软弱地基上筒仓桩基设计
软弱地基上筒仓桩基设计
高 智*
(北京石油化工工程有限公司,北京 100107)
摘 要：结合工程的地质特点、工期要求和筒仓基础的受力和沉降特点等因素,基础采用了预应力混凝土管桩(PHC管桩),通过多方案比较确定了布桩方案,并以该方案为例,介绍了基础设计需要计算的主要内容及其计算参数的选择,重点介绍了竖向承载力、水平承载力以及沉降的计算,最后提出了对施工的要求,可供类似工程参考。
关键词：软弱地基, 筒仓, PHC管桩, 承载力, 沉降
1 概述
1.1 筒仓及其基础概述
筒仓(贮仓)一般指贮存散料的直立容器,是贮存松散的粒状或小块状原材料或燃料(如谷类、水泥、砂子、矿石、煤及化工原料等)的贮藏结构;可作为生产企业调节、运转和贮存物料的设施,也可作为贮存散料的仓库[1]。
筒仓的基础选型应根据地基条件、荷载大小和上部结构形式综合分析确定。对于圆形筒仓,宜采用筏形基础或桩基[2]。
筒仓的桩基础多采用混凝土灌注桩、钢筋混凝土预制桩等。桩基础是将上部结构荷载通过桩传给坚硬土层或通过桩周围的摩擦力传给地基。桩基础能减小地基不均匀沉降,对于重心位置较高的筒仓结构更具有重大意义,而且桩基础使实际结构较好地符合类似悬臂梁简图的基本假定,所以我国沿海港口软土地基上建造的筒仓多采用桩基础[3]。
1.2 本工程概述
本例中筒仓为某矿渣粉生产线工程项目的子项:矿渣粉库,筒身采用钢筋混凝土结构,内径18 m,库高56 m,基础埋深4.2 m,设计储量10 000 t。筒仓形式采用IBAU库,IBAU库是目前常用的均化库形式,由德国IBAU公司首先研制成功,在结构设计中,IBAU库的主要特点是库底中心有一个大圆锥,通过它将库内物料的质量传到库壁上[4],代替常见的平厚库底板,锥体与库壁的连接有两种主要的形式,整体连接和非整体连接,本设计采用非整体连接。筒仓的剖面图如图1所示。
本工程共四个筒仓并排设置,两侧设置斗提框架,平面位置如图2所示。
2 基础选型
本工程结构安全等级为二级;抗震设防类别为丙类;设计使用年限为50年。地震基本烈度7度,设计基本地震加速度值0.15 g,设计地震分组为第一组。建筑场地类别为Ⅲ类;设计特征周期为0.45 s。地基基础设计等级为乙级,桩基设计等级乙级,桩基环境类别二b。
由于篇幅关系,本文仅对中间仓进行分析,边仓较中间仓增加斗提框架,不在本文内容中。
本工程勘察场地为辽河三角洲,地面高度变化不大。地貌单元为冲积平原。根据勘察结果,在勘探深度内,拟建场地地层共分6层。场地地层自上而下依次为:①杂填土;②粉质黏土;③淤泥质粉质黏土;④粉质黏土;⑤粉质黏土;⑥粉质黏土。各层土天然地基承载力特征值见表1。
勘察期间,场地地下水类型,主要为①、②层粉质黏土、③淤泥质粉质黏土层中的上层滞水。
图1 筒仓剖面图(全部尺寸除注明外,均以mm为单位,标高以m为单位)
Fig.1 Silo sectional view
图2 筒仓平面布置图
Fig.2 Silo plan
表1 各层土天然地基承载力特征值
Table 1 Characteristic value of bearing capacity of natural foundation of each layer sorl
参数土名称 承载力特征值fak/kPa压缩模量平均值Es1?2/MPa②粉质黏土1104．0③淤泥质粉质黏土802．5④粉质黏土1605．0⑤粉质黏土1905．5⑥粉质黏土2206．5
补给来源主要为大气降水,稳定水位埋深在1.10～1.6 m,稳定水位标高3.01～3.58 m,抗浮水位标高按3.0 m考虑。根据水质检测报告,地下水在Ⅱ类环境中对混凝土结构具有微腐蚀性,在干湿交替作用下对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。
软弱地基指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土构成的地基,其主要问题是:承载力不足及地基变形过大[5]。本例中主要解决的就是软弱地基的承载力和地基变形问题。
