石油化工類建構(gòu)筑物基礎(chǔ)選型決策研究

趙 宇

中國運載火箭技術(shù)研究院 北京 100076

建筑場地地基承載力高，并且土層分布均勻，土體壓縮性低，無液化層和軟臥層，是擬建建構(gòu)筑物的天然地基良好持力層。但實際工程中擬建建構(gòu)筑場地工程地質(zhì)條件各異，地層結(jié)構(gòu)及巖性特征差別較大，故需要結(jié)合地基承載力和地層結(jié)構(gòu)確定地基處理方法，并結(jié)合地基承載力、上部結(jié)構(gòu)的受荷特點、結(jié)構(gòu)型式、抗震設(shè)防烈度、基本風(fēng)壓、凍土深度、地下水位等因素確定基礎(chǔ)形式。

1 地基承載力計算

地基基礎(chǔ)設(shè)計時，必須滿足上部結(jié)構(gòu)荷載通過基礎(chǔ)傳到地基土的壓力不得大于地基承載力的要求，以確保地基土不喪失穩(wěn)定性。地基承載力是各項影響因素中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的。當(dāng)前確定地基承載力的方法主要有理論公式計算、原位實驗和經(jīng)驗統(tǒng)計三種。為了了解地基土在受荷以后剪切破壞的過程及承載力的性狀，研究人員通過現(xiàn)場載荷試驗對地基土的破壞模式進(jìn)行了研究。由試驗得到壓力（P）與所對應(yīng)的穩(wěn)定沉降量（s）的關(guān)系曲線。從曲線P- s 的特征可以了解不同性質(zhì)土體在荷載作用下的地基破壞機理。先后提出三種典型的地基破壞模式，即整體剪切破壞、局部剪切破壞和沖剪破壞。整體剪切破壞通常發(fā)生在淺埋基礎(chǔ)下的密砂或硬黏土等堅硬地基中；局部剪切破壞通常發(fā)生在中等實砂土中；沖剪破壞模式通常發(fā)生在松砂或軟土地基中。

不同土層在荷載作用下，其破壞模式是不同的，因此確定其地基承載力的方法也有所不同。根據(jù)土中應(yīng)力計算的彈性理論和土體極限平衡條件導(dǎo)出地基土中將要出現(xiàn)但尚未出現(xiàn)塑性變形區(qū)時的基底壓力臨塑荷載（pcr），假定土的自重應(yīng)力在各向相等，即相當(dāng)于土的側(cè)壓力系數(shù)（K0）取1.0。因此，土的水平和豎向自重應(yīng)力取值為(γ0d+γz), 故地基中任一點的σ1和σ3可寫為式（1）。

根據(jù)極限平衡及彈性理論，基礎(chǔ)兩邊點的主應(yīng)力最大，因此塑性區(qū)首先從基礎(chǔ)兩邊點開始向深度發(fā)展。塑性區(qū)發(fā)展的最大深度（zmax）可以表達(dá)為（2）式。

若zmax=0，則表示地基中將要出現(xiàn)但尚未出現(xiàn)塑性變形區(qū)，其相應(yīng)的荷載即為pcr（式3）。

式中：γ0——基底標(biāo)高以上土的加權(quán)平均重度，kN/ m3；

φ——地基土的內(nèi)摩擦角(弧度)。

工程實踐表明，即使地基發(fā)生局部剪切破壞，地基中塑性區(qū)有所發(fā)展，只要塑性區(qū)范圍不超出某一限度，就不致影響建筑物的安全和正常使用，因此以pcr作為地基土的承載力偏于保守。塑性荷載就是指地基土中已經(jīng)出現(xiàn)塑性變形區(qū)，但尚未達(dá)到極限破壞時的基底壓力(p1/4、p1/3等)。地基塑性區(qū)發(fā)展的容許深度與建筑物類型、荷載性質(zhì)，以及土的特性等因素有關(guān)。一般認(rèn)為，在中心垂直荷載下，塑性區(qū)的zmax可控制在基礎(chǔ)寬度的1/ 4，相應(yīng)的塑性荷載用p1/4表示，見式（4）。

