石油化工类建构筑物基础选型决策研究

赵 宇

中国运载火箭技术研究院 北京 100076

建筑场地地基承载力高，并且土层分布均匀，土体压缩性低，无液化层和软卧层，是拟建建构筑物的天然地基良好持力层。但实际工程中拟建建构筑场地工程地质条件各异，地层结构及岩性特征差别较大，故需要结合地基承载力和地层结构确定地基处理方法，并结合地基承载力、上部结构的受荷特点、结构型式、抗震设防烈度、基本风压、冻土深度、地下水位等因素确定基础形式。

1 地基承载力计算

地基基础设计时，必须满足上部结构荷载通过基础传到地基土的压力不得大于地基承载力的要求，以确保地基土不丧失稳定性。地基承载力是各项影响因素中最关键、最复杂的。当前确定地基承载力的方法主要有理论公式计算、原位实验和经验统计三种。为了了解地基土在受荷以后剪切破坏的过程及承载力的性状，研究人员通过现场载荷试验对地基土的破坏模式进行了研究。由试验得到压力（P）与所对应的稳定沉降量（s）的关系曲线。从曲线P- s 的特征可以了解不同性质土体在荷载作用下的地基破坏机理。先后提出三种典型的地基破坏模式，即整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏。整体剪切破坏通常发生在浅埋基础下的密砂或硬黏土等坚硬地基中；局部剪切破坏通常发生在中等实砂土中；冲剪破坏模式通常发生在松砂或软土地基中。

不同土层在荷载作用下，其破坏模式是不同的，因此确定其地基承载力的方法也有所不同。根据土中应力计算的弹性理论和土体极限平衡条件导出地基土中将要出现但尚未出现塑性变形区时的基底压力临塑荷载（pcr），假定土的自重应力在各向相等，即相当于土的侧压力系数（K0）取1.0。因此，土的水平和竖向自重应力取值为(γ0d+γz), 故地基中任一点的σ1和σ3可写为式（1）。

根据极限平衡及弹性理论，基础两边点的主应力最大，因此塑性区首先从基础两边点开始向深度发展。塑性区发展的最大深度（zmax）可以表达为（2）式。

若zmax=0，则表示地基中将要出现但尚未出现塑性变形区，其相应的荷载即为pcr（式3）。

式中：γ0——基底标高以上土的加权平均重度，kN/ m3；

φ——地基土的内摩擦角(弧度)。

工程实践表明，即使地基发生局部剪切破坏，地基中塑性区有所发展，只要塑性区范围不超出某一限度，就不致影响建筑物的安全和正常使用，因此以pcr作为地基土的承载力偏于保守。塑性荷载就是指地基土中已经出现塑性变形区，但尚未达到极限破坏时的基底压力(p1/4、p1/3等)。地基塑性区发展的容许深度与建筑物类型、荷载性质，以及土的特性等因素有关。一般认为，在中心垂直荷载下，塑性区的zmax可控制在基础宽度的1/ 4，相应的塑性荷载用p1/4表示，见式（4）。

而对于偏心荷载作用的基础，也可取zmax=b/ 3 相应的塑性荷载p1/3作为地基的承载力，见式（5）。

地基的极限承载力（pu）是地基承受基础荷载的极限压力，亦称地基极限荷载。普朗德尔(L.Prandtl，1920)根据塑性力学理论，研究了坚硬物体压入较软、均匀、各向同性材料的过程，导出了极限荷载表达式。H.Reissner 和D.W.Taylor 对L.Prandtl 公式作出补充，给出不考虑土体自重时埋置深度为d 和考虑土体滑动重力时的地基土极限荷载计算表达式。在总结前人研究成果的基础上Hanse 建议，对于均质地基，基底完全光滑，在中心倾斜荷载作用下，不同基础形状及不同埋置深度时的极限承载力计算公式见式（6）。

