葉 基 業(yè)

(盈德氣體集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310015)

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疏樁基礎(chǔ)在機(jī)械通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

葉 基 業(yè)

(盈德氣體集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310015)

結(jié)合樁基設(shè)計(jì)思路，介紹了疏樁基礎(chǔ)的概念和設(shè)計(jì)方法，并以某機(jī)械通風(fēng)冷卻塔結(jié)構(gòu)工程為例，對(duì)常規(guī)樁基方案與疏樁基礎(chǔ)方案作了比較，指出疏樁基礎(chǔ)方案充分發(fā)揮了天然地基和樁的潛力，是經(jīng)濟(jì)、安全、科學(xué)的樁基設(shè)計(jì)新形式。

疏樁基礎(chǔ)，樁基設(shè)計(jì)，冷卻塔結(jié)構(gòu)，承載力

0 引言

空分生產(chǎn)裝置中循環(huán)水場(chǎng)中的冷卻塔，一般采用逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，塔體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，塔體下部設(shè)置水池，水池底板兼作上部塔體的筏板基礎(chǔ)。基礎(chǔ)底板荷載不大，一般為100 kPa～120 kPa，占地面積較大。在深厚軟土地基上建造冷卻塔，為滿足地基承載力和沉降變形的要求，應(yīng)進(jìn)行地基處理，一般采用樁基礎(chǔ)。常規(guī)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)以承載力控制為主，上部荷載全部由樁來(lái)承擔(dān)，不考慮樁間土承擔(dān)荷載的可能性，沉降不起控制作用，不重視對(duì)沉降的分析。工程經(jīng)驗(yàn)表明，深厚軟土地基上建筑物的沉降量和工程投資成比例，因此在滿足承載力的基礎(chǔ)上，如何控制合理的沉降顯得很有意義。

1 設(shè)計(jì)思路

樁基處理的目的是提高地基承載力和減小地基沉降，目前有兩種設(shè)計(jì)思路：以承載力控制設(shè)計(jì)的思路和以沉降控制設(shè)計(jì)的思路，無(wú)論哪種思路都必須滿足建筑物對(duì)地基的承載力和沉降要求，主要是這兩種思路側(cè)重點(diǎn)不同。以承載力控制設(shè)計(jì)的思路是以沉降滿足要求為前提條件，樁基承載力為主控要素，與沉降控制設(shè)計(jì)的思路則剛好相反。在深厚軟土地基中，樁基礎(chǔ)的失效，大部分是由建筑物的沉降或差異沉降過(guò)大造成的，由此影響建筑物的使用要求，甚至可能影響結(jié)構(gòu)的安全。但也不是控制沉降越小越好，減小沉降必然付出代價(jià)。因此控制合理的沉降非常必要，而以沉降控制設(shè)計(jì)的思路就很合適,減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)(以下簡(jiǎn)稱疏樁基礎(chǔ))體現(xiàn)了這種設(shè)計(jì)思路。

2 疏樁基礎(chǔ)的概念和設(shè)計(jì)

2.1 疏樁基礎(chǔ)的概念

疏樁基礎(chǔ)為在軟土地基上，地基承載力基本滿足要求時(shí)，可設(shè)置穿過(guò)軟土層進(jìn)入相對(duì)較好土層的疏布摩擦型樁，由樁和樁間土共同分擔(dān)荷載。疏樁基礎(chǔ)屬于復(fù)合樁基范疇，功能介于天然地基和常規(guī)樁基，因此它具有自己的特點(diǎn)：?jiǎn)螛督孛娉叽巛^小，必須是摩擦型樁，樁間距大于6d，這些都是為了確保樁和樁間土共同作用承擔(dān)上部荷載。因此疏樁基礎(chǔ)能充分發(fā)揮樁和樁間土的承載能力，進(jìn)而可以減少樁數(shù)。

2.2 疏樁基礎(chǔ)的理論計(jì)算和設(shè)計(jì)步驟

疏樁基礎(chǔ)的樁和樁間土通過(guò)變形協(xié)調(diào)共同承擔(dān)上部荷載，因此基礎(chǔ)底面樁、土的沉降是相等的，樁基的沉降既可通過(guò)計(jì)算樁的沉降，也可通過(guò)計(jì)算樁間土沉降實(shí)現(xiàn)，規(guī)范采取計(jì)算樁間土沉降的方法。

JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范給出了疏樁基礎(chǔ)的面積、樁數(shù)和中點(diǎn)的沉降計(jì)算公式，公式如下：

