大面积堆载作用下地基变形影响分析

孙晓东

(1.大地工程开发(集团)有限公司，北京100102;2.天津城市建设学院，天津300384)

近年来在工业建筑中，尤其是煤炭行业，由于设计产能的因素，需要建造大型储煤场和产品仓，此类建筑物往往占地面大，堆料高度高，如河北曹妃甸某圆形储煤场直径120 m，堆煤高度达34 m。由此所产生的大面积堆载对地基的变形影响深度大、范围广，尤其在软土地区此种情形更为明显[1]。假如在设计时未考虑到大面积堆载对地基变形产生的影响，将造成严重的后果，如建筑物地基产生不均匀沉降，导致地坪下沉、墙体开裂、及由此引发柱内倾等现象，严重影响建筑物安全[2]。本文将就此问题结合工程实例加以计算和分析对比，以供同类工程设计时参考。

1 大面积堆载沉降变形计算方法

规范[3]规定由地面荷载引起柱基内侧边缘中点的地基附加沉降计算值按分层总和法计算:

式中s－地基最终变形量;s'－按分层总和法计算出的地基变形量;ψs－沉降经验系数;n－土层数;p0－基础底面附加压力;Esi－基础底面下第i层土的压缩模量;zi、zi－1－ 基础底面至第 i层土、第 i－1层土底面的距离;αi、αi－1－基础底面计算点至第i层土、第i－1层土底面范围内平均附加应力系数。

关于地基变形计算深度，规范[3]规定，应符合式(2)要求。

式中△si－在计算深度范围内第i层土的计算变形值;△sn－由计算深度向上取一定厚度△z的土层计算变形值。

地面荷载计算范围:横向取5倍基础宽度，纵向为实际堆载长度，其作用面在基底平面处。当荷载范围横向宽度超过5倍基础宽度时，按5倍基础宽度计算。小于5倍基础宽度或荷载不均匀时，应换算成宽度为5倍基础宽度的等效均布地面荷载计算。

2 工程实例

2.1 条形储煤场

工程概况:山西长治某原煤储煤场，储煤长度120 m、宽度30 m。考虑后期堆煤高度15 m，煤堆荷载取150 kPa。场地地层见表1。

表1 场地地层Tab.1 Site formation

模型选取:按长120 m、宽30 m的堆煤场地实际情况，计算沉降最大值段的附加沉降。计算分四块:1、2 块长L=73 m、宽 b=15 m，3、4 块长 L=47 m、宽b=15 m，计算模型见图1。

计算过程:据规范[3]分层总和法，变形从地面算起，上返1.2 m验算变形影响深度，当△S≤0.025S停止计算。经计算深度到30 m时，△S/S=0.014 ＜ 0.025，变形达到收敛，总沉降量 S=676 mm。由此可见，此大面积堆载影响深度大，达30 m，远远超出常规荷载作用下的影响深度[4]，且沉降变形大。

固结时间:变形影响深度H=30 m，孔隙比e=0.8，压缩系数 av=0.32 MPa－1，渗透系数 k=0.87 ×103cm/a。

当土体固结度为80%:由 α =1.0，Ut=0.8，查得Tv=0.6，土的固结系数 Cv=k(1+e)/rwav=4.89 ×107(cm2/a)，固结时间 t=TvH2/Cv=44 d。

当土体固结度为100%:由 α=1.0，Ut=1，查得Tv=0.95，土的固结系数Cv=k(1+e)/rwav=4.89 ×107(cm2/a)，固结时间 t=TvH2/Cv=66 d。

由上可知，大面积堆载地基变形大约在44 d后完成大部分沉降变形，在66 d后达到稳定。

2.2 圆形储煤场

工程概况:河北曹妃甸某圆形储煤场直径120 m，最大堆煤高度34 m，要求复合地基承载力320 kPa，挡煤墙要求复合地基承载力370 kPa，储煤场示意图见图2，场地地层见表2。

表2 场地地层Tab.2 Site formation

模型选取:以最高堆煤点为沉降点，变形从地面算起。将圆形堆场简化为矩形，左侧为370 kPa矩形荷载外加50 kPa矩形荷载产生的沉降变形S1、S2，右侧为320 kPa三角形荷载产生的沉降变形S3，最终总沉降变形量:S=S1+S3－S2。计算模型见图3。

据规范[3]计算地面下50 m深度范围内各区沉降变形:S1=987 mm，S2=112 mm，S3=680 mm。则最终总沉降变形量

由收敛条件求得，此大面积堆载最大影响深度为26 m，变形影响深度范围内沉降变形为1 260 mm。可见软土地区大面积堆载影响深度以下一定范围内沉降变形量依然较大，约300 mm。如采用天然地基处理此场地，后期沉降惊人，设计人员必须对此问题引起重视，采取可靠措施控制好地基变形。