式中：Nγ、Nq、Nc——承载力系数，汉森建议按Nγ=1.5(Nq-1)tan 计算；

iγ、iq、ic——荷载倾斜系数；

gγ、gq、gc——地面倾斜系数；

bγ、bq、bc——基底倾斜系数；

sγ、sq、sc——基础形状系数；

dγ、dq、dc——深度系数。

Hanse 公式考虑的承载力影响因素比较全面，在国外许多设计规范中得到广泛采用。由上述理论公式计算的极限承载力是在地基处于极限平衡时的承载力，但为了保证建筑物的安全和正常使用，地基承载力设计值应以一定的安全度将极限承载力加以折减。我国现行的《建筑地基基础设计规范》中采用“特征值（Characteristic Value）”一词，用以表示正常使用极限状态计算时采用的地基承载力和单桩承载力的值，其涵义即为在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值。设计时通常以勘察单位给出的地质报告作为各层土的承载力依据。勘察单位通过标准贯入度试验和静态触探试验、动力触探试验确定地基土的承载力特征值。实践和理论计算均表明，勘察单位通过试验得出的地基承载力特征值偏于保守。地基承载力特征值以浅基础地基的塑性荷载p1/4为理论基础，并对地基承载力特征值给予一定程度上的修正。

对于荷载偏心距e≤0.033b(b 为偏心方向基础边长)时，以浅基础地基的塑性荷载p1/4为基础的理论公式计算地基承载力特征值，见式（7）。

当基础宽度大于3m 或埋置深度大于0.5m 时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值尚应按式（8）修正。

2 基础选型决策

2.1 定性比较

通过工程师的专业知识和设计经验，直观选取几个可能方案，对各方面性质加以比较，最后确定选用的方案。定性比较法较简单，但一般较粗略；再加上选取备选方案时存在可能方案的漏选，故定性比较用于对可能性方案的工程适用取向明显（即各分析因素均对某方案明显有利或有利）的情况下效果较好。

2.2 定量计算

同样是依靠专家的专业知识和个人经验，在直观选取少数几个可能方案后，计算各参数并加以比较，最后确定选用的方案。定量计算法较精确，但计算量较大，过程也较繁杂，当工程适用取向更明显、备选方案更少时效果较好。

2.3 系统方法分析

针对不具普遍性的个例，可运用层次分析法加以分析比较，确定最终选用方案。首先寻求可行性方案，然后对可行性方案进行权值排序，最后根据工程个例特点确定适用方案。因层次分析法只是对不同性质的简单量化比较，其用于备选方案较多、各方案经比较分析并进行权值排序后，优选方案权值与其他方案的权值相差明显时，效果较好。

建议综合定性比较、层次分析法分析、定量计算这三种通常的地基基础选型方法，并结合工程个例特性、上部结构及荷载特点确定地基基础选型决策模型，。

（1）根据专家和工程师的专业知识与个人经验，对工程地质条件、水文地质条件及建构筑物型式、冻土深度、受荷特点、设防烈度等因素进行定性比较，在多种可能的地基基础方案中筛选出几种可行性方案。

（2）运用层次分析法对几种可行性方案的不具可比性的因素进行量化比较，得到几种可行性方案权值排序。

（3）定量计算几种权值排序中的最大值及权值相近的方案，通过计算承载力、沉降等各方面的参数，得到最终确定最优方案。

3 案例分析

石油化工厂区的拟建建构筑物可根据结构高度和功能特性分为四类：一般建筑物，如空分厂房、渣水框架、锅炉房、综合楼、控制室等；高层建筑物，如气化框架；高耸构筑物，指高塔、冷箱、火炬、烟囱等；室外一般构筑物，如设备基础和管廊等。以河南某合成氨及配套工程项目部分建构筑物基础计算及设计为例，详细介绍上述四类建构筑物的基础选型。

地质特性如下：建筑场地类别为Ⅲ类，该项地地震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组属第一组，场地特征周期值为0.45s，水平地震影响系数最大值为0.08，场地液化等级属轻微，场地土多年标准冻结深度小于0.6m。各土层承载力特征值、压缩模量及变形特征参数见表1。

表1 各土层承载力特征值、压缩模量及变形特征

3.1 燃料煤贮运系统配电室

该项目燃料煤贮运系统配电室属于前述一般建筑物，钢筋混凝土框架结构、有围护、两层、乙类建筑。基础坐落于第②层土，因该层土试验地基承载力特征值较低，同时考虑其为乙类建筑，故需对该层地基土进行合理处理以提高地基承载力。基础选型确定为独立基础下垫800mm 厚级配砂加石垫层，分层夯实，压实系数不小于0.95，地基承载力特征值为150kPa。独立基础通过基础梁连接起来，以加强结构整体稳定性和结构抵抗地震的能力。勘察报告中给出的第②粉质粘土地基承载力特征值为80kPa，较塑性发展深度为1/ 4 基础宽度的理论计算承载力p1/ 4值保守，设计时应本着经济合理的原则，无需将独立基础下第二层土全部挖除换填。经计算，下卧层强度和沉降验算结果均满足规范要求。