而對于偏心荷載作用的基礎(chǔ)，也可取zmax=b/ 3 相應(yīng)的塑性荷載p1/3作為地基的承載力，見式（5）。

地基的極限承載力（pu）是地基承受基礎(chǔ)荷載的極限壓力，亦稱地基極限荷載。普朗德爾(L.Prandtl，1920)根據(jù)塑性力學(xué)理論，研究了堅硬物體壓入較軟、均勻、各向同性材料的過程，導(dǎo)出了極限荷載表達(dá)式。H.Reissner 和D.W.Taylor 對L.Prandtl 公式作出補充，給出不考慮土體自重時埋置深度為d 和考慮土體滑動重力時的地基土極限荷載計算表達(dá)式。在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上Hanse 建議，對于均質(zhì)地基，基底完全光滑，在中心傾斜荷載作用下，不同基礎(chǔ)形狀及不同埋置深度時的極限承載力計算公式見式（6）。

式中：Nγ、Nq、Nc——承載力系數(shù)，漢森建議按Nγ=1.5(Nq-1)tan 計算；

iγ、iq、ic——荷載傾斜系數(shù)；

gγ、gq、gc——地面傾斜系數(shù)；

bγ、bq、bc——基底傾斜系數(shù)；

sγ、sq、sc——基礎(chǔ)形狀系數(shù)；

dγ、dq、dc——深度系數(shù)。

Hanse 公式考慮的承載力影響因素比較全面，在國外許多設(shè)計規(guī)范中得到廣泛采用。由上述理論公式計算的極限承載力是在地基處于極限平衡時的承載力，但為了保證建筑物的安全和正常使用，地基承載力設(shè)計值應(yīng)以一定的安全度將極限承載力加以折減。我國現(xiàn)行的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中采用“特征值（Characteristic Value）”一詞，用以表示正常使用極限狀態(tài)計算時采用的地基承載力和單樁承載力的值，其涵義即為在發(fā)揮正常使用功能時所允許采用的抗力設(shè)計值。設(shè)計時通常以勘察單位給出的地質(zhì)報告作為各層土的承載力依據(jù)?？辈靻挝煌ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗和靜態(tài)觸探試驗、動力觸探試驗確定地基土的承載力特征值。實踐和理論計算均表明，勘察單位通過試驗得出的地基承載力特征值偏于保守。地基承載力特征值以淺基礎(chǔ)地基的塑性荷載p1/4為理論基礎(chǔ)，并對地基承載力特征值給予一定程度上的修正。

對于荷載偏心距e≤0.033b(b 為偏心方向基礎(chǔ)邊長)時，以淺基礎(chǔ)地基的塑性荷載p1/4為基礎(chǔ)的理論公式計算地基承載力特征值，見式（7）。

當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3m 或埋置深度大于0.5m 時，從載荷試驗或其他原位測試、經(jīng)驗值等方法確定的地基承載力特征值尚應(yīng)按式（8）修正。

2 基礎(chǔ)選型決策

2.1 定性比較

通過工程師的專業(yè)知識和設(shè)計經(jīng)驗，直觀選取幾個可能方案，對各方面性質(zhì)加以比較，最后確定選用的方案。定性比較法較簡單，但一般較粗略；再加上選取備選方案時存在可能方案的漏選，故定性比較用于對可能性方案的工程適用取向明顯（即各分析因素均對某方案明顯有利或有利）的情況下效果較好。

2.2 定量計算

同樣是依靠專家的專業(yè)知識和個人經(jīng)驗，在直觀選取少數(shù)幾個可能方案后，計算各參數(shù)并加以比較，最后確定選用的方案。定量計算法較精確，但計算量較大，過程也較繁雜，當(dāng)工程適用取向更明顯、備選方案更少時效果較好。

2.3 系統(tǒng)方法分析

針對不具普遍性的個例，可運用層次分析法加以分析比較，確定最終選用方案。首先尋求可行性方案，然后對可行性方案進(jìn)行權(quán)值排序，最后根據(jù)工程個例特點確定適用方案。因?qū)哟畏治龇ㄖ皇菍Σ煌再|(zhì)的簡單量化比較，其用于備選方案較多、各方案經(jīng)比較分析并進(jìn)行權(quán)值排序后，優(yōu)選方案權(quán)值與其他方案的權(quán)值相差明顯時，效果較好。

