复杂地形下井架基础设计

吴 英 家

(大同煤矿集团设计研究有限责任公司,山西 大同 037003)

复杂地形下井架基础设计

吴 英 家

(大同煤矿集团设计研究有限责任公司,山西 大同 037003)

以具体工程为例,结合场地条件,在井架两侧呈现大高差情况下,使用桩基代替常规独立基础作为井架基础，并介绍了具体设计过程及注意事项。

桩基础，独立基础，挡土墙，井架

1 工程概况

本工程为大同同煤集团同忻矿井南二盘区副井井架的基础工程，位置位于同煤集团同家梁矿。同家梁矿整个西侧场地标高比围墙外侧的场地标高高出8 m，围墙内外8 m高差的土用毛石挡土墙支挡，毛石挡墙是多年前修建的，围墙砌筑在毛石挡土墙顶面。围墙外侧又紧邻运煤铁路(大秦线等运煤专线)，铁路铁轨距挡土墙外皮7 m。井口距离围墙内侧17 m，井架根部在垂直围墙方向的间距为27 m，井架根部在平行围墙方向间距13 m。由于同家梁矿场地的限制及机电安装专业的要求，井架置于围墙内侧，且井架根部距离围墙内侧最近处5 m。依据《同煤集团同家梁矿岩土工程勘察报告》，井架所处位置的地质情况为：第①层土矸石，层厚2.5 m, 地基承载力特征值为70 kPa。第②层为填土，地基承载力特征值为100 kPa,其厚度3.4 m。第③层为卵石，层厚2 m，地基承载力特征值为200 kPa。第④层粉土，层厚5 m,地基承载力特征值为140 kPa。第⑤层为粗砂，层厚大于10 m。由于场地地形复杂，加上施工前后均不能对挡墙产生不利影响，若挡墙破坏，造成铁路不能使用，会造成很大的经济损失，诸多问题给井架基础设计带来很大的麻烦。

2 基础设计方案选择

2.1 独立基础方案

在地质条件良好的情况下，井架基础一般设计为独立基础。井架为多绳摩擦式提升机房用井架，对基础产生的荷载较大。井架共四个部位与基础相连，靠近围墙的两个点受力也基本相同，远离围墙的两个点受力也基本相同。上部井架经计算后，得到传给基础的荷载值，靠近围墙的基础顶部受力最不利标准组合：Fk=1 200 kN(方向向下)，Vx=360 kN(方向向围墙外侧)，Vy=100 kN(方向平行围墙)；远离围墙的基础顶部受力最不利标准组合为：Fk=4 200 kN(方向向下)，Vx=-1 500 kN(方向向围墙内侧)，Vy=100 kN(方向平行围墙)。由于表层2.5 m均为矸石,均应挖除,若选择填土层作为持力层,则基础面积过大,紧邻围墙侧的场地空间有限,基础施工无法实现；若选择卵石层作为持力层，则基底标高达到-5.9 m，基坑开挖过大，同样由于挡墙对空间的限制而无法施工基础；若将填土层换填，同样也受限于空间限制而无法施工。可见，以往井架基础设计为独立基础是因为没有场地周边建筑物(构筑物)的限制，而浅层地基承载力又比较好。而在本工程中，既有挡墙对空间的限制，浅层地基承载力又比较差，所以井架基础采用独立基础方案是行不通的。

2.2 桩基础方案

由于场地空间限制，所选择桩型必须对周边建筑物(构筑物)无太大影响，人工挖孔桩为非挤土桩，对周边临近构筑物影响最小。人工挖孔桩的施工质量也比其他类型的灌注桩质量更有保证，既可以直接鉴别和检查孔壁和孔底的土质情况，又可以直接测定桩身与桩底的尺寸，再者人工挖孔桩整个施工过程都是在无水环境下进行，避免了因挡墙墙背土质发生变化而对挡墙造成影响，同时也避免泥水对桩身质量和承载力的影响。所以，人工挖孔桩最适合本工程。井架基础工程的设计等级为乙级，承载力及变形均应满足桩基础规范要求。在设计阶段,不具备本工程的试桩资料,设计按桩基规范初步估算。由于工期紧，设计和试桩同时进行，要求设计应保留一定的富余度，以保证试桩结果能满足工程要求。

2.2.1 基桩设计

由于挡墙的限制，人工挖孔桩应尽量不扩底，以免对挡墙产生影响。初步按桩径1.0 m计算，垂直围墙方向布置2排，每排3根桩，桩间距均为3 m，顶标高-2.5 m，承台厚度2 m，长度8 m，宽度5 m，承台边缘距离挡墙顶部2 m，基础锥台与井架连接处标高0.5 m。在偏心竖向力作用下，由建筑桩基技术规范，基桩承受竖向力：

其中，GK=2 700 kN，Mxk=400 kN·m,Myk=4 500 kN·m，FK=4 200 kN，xi=1.5 m，yi=3 m，计算求得轴心竖向力下单桩承受竖向力Nk=1 150 kN，单桩承受最大的竖向力Nkmax=1 683 kN。由桩基规范，初步设计时，单桩极限承载力标准值：

