渣场填土地基上建筑物基础形式选择

2022-06-08卢宝玉王智阳

西北水电 2022年2期

卢宝玉，王智阳，张博

(1.甘肃省平凉市庄浪县水务局，甘肃平凉 744600;2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，西安 710024;3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前言

在工程建设中，基础作为将建筑物荷载传至地基的承重构件，其安全稳定至关重要。筏板基础具有承载力高、整体性好、刚度大、造价较低等优点；桩基础也可提供较大的承载力，且能较好控制其他原因引起的不均匀沉降[1]。因此，这两种基础形式在水利及建筑工程中都得到了十分广泛的应用[2-3]。堆渣场上层为人工填土及开挖废料，土体结构不均匀且较为松散。在渣场上进行建筑物建设时，基础形式的是否合适并满足要求将直接影响到工程的成败[4-9]。本文针对某水利工程以堆渣场为基础，选择平板式筏板基础、梁板式筏板基础、桩基基础3种方案，从应力变形及投资两方面进行比选分析，确定最终方案，为渣场填土地基建筑物基础工程设计提供借鉴。

1 工程概况

某水利工程堆渣场容量为49万m3，堆渣体从沟口开始，东西长约450 m，南北最宽处约110 m，中间宽，两头较窄。堆渣体前缘坡面分为五级，顶部高程622.00 m，在高程611.40、596.40、581.40 m各设一级2 m宽马道，在568.82 m设一级9 m宽马道，共4级马道。现将在渣场上进行管理营地建设，主要包括办公楼、综合服务楼，公寓等。其中办公楼拟采用C30钢筋混凝土结构，共5层，长66.1 m，宽28.8 m，高21.9 m。堆渣场平整至修建办公楼已4 a多，目前地表外观监测变形趋势来看，堆渣体水平变形和沉降变形基本处于收敛或较稳定状态。

表1 地基土物理力学性质指标建议值

表2 地基土物理力学性质指标建议值表

2 基础形式初拟

参考类似工程，综合考虑建筑物使用要求及地基地质情况，根据规范要求[10-11]，现初拟以下3种基础形式进行比选研究。

(1) 方案1：平板式筏板基础，筏板厚度取60 cm；

(2) 方案2：梁板式筏板基础，筏板厚60 cm，梁截面为40 cm×80 cm；

(3) 方案3：桩基础，桩直径为100 cm，长度为11.6～33.5 m，共89根，桩与桩之间设有联系梁(30 cm×60 cm)。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型建立

依据沟道原始地形和渣场场坪图、办公楼基础和结构设计图，建立三维有限元数值分析模型。渣场周边到计算边界的最小距离为80.0 m。模型采用直角坐标系，X轴为水平轴，指向沟谷右边坡为正(面向下游)；Y为水平轴，指向沟谷下游为正；Z轴为竖直方向，指向上为正。堆渣体和场地岩土体以及基础用Solid单元模拟，基础上部板梁柱用板单元和梁单元来模拟。假设基岩及混凝土均为均质弹性、各向同性，计算采用材料参数见表3。

表3 计算材料参数

根据拟定的基础形式3个方案，建立有限元模型并进行网格划分。

模型1：平板式筏板基础，模型单元总数为684 477个；节点总数为139 601个。用接触单元模拟筏板与堆渣体之间的接触面。

模型2：梁板式筏板基础，模型单元总数为685 074个；节点总数为139 601个。用接触单元模拟筏板与堆渣体之间的接触面。

模型3：桩基基础，模型单元总数为82 863个；节点总数为51 237个。假定办公楼荷载完全由桩承担，桩基础也用Solid单元模拟。

筏板基础及桩基础数值模型见图1，3种模型网格划分结果见图2。

3.2 方案1模拟结果与分析

计算在结构自重情况下应力变形情况，并从地基面变形、筏板应力、地基面法向应力3方面进行分析。地基面变形情况见图3。基础范围内地面最大变形产生在竖直方向，表现为沉降变形，变形量为-6.1～-27.4 mm，较大值位于中部，最大最小变形比值为4.5；在沟谷左右水平方向上的变形量为-0.7～-1.2 mm，较大值位于左端，最大最小变形比值为1.71；地面在沟谷上下游水平方向上的变形量为0.4～1.3 mm，较大值位于下游侧，最大最小变形比值为3.25。两柱之间的最大沉降差为4.4 mm，小于0.002l=14.0 mm(规范允许值)[10]。