与复合地基变形对比:以曹妃甸圆形储煤场为例，设计拟采用砂石桩+素混凝土桩复合地基，文献[5]对此地基处理方式做了专门论述，阐述了组合型复合地基承载力及沉降变形的计算方法。

复合地基沉降变形依然分为三部分，计算模型同图3。

素混凝土桩，桩径600 mm，桩长26 m，单桩承载特征值Ra1=1 358 kN。砂石桩，桩径600 mm，单桩竖向承载力特征值Ra2=350 kN，桩间土承载力特征值fsk=120 kPa。素混凝土桩承载力发挥系数 η1取0.8，砂石桩承载力发挥系数 η2取0.7，桩间土承载力发挥系数η3取0.55，置换率m1=m2=8.7% 。

根据规程[6]计算组合型复合地基承载力

根据规范[7]主控桩素混凝土桩复合地基承载力

据规范[3]复合地基土层压缩模量

由分层总和法计算堆场总沉降量为

由上述计算结果分析可知，大面积堆载条件下未采取任何地基处理措施的地基沉降变形为1 260 mm，采取地基处理措施后地基沉降变形仅为48 mm，两者差别达25倍之多，所以对于大面积堆载情况，均应采取适宜方法进行地基处理。

3 大面积堆载条件下负摩阻力问题

大面积堆载影响深度范围内，桩侧应受到负摩阻力作用，文献[8－9]对此有专门论述。如果在桩基设计时未考虑或未能充分合理地考虑负摩阻力的影响，则会给工程建设带来安全隐患[10]。

以曹妃甸圆形储煤场为例，不考虑大面积堆载影响深度，只考虑上部19.3 m吹填土的负摩阻力。设计参数不变，经计算组合型复合地基承载力 fspk=464 kPa＞320 kPa，满足设计要求。

若考虑大面积堆载影响深度，此26 m深度范围内桩侧土均按负摩阻力计算，中性点位置按表3计算[11]。为保证数据的可靠性，在重要建筑物中，中性点深度应根据现场试验确定[8]。本例仅作定性分析，故采用规范法。

经计算，素混凝土桩单桩承载特征值Ra1=704 kN，组合型复合地基承载力fspk=303 kPa＜320 kPa，不满足设计要求。若桩加长至30 m，组合型复合地基承载力fspk=358 kPa＞320 kPa，满足设计要求。由此可见，桩基设计时要充分合理地考虑负摩阻力的影响，必要时需加长桩长。

表3 规范给出的中性点位置Tab.3 Depth of neutral point in national code

4 结论

1)大面积堆载条件下对地基变形影响深度大，要超出常规荷载作用下的影响深度，因此要引起设计重视。大面积堆载情况下土体沉降在一定时间内会趋于稳定。

2)与复合地基相比，大面积堆载地基变形要多出25倍左右，可见进行地基处理的必要性。对于复杂形状的大面积堆载地基变形计算，需对模型进行必要的简化。

3)大面积堆载影响深度范围内，设计时需考虑桩身土体沉降产生的负摩阻力作用。

[1]介玉新，高燕，李广信，等.城市建设中大面积荷载作用的影响深度探讨[J].工业建筑，2007，37(6):57－62.

[2]王燕.大面积堆载作用下的厂房天然地基设计的探讨[J].南京市政，2001，(3):47－50.

[3]GB 50007－2011，建筑地基基础设计规范[S].

[4]金宗川，顾国荣，韩黎明，等.大面积堆载作用下软土地基变形特性[J].岩石力学与工程学报，2005，24(6):1056－1060.

[5]王贵和，季荣生，马孝春.碎石桩－CFG桩组合型复合地基设计理论与工程实践[J].岩土工程技术，2006，20(5):248－251.

[6]JGJ/T210－2010，刚－柔性复合地基技术规程[S].

[7]JGJ 79－2002，建筑地基处理技术规范[S].

[8]袁灯平，黄宏伟，程泽坤.软土地基桩侧负摩阻力研究进展初探[J].土木工程学报，2006，39(2):53－60.

[9]魏鉴栋，凌道盛，陈云敏.受大面积堆载影响负摩擦桩的Q－S曲线分析[J].浙江大学学报:工学版，2007，41(1):166－175.

[10]李玲玲，王立忠，邢月龙.大直径钻孔灌注桩负摩阻力试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(3):583－590.

[11]JGJ 94－2008，建筑桩基技术规范[S].