建議綜合定性比較、層次分析法分析、定量計算這三種通常的地基基礎(chǔ)選型方法，并結(jié)合工程個例特性、上部結(jié)構(gòu)及荷載特點確定地基基礎(chǔ)選型決策模型，。

（1）根據(jù)專家和工程師的專業(yè)知識與個人經(jīng)驗，對工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及建構(gòu)筑物型式、凍土深度、受荷特點、設(shè)防烈度等因素進(jìn)行定性比較，在多種可能的地基基礎(chǔ)方案中篩選出幾種可行性方案。

（2）運用層次分析法對幾種可行性方案的不具可比性的因素進(jìn)行量化比較，得到幾種可行性方案權(quán)值排序。

（3）定量計算幾種權(quán)值排序中的最大值及權(quán)值相近的方案，通過計算承載力、沉降等各方面的參數(shù)，得到最終確定最優(yōu)方案。

3 案例分析

石油化工廠區(qū)的擬建建構(gòu)筑物可根據(jù)結(jié)構(gòu)高度和功能特性分為四類：一般建筑物，如空分廠房、渣水框架、鍋爐房、綜合樓、控制室等；高層建筑物，如氣化框架；高聳構(gòu)筑物，指高塔、冷箱、火炬、煙囪等；室外一般構(gòu)筑物，如設(shè)備基礎(chǔ)和管廊等。以河南某合成氨及配套工程項目部分建構(gòu)筑物基礎(chǔ)計算及設(shè)計為例，詳細(xì)介紹上述四類建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)選型。

地質(zhì)特性如下：建筑場地類別為Ⅲ類，該項地地震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組屬第一組，場地特征周期值為0.45s，水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，場地液化等級屬輕微，場地土多年標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度小于0.6m。各土層承載力特征值、壓縮模量及變形特征參數(shù)見表1。

表1 各土層承載力特征值、壓縮模量及變形特征

3.1 燃料煤貯運系統(tǒng)配電室

該項目燃料煤貯運系統(tǒng)配電室屬于前述一般建筑物，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、有圍護(hù)、兩層、乙類建筑?；A(chǔ)坐落于第②層土，因該層土試驗地基承載力特征值較低，同時考慮其為乙類建筑，故需對該層地基土進(jìn)行合理處理以提高地基承載力?；A(chǔ)選型確定為獨立基礎(chǔ)下墊800mm 厚級配砂加石墊層，分層夯實，壓實系數(shù)不小于0.95，地基承載力特征值為150kPa。獨立基礎(chǔ)通過基礎(chǔ)梁連接起來，以加強結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力。勘察報告中給出的第②粉質(zhì)粘土地基承載力特征值為80kPa，較塑性發(fā)展深度為1/ 4 基礎(chǔ)寬度的理論計算承載力p1/ 4值保守，設(shè)計時應(yīng)本著經(jīng)濟(jì)合理的原則，無需將獨立基礎(chǔ)下第二層土全部挖除換填。經(jīng)計算，下臥層強度和沉降驗算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.2 氣化框架

該項目氣化框架屬于前述高層建筑物，鋼- 混凝土混合結(jié)構(gòu)，標(biāo)高38.000m 以下為混凝土框架-支撐結(jié)構(gòu)，標(biāo)高38.000～90.000m 為鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)。主體為局部圍護(hù)結(jié)構(gòu)。依工藝要求劃分為17 層，屬乙類建筑。因氣化框架屬復(fù)雜高層建筑，上部結(jié)構(gòu)荷重較大，需考慮基礎(chǔ)的承載力要求、整體剛度、抗傾覆能力及變形要求，經(jīng)綜合比較采用樁筏式基礎(chǔ)。基礎(chǔ)選用機械成孔灌注樁，樁端以第11 層細(xì)砂為持力層，單樁豎向承載力特征值Ra≥2800kPa。根據(jù)試樁結(jié)果，樁承載力和沉降均滿足設(shè)計要求；綜合考慮沖切、強度等要求，筏板厚度取2.2m。