筏板应力分布情况见图4，应力极值统计表见表4。筏板底面拉应力大于顶面，正应力最大拉应力为2.5 MPa，大于混凝土设计抗拉强度1.43 MPa(混凝土等级为C30)，但拉应力大于1.43 MPa的区域很小，基本位于柱子附近(最大约1.0 m)；正应力最大压应力为3.28 MPa，是混凝土设计抗压强度14.3 MPa的22.9%。最大剪应力为0.26 MPa，是设计抗剪强度2.1 MPa的12.4%。第一主拉应力稍大于正应力最大拉应力，为2.51 MPa。

表4 应力计算统计表 /MPa

地基应力分布如图5，X向最大应力为0.0328 MPa，方向向河谷右方；Y向最大应力为0.0411 MPa，方向向河谷下游；Z向最大应力为0.0734 MPa，方向向下，小于地基承载力标准值fk=0.30～0.35 MPa。

3.3 方案2结果分析

计算在结构自重情况下应力变形情况，并从地基面变形、筏板应力、基础梁应力、地基面法向应力4方面进行分析。基础范围内地面最大变形产生在竖直方向，表现为沉降变形，变形量为-5～-28.5 mm，较大值位于中部，最大最小变形比值为5.7；在沟谷左右水平方向上的变形量为-0.7～-1.3 mm，较大值位于左端，最大最小变形比值为1.86；地面在沟谷上下游水平方向上的变形量为0.5～1.4 mm，较大值位于下游侧，最大最小变形比值为2.8。两柱之间的最大沉降差为4.63 mm，小于0.002l=14.0 mm。

筏板应力分布情况见图4，统计表见表1。筏板底面拉应力大于顶面，正应力最大拉应力为2.3 MPa，大于混凝土设计抗拉强度1.43 MPa(混凝土等级为C30)，拉应力大于1.43 MPa的区域很小，基本位于柱子附近(最大约1.0 m)；正应力最大压应力为2.37 MPa，是混凝土设计抗压强度14.3 MPa的16.6%。最大剪应力为0.23 MPa，是设计抗剪强度2.1 MPa的11.0%。第一主拉应力稍大于正应力最大拉应力，为2.31 MPa。

基础梁轴向力为-0.486～0.150 MN，弯矩为-0.133～0.0946 MN·m，剪力为-0.197～0.240 MN，轴向应力为-1.52～0.469 MPa，弯曲应力为-2.210～3.120 MPa。内力或应力分布如图6。

地基X向最大应力为0.0313 MPa，方向向河谷右方；Y向最大应力为0.0398 MPa，方向向河谷下游；Z向最大应力为0.0706 MPa，方向向下，小于地基承载力标准值fk=0.30～0.35 MPa。

3.4 方案3结果分析

通过数值模拟计算，对这89跟桩应力变形情况进行分析，应力见图7，变形见图8。

桩最大轴力为2.138 MN，相应的轴向应力为2.725 MPa，轴向应力均为压应力；最大弯矩为0.0801 MN.m，相应的弯曲应力为0.817 MPa，小于混凝土设计抗拉强度1.43 MPa(混凝土等级为C30)，最大弯曲应力是混凝土设计抗拉强度的57.1%；最大剪力为0.0076 MN。可按弯矩对桩进行承载能力极限状态计算，需要配置5Ø18竖向钢筋。桩在3个方向位移均很小，在沟谷左右水平方向变形为-0.8～1.5 mm；在沟谷上下游水平方向变形为-0.6～1.5 mm；在竖直方向变形为0～1.8 mm。

3.5 模拟结果综合分析

通过3种方案的数值模拟计算结果可知，平板式筏板基础和梁板式筏板基础底面拉应力大于顶面，最大位移均为竖直向下，表现为沉降变形；最大拉应力分别为2.51 MPa和2.31 MPa,大于C30混凝土设计抗拉强度1.43MPa，但通过配筋抗拉强度均能满足要求；最大压应力分别为3.28 MPa和2.37 MPa；地基面最大沉降变形分别为27.4 mm和28.5 mm，两柱之间的最大沉降差均满足规范要求。桩基础桩轴向应力为2.725 MPa，最大弯曲应力为0.817 MPa，最大位移为1.8 mm方向竖直向下。桩基础应力变形均小于筏板基础，3种基础从应力变形角度均满足要求，均可采用。

4 投资估算与比较分析

通过平板式筏板基础、梁板式筏板基础、桩基础3种方案主要工程量估算及施工工艺的分析，参考水泥、钢筋等材料市场价格，依据《水利建筑工程预算定额》中相关内容，对3种投资进行初步估算。结果直接投资最少为梁式筏板基础，投资额为215.64万元；直接投资最大为桩基础，投资额为744.06万元；平板式筏板基础直接投资略大于梁式筏板基础，为226.71 万元。具体投资分析内容见表5。