3.2 气化框架

该项目气化框架属于前述高层建筑物，钢- 混凝土混合结构，标高38.000m 以下为混凝土框架-支撑结构，标高38.000～90.000m 为钢框架-支撑结构。主体为局部围护结构。依工艺要求划分为17 层，属乙类建筑。因气化框架属复杂高层建筑，上部结构荷重较大，需考虑基础的承载力要求、整体刚度、抗倾覆能力及变形要求，经综合比较采用桩筏式基础。基础选用机械成孔灌注桩，桩端以第11 层细砂为持力层，单桩竖向承载力特征值Ra≥2800kPa。根据试桩结果，桩承载力和沉降均满足设计要求；综合考虑冲切、强度等要求，筏板厚度取2.2m。

3.3 火炬装置

该项目火炬装置属于前述高耸结构，钢筋混凝土结构，乙类建筑，火炬塔基础等级为乙级。高耸结构水平向荷载为控制荷载，在水平荷载作用下，构筑物底部会产生较大的弯矩和剪力，因此在基础的埋深和型式的选择时要充分考虑场地的基本特性和上部体系的结构特点，抗倾覆能力是基础设计的关键所在。设计时采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG 桩）进行地基处理，桩径400mm，有效桩长12.5m；以第⑦层土作为持力层，进入第⑦层土不小于1m，单桩承载力不小于300kN，复合地基承载力特征值不小于200kPa。基础埋设为3.5m，采用独立基础。经计算，强度、抗倾覆和变形验算结果均满足规范要求。

3.4 酸碱站设备基础

该项目酸碱站主要分为酸系统和碱系统两个部分，基础选型和设计时一般需要考虑设备基础动力特性以及构造要求。因一般设备较轻、高度不大，采用天然地基即可满足承载力和变形要求。

4 结论与建议

竖向结构体系将荷载以集中荷载或线形荷载传递给基础，基础作为建筑物和地基之间的连接体，又将竖向体系传来的荷载传给地基。

（1）如果天然地基的承载能力足够，则基础的分布方式可与竖向结构的分布方式相同。在地基较软弱或上部结构荷载较大时，需采用条形或筏形基础。筏形基础有扩大地基接触面的优点，但与独立基础相比其造价通常要高很多，因此只在必要时才使用。多数建筑物，只需将墙下的条形基础和柱下扩展基础结合使用，就足以把荷载传给地基。

（2）如果地基承载力不足，可以判定为软弱地基，须采取措施对其进行处理。软弱地基系指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基。在建筑地基的局部范围内有高压缩性土层时，应按局部软弱土层考虑。冲填土还应了解排水固结条件、杂填土应查明堆积历史，明确自重下稳定性、湿陷性等基本因素。

（3）对于化工类建构筑物的基础型式：①一般建筑物应选择独立基础、条形基础或平板基础，当地基承载力特征值增大时，基础面积可以适当减小。②气化框架属复杂高层建筑，上部结构荷重较大，考虑基础的承载力要求和整体刚度，一般设计成桩筏式基础。天然地基承载力特征值不小于250kPa，在满足沉降和变形要求时，基础可采用梁板式筏基或者平板式筏基，此时筏板从柱边向四周外伸长度较大。若承载力特征值增至300 kPa，可减小筏板的外伸长度。③高耸建构筑物的结构设计受风荷载控制。在正常工况下，基础底面与地基土之间不得出现零应力区。基础外边缘的最大应力需与承载力特征值有线性比较关系，而基础不出现零应力区只与基础自身的抗弯截面模量有关，与地基承载力的大小并无直接关系。若基础底部出现零应力区，需加大基础尺寸，或采用抗拔桩，以增大基础抗倾覆能力。④室外设备及管廊基础型式一般可采用大块式和独立基础。室外设备基础大小与设备支座形式和满足安装要求的尺寸有关，增大地基承载力特征值对基础大小影响不明显，而管廊的独立基础大小与承载力特征值基本呈线性关系，增大承载力特征值时可以减小基础面积。

以上在进行基础选型决策研究时并未考虑结构与土的相互作用，以及地震荷载对土中桩基础的影响，在今后的研究中可以讨论这两个复杂的影响因素。