筒仓物料及结构恒载、活载的标准值为:152 540.96 kN;承台厚度:2.4 m,面积:393.728 m2,承台自重标准值:23 623.68 kN;承台上覆土厚度:2.1 m,容重:18 kN/m3,承台覆土自重标准值:14 882.92kN。合计全部自重标准值:191 047.56 kN。
自重标准值/面积=191 047.56/393.728=485.23 kN/m2,基底坐落于③层上,承载力特征值为80 kPa,即使考虑修正也不能提供这么高的承载力,故考虑使用桩基,桩基类型考虑选用灌注桩或预应力管桩。
由于本工程地质条件较差,预估桩基为摩擦桩,故应选择较大表面积体积比的桩型,而小直径桩的面积体积比较大,如800 mm的桩每混凝土可提供5 m2/m3表面积;600 mm的桩为6.67 m2/m3;500 mm为8 m2/m3。
桩径考虑分别试算500 mm、600 mm直径。
由于业主指定要求选用管桩,故选用图集:03SG409《预应力混凝土管桩》(设计时还未出版10G409《预应力混凝土管桩》图集)。500 mm桩径编号:PHC-AB 500(100)(a型桩尖)。600 mm桩径编号:PHC-AB 600(130)(a型桩尖)。
桩的中心距、桩端进入持力层的深度、桩顶嵌入承台内的长度等均按规范要求确定。
3 竖向承载力计算
500 mm桩径桩基的承载力计算详见表2。
表2 承载力计算
Table 2Capacity calculation
500mm桩径，桩长45m，187#孔点(比较得出本孔点承载力最低)土层名称及编号侧阻力qsik/kPa厚度li/mqsik×li/(kN·m-1)杂填土①000粉质粘土②4200淤泥质粉质黏土③304．69140．7粉质黏土④6022．31338粉质黏土⑤648．2524．8粉质黏土⑥709．81679．7总计2683．2侧阻力4214．76kN极限端阻力标准值qpk/kPa2400端阻力471．24kN合计4686kN承载力特征值2343kN
得出500 mm桩径承载力特征值:2 343 kN,设计时取2 240 kN。
其中,03SG409图集中规定“管桩桩身结构对应的单桩竖向力承载力最大特征值=2 300 kN”、“桩身结构竖向力承载力设计值=3 150 kN”,故承载力特征值为2 240 kN。
600 mm桩径桩基的承载力计算详见表3。
表3 承载力计算
Table 3 Capacity calculation
600mm桩径，桩长45m，187#孔点(比较得出本孔点承载力最低)土层名称及编号侧阻力qsik/kPa厚度li/mqsik×li/(kN·m-1)杂填土①000粉质黏土②4200淤泥质粉质黏土③304．69140．7粉质粘土④6022．31338粉质黏土⑤648．2524．8粉质黏土⑥709．71679．7总计2683．2侧阻力5057．71kN极限端阻力标准值qpk/kPa2400端阻力678．58kN合计5736．3kN承载力特征值2868．15kN
得出600 mm桩径承载力特征值:2 868.15 kN,设计时取2 755 kN。
其中03SG409图集中规定“管桩桩身结构对应的单桩竖向力承载力最大特征值=3 550 kN”、“桩身结构竖向力承载力设计值=4 800 kN”均大于计算值,故承载力特征值取2 755 kN。
当选用直径500 mm的桩基布置时,考虑按4 d=2.0 m间距布置,如图3所示两种方案。
方案一(最内侧桩轴线的同心圆满足三桩的布置要求):共100根桩,总承载力=100×2 240=224 000 kN。
方案二(最内侧桩轴线同心圆满足四桩的布置要求):共96根桩,总承载力=96×2 240=215 040 kN。
当选用直径600 mm的桩基布置时,考虑按4 d=2.4 m间距布置,如图4所示两种方案。