(1)

(2)

其中，Ac為樁基承臺(tái)總凈面積；ξ為承臺(tái)面積控制系數(shù)(ξ≥0.60)；ηc為樁基承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)；Fk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，作用于承臺(tái)(底板)頂面的豎向力；Gk為承臺(tái)(底板)及其上土的自重標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)于穩(wěn)定地下水位以下部分應(yīng)扣除水浮力；Ra為單樁豎向承載力特征值；fak為承臺(tái)(底板)底地基承載力特征值;n為基樁數(shù)。

基礎(chǔ)沉降公式如下：

S=Ψ(Ss+Ssp)

(3)

其中，S為樁基中心點(diǎn)沉降量；Ψ為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Ss為承臺(tái)底地基土附加應(yīng)力產(chǎn)生的中點(diǎn)沉降；Ssp為樁土相互作用產(chǎn)生的沉降。

疏樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)步驟如下：

1)基礎(chǔ)底面積先按式(1)初步估算，并結(jié)合建筑物使用的要求，一般較容易滿足；

2)樁數(shù)的確定，規(guī)范建議計(jì)算三種不同樁數(shù)(按常規(guī)樁基設(shè)計(jì)確定的樁數(shù)、上述所需樁數(shù)的1/3、樁數(shù)為0)布樁時(shí)的沉降量，并按線性變化假定求得近似的樁數(shù)與沉降關(guān)系，然后根據(jù)設(shè)計(jì)容許沉降量確定需要的樁數(shù)。這里對(duì)如何布置第二種樁提出看法，如果樁長(zhǎng)同常規(guī)樁基設(shè)計(jì)，通過(guò)減少樁數(shù)控制沉降量，這樣是不合理的。因?yàn)橐环矫媸铇痘A(chǔ)是以沉降控制設(shè)計(jì)，沉降主要取決于樁端下臥土層的壓縮模量，樁長(zhǎng)對(duì)沉降的影響最大；其次樁數(shù)減少，樁的距徑比加大，過(guò)大的樁間距增大了基礎(chǔ)底板承受的彎矩。所以樁數(shù)的確定建議改為樁長(zhǎng)的確定，具體如下：

OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管，正因?yàn)镺LED具有自發(fā)光，其具有對(duì)比度比較高，顯示效果比一般的液晶屏好許多；此次用的是SPI接口，如圖6所示。

a.樁間距控制在6d～8d之間，這樣一定的基礎(chǔ)面積下樁數(shù)就能確定下來(lái)；

b.初估樁長(zhǎng)按樁基承載力和進(jìn)入相對(duì)較好土層綜合確定，其總的樁基承載力要達(dá)到常規(guī)樁基設(shè)計(jì)所需的1/3；

c.按上述兩點(diǎn)布置計(jì)算樁基沉降量，根據(jù)容許沉降量相應(yīng)調(diào)整樁長(zhǎng)，合理控制沉降量。校核樁數(shù)滿足式(2)要求。

3 工程實(shí)例

3.1 場(chǎng)地地質(zhì)條件

遼寧營(yíng)口某60 000 Nm3/h空分生產(chǎn)裝置工程，擬建場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地土的類型為中軟土，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。擬建場(chǎng)地土層共分5層，土層自上至下依次為：②粉質(zhì)粘土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④粉質(zhì)粘土、⑤粉質(zhì)粘土、⑥粉質(zhì)粘土，各層土的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 基礎(chǔ)方案比較

冷卻塔結(jié)構(gòu)，上部塔體4層框架結(jié)構(gòu)，底部1座水池，水池底板兼作上部結(jié)構(gòu)的筏板基礎(chǔ)，筏板基礎(chǔ)平面布置見圖1?；A(chǔ)底板面積為(32.2×15.4)m2，基礎(chǔ)底荷載標(biāo)準(zhǔn)值為Q=58 687 kN，對(duì)應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)的基礎(chǔ)底面壓力P=58 687/(32.2×15.4)=118.3 kPa；基礎(chǔ)底附加荷載準(zhǔn)永久值為39 275 kN，對(duì)應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力P=39 275/(32.2×15.4)=79.2 kPa。底板坐落于②層粉質(zhì)粘土層，地基承載力能滿足要求，但是地基受力層范圍內(nèi)有軟弱下臥層，經(jīng)驗(yàn)算下臥層不滿足地基承載力要求；計(jì)算地基變形時(shí)，沉降計(jì)算簡(jiǎn)化為計(jì)算基礎(chǔ)中心點(diǎn)沉降量。經(jīng)計(jì)算，基礎(chǔ)中心點(diǎn)沉降最大值278 mm，超過(guò)規(guī)范最大的允許沉降值200 mm。天然地基不能滿足地基承載力和地基變形的要求，應(yīng)進(jìn)行地基處理，可供采用的基礎(chǔ)方案如下。