3.3 火炬裝置

該項目火炬裝置屬于前述高聳結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，乙類建筑，火炬塔基礎(chǔ)等級為乙級。高聳結(jié)構(gòu)水平向荷載為控制荷載，在水平荷載作用下，構(gòu)筑物底部會產(chǎn)生較大的彎矩和剪力，因此在基礎(chǔ)的埋深和型式的選擇時要充分考慮場地的基本特性和上部體系的結(jié)構(gòu)特點，抗傾覆能力是基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵所在。設(shè)計時采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG 樁）進(jìn)行地基處理，樁徑400mm，有效樁長12.5m；以第⑦層土作為持力層，進(jìn)入第⑦層土不小于1m，單樁承載力不小于300kN，復(fù)合地基承載力特征值不小于200kPa?；A(chǔ)埋設(shè)為3.5m，采用獨立基礎(chǔ)。經(jīng)計算，強度、抗傾覆和變形驗算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.4 酸堿站設(shè)備基礎(chǔ)

該項目酸堿站主要分為酸系統(tǒng)和堿系統(tǒng)兩個部分，基礎(chǔ)選型和設(shè)計時一般需要考慮設(shè)備基礎(chǔ)動力特性以及構(gòu)造要求。因一般設(shè)備較輕、高度不大，采用天然地基即可滿足承載力和變形要求。

4 結(jié)論與建議

豎向結(jié)構(gòu)體系將荷載以集中荷載或線形荷載傳遞給基礎(chǔ)，基礎(chǔ)作為建筑物和地基之間的連接體，又將豎向體系傳來的荷載傳給地基。

（1）如果天然地基的承載能力足夠，則基礎(chǔ)的分布方式可與豎向結(jié)構(gòu)的分布方式相同。在地基較軟弱或上部結(jié)構(gòu)荷載較大時，需采用條形或筏形基礎(chǔ)。筏形基礎(chǔ)有擴(kuò)大地基接觸面的優(yōu)點，但與獨立基礎(chǔ)相比其造價通常要高很多，因此只在必要時才使用。多數(shù)建筑物，只需將墻下的條形基礎(chǔ)和柱下擴(kuò)展基礎(chǔ)結(jié)合使用，就足以把荷載傳給地基。

（2）如果地基承載力不足，可以判定為軟弱地基，須采取措施對其進(jìn)行處理。軟弱地基系指主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層構(gòu)成的地基。在建筑地基的局部范圍內(nèi)有高壓縮性土層時，應(yīng)按局部軟弱土層考慮。沖填土還應(yīng)了解排水固結(jié)條件、雜填土應(yīng)查明堆積歷史，明確自重下穩(wěn)定性、濕陷性等基本因素。

（3）對于化工類建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)型式：①一般建筑物應(yīng)選擇獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)或平板基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)鼗休d力特征值增大時，基礎(chǔ)面積可以適當(dāng)減小。②氣化框架屬復(fù)雜高層建筑，上部結(jié)構(gòu)荷重較大，考慮基礎(chǔ)的承載力要求和整體剛度，一般設(shè)計成樁筏式基礎(chǔ)。天然地基承載力特征值不小于250kPa，在滿足沉降和變形要求時，基礎(chǔ)可采用梁板式筏基或者平板式筏基，此時筏板從柱邊向四周外伸長度較大。若承載力特征值增至300 kPa，可減小筏板的外伸長度。③高聳建構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計受風(fēng)荷載控制。在正常工況下，基礎(chǔ)底面與地基土之間不得出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)?；A(chǔ)外邊緣的最大應(yīng)力需與承載力特征值有線性比較關(guān)系，而基礎(chǔ)不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)只與基礎(chǔ)自身的抗彎截面模量有關(guān)，與地基承載力的大小并無直接關(guān)系。若基礎(chǔ)底部出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，需加大基礎(chǔ)尺寸，或采用抗拔樁，以增大基礎(chǔ)抗傾覆能力。④室外設(shè)備及管廊基礎(chǔ)型式一般可采用大塊式和獨立基礎(chǔ)。室外設(shè)備基礎(chǔ)大小與設(shè)備支座形式和滿足安裝要求的尺寸有關(guān)，增大地基承載力特征值對基礎(chǔ)大小影響不明顯，而管廊的獨立基礎(chǔ)大小與承載力特征值基本呈線性關(guān)系，增大承載力特征值時可以減小基礎(chǔ)面積。

以上在進(jìn)行基礎(chǔ)選型決策研究時并未考慮結(jié)構(gòu)與土的相互作用，以及地震荷載對土中樁基礎(chǔ)的影響，在今后的研究中可以討論這兩個復(fù)雜的影響因素。