方案三(筒壁圆心布置一根桩):共75根桩,总承载力=75×2 755=206 625 kN。
方案四(最内侧桩轴线的同心圆满足五桩的布置要求):共74根桩,总承载力=74×2 755=203 870 kN。
单个承台及整个单体的布桩系数(上部总荷载与单桩承载力总和的比值)宜控制在0.75～0.90之间,试桩结果较理想时可取高值。
图3 桩基布置对比图
Fig.3 Comparison chart of pile foundation arrangement
图4 桩基布置对比图
Fig.4 Comparison chart of pile foundation arrangement
本例中,布桩系数方案一为191 047.56/224 000=0.853;方案二为191 047.56/215 040=0.888;方案三为191 047.56/206 625=0.925;方案四为191 047.56/203 870=0.937,可见仅方案一及方案二满足要求。
根据桩基规范[6]第5.2.1-2条规定:地震作用效应和荷载效应标准组合,轴心竖向力作用下:NEKmax≤1.25R;偏心竖向力作用下:NEKmax≤1.5R。根据盈建科软件计算结果,详见表4。
表4 方案对比
Table 4 Comparison of different proposals
方案地震作用效应和荷载效应标准组合下，基桩的最大竖向力/kN对应的荷载组合方案一3208kN(1．5×2240=3360)承载率：95．48%1．0恒+0．5活?0．2风x?1．0震x+0．38竖震方案二3297kN(1．5×2240=3360)承载率：98．13%1．0恒+0．5活?0．2风x?1．0震x+0．38竖震方案三4071kN(1．5×2755=4132．5)承载率：98．51%1．0恒+0．5活?0．2风x?1．0震x+0．38竖震方案四4096kN(1．5×2755=4132．5)承载率：99．12%1．0恒+0．5活?0．2风x?1．0震x+0．38竖震
综合上述的计算分析,并由于筒仓的荷载很大,在筒壁下范围内必须按最小的桩间距布置尽可能多的桩基,上述所列各方案均为可能的情况下布桩最多的方案,故本工程选用方案一作为最终的设计及后面讨论的方案。
4 水平承载力计算
筒仓结构由于承受风荷载和地震作用,并且由于筒仓的物料荷载较大,在地震工况下会产生较大的水平地震力,对于预应力管桩需要验算其水平承载力是否能够满足要求。
桩基的水平承载力与位移计算,是结构设计的难点,一般应通过试验来确定。
根据桩基规范[6]第5.7.1条规定:受水平荷载的一般建筑物和水平荷载较小的高大建筑物单桩基础和群桩中的基桩应满足下式要求:Hik≤Rh。
Hik计算:按本规范第5.1.1-2条根据盈建科软件计算结果,Hik=127 kN。
Rh计算:按本规范5.7.2-6条计算水平承载力特征值Rha,其中桩身抗弯刚度
桩的水平变形系数桩顶允许水平位移χ0a=0.01 m,桩的换算深度αh=24.93 m,代入公式得:Rha=45.05 kN。按本规范5.7.3条计算Rh=ηhRha,其中,ηh=ηiηr+ηl=3.01,代入公式得Rh=135.44 kN,满足要求。
影响单桩水平承载力和位移的因素包括桩身截面抗弯刚度、材料强度、桩侧土质条件、桩的入土深度、桩顶约束条件。对于抗弯性能强的桩,如高配筋率的混凝土预制桩,桩身虽未断裂,但由于桩侧土体塑性隆起,或桩顶水平位移大大超过使用允许值,也认为桩的水平承载力达到极限状态。
对于软土地区或液化土要特别关注水平承载力校核。如果局部不足,可以整体考虑,通过梁、板等构件增加整体性来实现,本例中承台厚2.4 m整体性较好。对于承台底部及侧向土体比较好时,承台底土摩擦力及承台侧土反力是抵抗水平力的重要组成部分,本例中把承台底土摩擦力及承台侧土反力作为安全储备,未予考虑。
考虑承载力比较接近,而且承台底为软土地基,为加强桩基与承台的连接和水平承载力,故采取构造做法加强,见图5。