3.2.1 常規(guī)樁基方案

3.2.2 疏樁基礎(chǔ)方案

擬采用φ400 PHC管樁，按樁間距2.6 m和2.8 m布置，基礎(chǔ)

底板面積為(32.2×15.4)m2，共布樁13×6=78根，取常規(guī)樁基設(shè)計(jì)總樁基承載力的1/3作為疏樁樁基承載力Nk=580 kN×136/3=26 293 kN，單樁承載力需要Ra=Nk/78=337 kN,取樁長(zhǎng)10 m，進(jìn)入樁基持力層④層土1 m，計(jì)算單樁承載力特征值為Ra=350 kN，與擬用的單樁承載力符合，可以按此式算。底板底附加荷載準(zhǔn)永久值為39 275 kN。

樁基承臺(tái)總凈面積：

Ac=32.2×15.4-0.4×0.4×3.14/4×91=486 m2。

假設(shè)天然地基平均附加應(yīng)力：

Po=1.3×(39 275-78×350)/486=32 kPa。

按樁基規(guī)范減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)中點(diǎn)沉降公式計(jì)算出基礎(chǔ)中心點(diǎn)最大沉降Ss=103 mm，等效距徑比Sa/d=6.6，平均樁側(cè)極限摩阻力為40 kPa，平均壓縮模量為3.82 MPa。

基礎(chǔ)中心(樁土相互作用產(chǎn)生)最大沉降為：

Ssp=280×40×0.4/(3.82×6.6×6.6)=27 mm。

基礎(chǔ)中心點(diǎn)最大沉降為：

S=1.0×(103+27)=130 mm<200 mm。

沉降滿足要求。

樁數(shù)校核按式(2)計(jì)算：

(58 687-0.65×110×486)/350=68。

滿足要求。

據(jù)此計(jì)算需要布樁φ400 PHC管樁78根，每根樁長(zhǎng)10 m。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)疏樁基礎(chǔ)方案相比常規(guī)樁基礎(chǔ)方案，樁基工程量大幅度減小，φ400 PHC管樁由136×16=2 176 m減小為78×10=780 m，節(jié)省了大約64%的用樁量，基礎(chǔ)沉降量控制在合理的范圍，能滿足建筑物的使用要求。因此采用疏樁基礎(chǔ)方案是經(jīng)濟(jì)、安全、合理的。

4 結(jié)語(yǔ)

1)深厚軟土樁基處理應(yīng)該樹立兩種設(shè)計(jì)思路：以承載力控制設(shè)計(jì)的思路和以沉降控制設(shè)計(jì)的思路。

2)對(duì)于荷載不大，面積較大的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔基礎(chǔ)，在深厚軟土中采用疏樁基礎(chǔ)是可行的。

3)疏樁基礎(chǔ)以沉降控制設(shè)計(jì)，樁長(zhǎng)對(duì)沉降影響最大，提出新的疏樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)步驟是可行的。

4)疏樁基礎(chǔ)充分發(fā)揮天然地基和樁的潛力，是安全合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、概念先進(jìn)的樁基設(shè)計(jì)新形式。

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

[2] DG J08-11—1999，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 龔曉南.地基處理手冊(cè)[M].第3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[4] 龍 鵬.減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)在水池結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用探討[J].特種結(jié)構(gòu)，2010(6)：167-173.

Application of sparse pile foundation in mechanical ventilation cooling tower structure

Ye Jiye

(YingdeAirGroupCo.,Ltd,Hangzhou310015,China)

Combining with pile foundation design concept, the paper introduces the identification and design methods of sparse pile foundation. Taking the mechanical ventilation cooling tower structure engineering as an example, it compares common pile foundation scheme to sparse pile foundation scheme, and points out that: sparse pile foundation fully plays the potential of natural foundation and pile. Therefore, it is a new economic, safe and scientific pile foundation design form.

sparse pile foundation, pile foundation design, cooling tower structure, bearing capacity

1009-6825(2016)10-0080-02

2016-01-29

葉基業(yè)(1980- )，男，工程師

TU473.1

A