最大剪應(yīng)力為0.26 MPa，是設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度2.1 MPa的12.4%。第一主拉應(yīng)力稍大于正應(yīng)力最大拉應(yīng)力，為2.51 MPa。

表4 應(yīng)力計(jì)算統(tǒng)計(jì)表 /MPa

地基應(yīng)力分布如圖5，X向最大應(yīng)力為0.0328 MPa，方向向河谷右方；Y向最大應(yīng)力為0.0411 MPa，方向向河谷下游；Z向最大應(yīng)力為0.0734 MPa，方向向下，小于地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=0.30～0.35 MPa。

3.3 方案2結(jié)果分析

計(jì)算在結(jié)構(gòu)自重情況下應(yīng)力變形情況，并從地基面變形、筏板應(yīng)力、基礎(chǔ)梁應(yīng)力、地基面法向應(yīng)力4方面進(jìn)行分析。基礎(chǔ)范圍內(nèi)地面最大變形產(chǎn)生在豎直方向，表現(xiàn)為沉降變形，變形量為-5～-28.5 mm，較大值位于中部，最大最小變形比值為5.7；在溝谷左右水平方向上的變形量為-0.7～-1.3 mm，較大值位于左端，最大最小變形比值為1.86；地面在溝谷上下游水平方向上的變形量為0.5～1.4 mm，較大值位于下游側(cè)，最大最小變形比值為2.8。兩柱之間的最大沉降差為4.63 mm，小于0.002l=14.0 mm。

筏板應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖4，統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。筏板底面拉應(yīng)力大于頂面，正應(yīng)力最大拉應(yīng)力為2.3 MPa，大于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.43 MPa(混凝土等級(jí)為C30)，拉應(yīng)力大于1.43 MPa的區(qū)域很小，基本位于柱子附近(最大約1.0 m)；正應(yīng)力最大壓應(yīng)力為2.37 MPa，是混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度14.3 MPa的16.6%。最大剪應(yīng)力為0.23 MPa，是設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度2.1 MPa的11.0%。第一主拉應(yīng)力稍大于正應(yīng)力最大拉應(yīng)力，為2.31 MPa。

基礎(chǔ)梁軸向力為-0.486～0.150 MN，彎矩為-0.133～0.0946 MN·m，剪力為-0.197～0.240 MN，軸向應(yīng)力為-1.52～0.469 MPa，彎曲應(yīng)力為-2.210～3.120 MPa。內(nèi)力或應(yīng)力分布如圖6。

地基X向最大應(yīng)力為0.0313 MPa，方向向河谷右方；Y向最大應(yīng)力為0.0398 MPa，方向向河谷下游；Z向最大應(yīng)力為0.0706 MPa，方向向下，小于地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=0.30～0.35 MPa。

3.4 方案3結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)這89跟樁應(yīng)力變形情況進(jìn)行分析，應(yīng)力見(jiàn)圖7，變形見(jiàn)圖8。

樁最大軸力為2.138 MN，相應(yīng)的軸向應(yīng)力為2.725 MPa，軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力；最大彎矩為0.0801 MN.m，相應(yīng)的彎曲應(yīng)力為0.817 MPa，小于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.43 MPa(混凝土等級(jí)為C30)，最大彎曲應(yīng)力是混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度的57.1%；最大剪力為0.0076 MN?？砂磸澗貙?duì)樁進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，需要配置5?18豎向鋼筋。樁在3個(gè)方向位移均很小，在溝谷左右水平方向變形為-0.8～1.5 mm；在溝谷上下游水平方向變形為-0.6～1.5 mm；在豎直方向變形為0～1.8 mm。

3.5 模擬結(jié)果綜合分析

通過(guò)3種方案的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，平板式筏板基礎(chǔ)和梁板式筏板基礎(chǔ)底面拉應(yīng)力大于頂面，最大位移均為豎直向下，表現(xiàn)為沉降變形；最大拉應(yīng)力分別為2.51 MPa和2.31 MPa,大于C30混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.43MPa，但通過(guò)配筋抗拉強(qiáng)度均能滿足要求；最大壓應(yīng)力分別為3.28 MPa和2.37 MPa；地基面最大沉降變形分別為27.4 mm和28.5 mm，兩柱之間的最大沉降差均滿足規(guī)范要求。樁基礎(chǔ)樁軸向應(yīng)力為2.725 MPa，最大彎曲應(yīng)力為0.817 MPa，最大位移為1.8 mm方向豎直向下。樁基礎(chǔ)應(yīng)力變形均小于筏板基礎(chǔ)，3種基礎(chǔ)從應(yīng)力變形角度均滿足要求，均可采用。

4 投資估算與比較分析

通過(guò)平板式筏板基礎(chǔ)、梁板式筏板基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)3種方案主要工程量估算及施工工藝的分析，參考水泥、鋼筋等材料市場(chǎng)價(jià)格，依據(jù)《水利建筑工程預(yù)算定額》中相關(guān)內(nèi)容，對(duì)3種投資進(jìn)行初步估算。結(jié)果直接投資最少為梁式筏板基礎(chǔ)，投資額為215.64萬(wàn)元；直接投資最大為樁基礎(chǔ)，投資額為744.06萬(wàn)元；平板式筏板基礎(chǔ)直接投資略大于梁式筏板基礎(chǔ)，為226.71 萬(wàn)元。具體投資分析內(nèi)容見(jiàn)表5。

表5 基礎(chǔ)工程量及投資估算表

5 結(jié) 論

(1) 數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，3種基礎(chǔ)均滿足設(shè)計(jì)要求。其中樁基礎(chǔ)的應(yīng)力變形結(jié)果均小于筏板式基礎(chǔ)，且更能抵抗地基的不均勻沉降，筏板基礎(chǔ)中梁板式筏板基礎(chǔ)相較于平板式筏板基礎(chǔ)應(yīng)力變形均有所改善。

(2) 投資分析顯示，樁基礎(chǔ)所需投資最多，梁板式筏板基礎(chǔ)所需投資最少。樁基礎(chǔ)由于施工復(fù)雜、工程量較大，所需要投資明顯大于筏板基礎(chǔ);梁板式筏板基礎(chǔ)所需鋼筋混凝土量略小于平板式筏板基礎(chǔ)，所需投資也略低于平板式筏板基礎(chǔ)。

(3) 結(jié)合工程情況，辦公樓樓基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)、梁板式筏板基礎(chǔ)、平板式筏板均可行。但由于堆渣體均勻性較差，成分復(fù)雜，樁基施工的不確定因素較多、投資大、施工復(fù)雜，周期較長(zhǎng)。綜合考慮各方面因素，建議采用梁板式筏板基礎(chǔ)，并在局部采用挖除換填、碾壓、夯實(shí)等措施適當(dāng)改善地基情況。