5 沉降计算
当桩距小,桩数多,单桩应力传到桩尖处后相互重叠,群桩与桩间土形成一个整体,近似于一个深埋实体基础,群桩承载力就可以按实体基础进行地基强度与变形验算[7]。
根据桩基规范[6]第5.5.6～5.5.9条条文说明:桩距小于和等于6倍桩径的群桩基础,在工作荷载下的沉降计算方法,目前有两大类。一类是按实体深基础计算模型,采用弹性半空间表面荷载下Boussinesq应力解计算附加应力,用分层总和法计算沉降;另一类是以半无限弹性体内部集中力作用下的Mindlin解为基础计算沉降。桩基规范采用等效作用分层总和法,沉降计算公式与习惯使用的等代实体深基础分层总和法基本相同,仅增加一个等效地基沉降系数ψe。
计算时,对于其中几个重要计算参数的选取:
(1) 基床系数是WINKLER模型重要参数,将土对基础的约束假设成相互独立的面弹簧。目前有多种确定基床系数的方法,有基于基础底土性的经验查表法,有基于实测沉降或计算沉降反推的刚度法。前者由于历史原因与后者相差很大,前者可能是后者的10倍。查表法适用于单一建筑仅计算内力的情况。由于目前软件能相对准确考虑上部结构刚度,因此对于复杂大型基础调平设计,特别是存在较大沉降差情况下,基于实测沉降或计算反推的刚度法是理论上严密,计算值合理的一种方法。基床反力系数的取值对于桩筏和不考虑承台效应的桩基础,取为0。本例中即取0。
图5 接头详图(单位:mm)
Fig.5 Connection details (Unit:mm)
(2) 桩刚度包括抗压刚度、抗拔刚度和弯曲刚度。
抗压刚度:根据地质资料计算,采用“荷载除以位移”的方法用沉降试算法给出桩刚度,计算公式
本例中选取三根代表性位置的桩计算桩的抗压刚度,由试算可知,最外圈桩刚度为最大,中心桩刚度最小,所选桩的平面位置见图6。
其中Q为平均桩反力,按“荷载除以总桩数”确定,荷载包括:上部荷载的准永久组合(1.0恒+0.5活),筏板自重,覆土重,板面恒荷载,算得Q=1 922.31 kN。s为桩顶沉降,等于“桩身压缩+桩端沉降”,桩身压缩其中,ξe=0.5,桩1在荷载效应准永久组合作用下桩顶的附加荷载Q1=1 895 kN,桩长l1=45 m,桩身混凝土的弹性模量Ec=38 000 N/mm2,桩身截面面积Aps=125 663.71 mm2,计算得桩身压缩Se=8.93 mm,桩端沉降按盈建科计算结果为101 mm,代入计算得桩的抗压刚度Kp=17 486.85 kN/m,同理计算得桩2的抗压刚度Kp=43 470.49 kN/m,桩3的抗压刚度Kp=45 800.57 kN/m。
图6 桩的平面位置(单位:mm)
Fig.6 Plan position of piles (Unit:mm)
抗拔刚度:不考虑水浮力或其他桩受拉情况抗拔桩刚度可以不输入,故本例中输入0。
弯曲刚度对于筏板一般影响不大,仅对于线性分布的桩或单桩考虑,故本例中输入0。
根据盈建科软件计算结果,沉降最大值为101.6 mm。沉降分布见图7。
由于建模为单仓建模,未考虑相邻基础的影响,本例中考虑1#仓空仓、3#仓满仓时,2#仓的倾斜最不利,故考虑相邻基础影响时应按桩基规范[6]第5.5.12条地基规范[8]第5.3.9条的角点法计算,先将不规则的基础形状等效成矩形,按桩基规范[6]第5.5.13条,详见图8,粗线矩形为等效矩形,等效时按面积相等的原则。计算1#仓基础底面的附加应力po对2#仓基础中心处引起的附加沉降量s0,所求沉降量s0为均布荷载po,由矩形面积A0123在O点引起的沉降量s0123减去由矩形面积A0543在O点引起的沉降量s0543的两倍,即s0=2(s0123-s0543)。
计算得,2#仓基础中点沉降最终值为107.1 mm;2#仓基础右侧中点沉降最终值为96.9 mm;2#仓基础左侧中点沉降最终值为76.1 mm;倾斜率为0.001 1。
以上计算结果满足《钢筋混凝土筒仓设计规范》[9]第5.4.3条:按正常使用极限状态设计筒仓基础时,应取标准组合,其倾斜率不应大于0.004,平均沉降量不宜大于200 mm。