Quk=u∑φsiqsikli+φpqpkAp。

其中,u=3.14 m，qsik为各土层极限侧阻力标准值，填土为20 kPa，粉土为50 kPa，卵石为100 kPa，粗砂为74 kPa，qpk=2 500 kPa,持力层为粗砂层，桩端入粗砂层2 m，设计桩长12.4 m，计算求得单桩竖向承载力极限值Quk=3 931 kN，Qk=Quk/2=1 966 kN>Nk=1 150 kN，Nkmax=1 683 kN <1.2Qk=2 359 kN。

由于承台距离挡土墙顶部很近，应严格控制水平位移，所有桩均按最不利情况设计。桩身配筋按大于0.65%设计，估算单桩水平承载力特征值为：

2.2.2 沉降计算

沉降计算采用布辛奈斯克解，按实体深基础分层总和法计算，并考虑沉降经验系数，依据桩基规范公式5.5.6，最终算得最大沉降为22.4 mm。最大沉降差为11 mm,依据矿山井架设计规范，井架地基变形最大允许值为80 mm，地基最大允许变形差为0.001×L=0.001×27 000=27 mm，可见，桩基沉降计算均满足规范要求。

2.2.3 试桩结果

由于工期很紧，施工前试桩均保留为工程桩。本工程共24根桩，试桩数量4根。每个桩基础1根试桩。由于靠近挡墙一侧的地质条件及地形条件更为复杂，该侧2根试桩位置均为离挡墙最近，编号分别为ZH1和ZH2，其他试桩分别编号ZH3和ZH4。单桩竖向承载力特征值检测结果分别为：Qk1=1 876 kN，Qk2=1 832 kN，Qk3=2 315 kN，Qk4=2 117 kN，检测结果均大于所承受的荷载标准值。单桩水平承载力特征值检测结果分别为:Rh1=97 kN，Rh2=102 kN，Rh3=239 kN，Rh4=246 kN。虽然靠近挡墙一侧的单桩承载力特征值比较小(详细原因见下节说明)，但同样大于单桩所承受的荷载。事实上，若考虑后期群桩基础效应，承载力会更大。综合以上桩基的承载力与变形计算及检测，本桩基设计满足工程要求。

3 设计施工中的关键问题

3.1 桩的布置

一般情况下，在弯矩及剪力作用方向上多布置桩是效率比较高的。由于井架靠近挡墙一侧空间有限，在垂直挡墙方向，不允许布置数量较多的桩，所以基桩尽量沿平行挡墙方向布置。本工程在受力最大的基础(远离挡墙的基础)上布置6根桩，承台长向平行挡墙。虽然靠近挡墙一侧的基础受力较小，考虑到该侧地形的复杂，不确定性因素较多，以及该工程的重要性，将四个基础均按最不利情况设计。

3.2 桩及承台的施工

靠近挡墙侧桩孔的施工无疑是设计与施工人员最担心。由于挡墙距离井架根部只有5 m，所以距墙最近桩的桩边距墙也只剩下3 m，施工中必须保证桩孔的垂直度，否则可能会对挡墙产生不利影响。实际上，桩孔施工中未遇见挡墙墙身及基础，若遇到则将会使实际情况更为复杂，设计与施工必须重新考虑另一种更加稳妥的方案。最后在挖承台基坑时，也要注意不要对挡墙产生破坏，基坑回填时，应回填粗砂等，压实系数大于0.95。

3.3 桩基检测

靠近挡墙侧的基桩检测是设计能否通过的最关键一环。一般情况下，桩基础设计时，基桩周边有无限土体，而本工程实际情况是挡墙侧的基桩不完全满足这种条件。在井架施工前，挡土墙是按地面均布活载35 kN/m2(有拉支架车通过)设计的。笔者把基础承受的水平力按集中力作用在挡墙顶部，发现产生的倾覆力矩小于按地面均布活载35 kN/m2所产生的倾覆力矩。不过，还是严格要求在基桩检测时，要缓慢施加水平力及竖向力时，以便观察变化。在挡墙侧基桩水平承载力检测时，加载并未达到规范要求的步骤便卸载了，主要是考虑到此时得到的承载力特征值已经满足工程要求，并且没有对挡墙产生影响。而无挡墙限制的基桩则正常检测。

4 结语

目前该井架已经正常运行使用，在极其复杂的地形条件下，采用桩基代替独立基础，解决实际中的问题，并且没有影响周边设施的正常使用，可见桩基础功能的强大。而对比以往相同井架基础的造价，本工程桩基造价比独立基础方案稍高，但从安全、经济、适用角度来看，桩基础更能适应复杂地质地形条件。矿山建筑很多都是在复杂地形上建造的，本工程为复杂地形上建造建筑物提供了一定的参考价值。

[1] JGJ 94—2008,建筑桩基技术规范[S].

[2] JGJ 106—2003,建筑桩基检测技术规范[S].

[3] GB 50385—2006,矿山井架设计规范[S].

[4] 刘金砺，高文生，邱明兵.建筑桩基技术规范应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5] 朱丙寅,娄 宇，杨 琦.建筑地基基础设计方法及实例分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

Theopen-shelffoundationdesignundercomplexterrain

WuYingjia

(DatongCoalMineGroupDesignReseatchLimitedCompant,Datong037003,China)

Using concrete project as an example, combining site condition, high dispersion in both left side and right side of derrick, replace independent foundation for pile foundation as foundation of derrick, then introduce concrete process of design and matters need attention.

pile foundation, independent foundation, retaining wall, derrick

TU473.1

：A

1009-6825(2017)24-0061-03

2017-06-13

吴英家(1984- ),男,硕士,工程师