图7 沉降图(单位:mm)
Fig.7 Settlement contour (Unit:mm)
6 施工要求
对满堂布桩,无论桩距大小,均不宜从四周转圈向内推进施工。因为这样限制了桩间土向外的侧向变形,容易造成大面积土体隆起,断桩的可能性增大。可采用从中心向外推进的方案,或从一边向另一边推进的方案。
对满堂布桩,无论如何设计施打顺序,总会遇到新打桩的振动对已结硬的已打桩的影响问题,桩距偏小或夹有比较坚硬的土层时,亦可采用螺旋钻机预引孔的措施,以减少沉、拔管时对桩的振动力。
后面打桩会影响前面的桩的垂直度,貌似一般解决的办法是采用合理的沉桩设备和沉桩方式,控制沉桩速率,合理安排沉桩流程。
7 结论
结合实例分析了应用预应力管桩的筒仓基础在软弱地基中的实际应用的问题,得出以下几点结论:
(1) 在计算中,应通过桩基选型、布置等满足桩基竖向承载力的要求,通过对比发现虽然600 mm的单桩承载力特征值较高,但是在基础面积有限的情况下,500 mm的管桩可以得到的总承载力是最高的。
图8 等效矩形示意图(单位:mm)
Fig.8 Schematic diagram of equivalent rectangles (Unit:mm)
(2) 由于筒仓物料荷载较大,水平地震荷载也较大,故桩基水平承载力的验算也尤为关键,通过比较软件及规范公式手算结果差异不大,可作为设计的参考。同时应注意加强桩基与承台的连接,推荐采用文中的加固节点详图。
(3) 对于沉降的计算要注意重要的参数(基床系数、桩刚度等)的选取,计算结果满足规范要求,但应注意,沉降的计算本身的准确性有待考证,应注意与现场实际经验相结合。
(4) 对于这类复杂地质条件的桩基施工提出了具体的要求。
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Design of Silo Pile Foundation on Soft Ground
GAO Zhi*
(Beijing Petrochemical Engineering Co.,Ltd., Beijing 100107, China)
Abstract：Combined with geological characteristics of a project,schedule requirements and mechanical properties and settlement characteristics of silo basesand,prestressed concrete piles are employed.The pile arrangement is determined through comparison of several proposals.The main contents and analysis parameters during the design of the foundation are introduced by illustration of this project,where calculation of the vertical and horizontal load-carrying capacities and the settlement are intensively described.Finally,the constructional requirements are proposed,which can be referenced for similar projects.
Keywords：soft ground, silo, PHC pipe pile, bearing capacity, settlement
收稿日期：2015-11-03
*联系作者， Email:15010568700@139.com