某外旋式旋流池栈桥柱基础方案设计分析

赵杰红 盛文仲

中冶南方工程技术有限公司 湖北 武汉 430223

冶金工业在连铸、轧钢过程中产生大量含氧化铁皮污水，通过旋流沉淀池处理；沉淀后的氧化铁皮通过抓斗吊转运至干渣坑，滤水后再用抓斗吊转运车辆到烧结回收利用；抓斗吊还兼做水泵的吊装检修。

抓斗吊一般露天运行，设吊车梁、栈桥柱支撑。旋流池圆形布置，栈桥柱与旋流池池壁距离远近不同，栈桥柱基础地基处理方案受旋流池深基坑支护方案影响。通过分析对比，在不同深基坑支护方案条件下，探讨最经济合理的栈桥柱基础方案，以期为该类工程实施提供必要的借鉴意义。

1 工程概况分析

该工程为某1780板带热轧工程外旋式旋流沉淀池，外筒内径32m，外筒底标高-14.1m；内筒内径24m，内筒底标高-17.6m。露天栈桥1台吊车跨度36m，轨面标高12.0m，吊车工作制A6，最大轮压350kN，轮距6.4m。

旋流池与栈桥柱基础的平面关系如图1所示：

图1 旋流池与栈桥柱基础平面关系

场区自上而下土层分布及主要地质参数如下：0.000m面以下素填土厚约1m，强风化砂岩（fak=500kPa）厚约10.2m，中风化砂岩（fak=2000kPa）。

2 旋流池基坑支护方案分析

按拟建场地的地质情况及施工工艺，旋流池基坑支护方案一般有以下几种：大开挖、沉井、地下连续墙、水泥搅拌桩止水帷幕和钢筋混凝土支护桩相结合的基坑支护、混凝土排桩支护及井壁逆作法等等。

本工程地面以下为强风化和中风化砂岩，且场地周边无其它已有建构筑物，基坑开挖不受限制，大开挖是较经济、合理的方案。基坑方案如下：开挖基坑坡比取1:0.5或1:0.6，分三级放坡，标高分别为-5.5m、-11m、-16m。斜坡采用挂网喷浆保护。本工程基坑开挖期间为沿海地区的旱季，地下水为上层滞水和基岩裂隙水，水量较小，采用坑内明排处理。

基坑开挖边坡剖面见图2所示，基坑开挖现场照片见图3所示。

图2 基坑开挖边坡剖面图

图3 基坑开挖现场照片

栈桥柱基础的方案与旋流池的基坑支护方案紧密相关。除大开挖以外的其它支护方案，均未扰动旋流池周边的天然土层，栈桥柱基础可根据场地的土层情况采用合理的地基处理方案。如天然地基、换填垫层法地基处理、CFG复合地基处理、桩基础等等。

本工程采用的大开挖方案，基坑开挖面大，栈桥柱下土层均彻底扰动。栈桥柱基础方案须根据基坑开挖轮廓、回填土层情况等详细分析。

3 栈桥柱基础方案分析

为节省基坑开挖工作量，大直径沉淀池基坑一般应为圆形布置；栈桥主要功能是将沉淀池内渣抓至干渣坑，受干渣坑布置影响，栈桥柱基础一般不是居中对称布置。由此带来的问题是每个柱基础下基坑埋深不同。栈桥柱基础与基坑开挖平面关系见图4所示。

图4 栈桥柱基础与基坑开挖平面关系图

选用PKPM框排架计算分析，柱子截面0.5mx1.2m，基础计算柱底标高（-1.500m）标准组合如下：

☆ 标准组合

Mmax 对应组合号: 71 Mmax= 637.50 N = 546.88 V = 46.97

Mmin 对应组合号:114 Mmin= -170.91 N = 468.40 V = -12.68

Nmax 对应组合号: 66 M = -169.69 Nmax= 693.60 V = -11.38

Nmin 对应组合号:118 M = -169.41 Nmin= 237.19 V = -12.68

Vmax 对应组合号: 71 M = 637.50 N = 546.88 Vmax= 46.97

Vmin 对应组合号:110 M = -170.91 N = 247.19 Vmin= -12.68

参《建筑地基基础设计规范》[1]第3.0.1～3.0.3条规定，栈桥吊车跨度Lk=36m，柱距9m，需进行地基变形验算。参《建筑地基基础设计规范》[2]第5.3.4条规定，桥式吊车轨面倾斜限值，纵向0.004，横向0.003，换算后，纵向相邻柱距的沉降差限值9000x0.004=36mm，横向柱的沉降差限值36000x0.003=108mm。

如图4所示，A轴基础位于0～-5.5m斜坡，B轴基础位于-5.5m～-11m斜坡，C轴基础位于-11m～-16m斜坡，D轴基础与池体整体浇筑，E轴基础位于-11m～-16m斜坡，F轴基础位于-5.5m～-11m斜坡。

地基沉降量不完全依赖于计算，应结合工程经验分析。基坑回填土设计要求：采用素土及时回填，回填土分层夯实，每层厚300mm，压实系数不小于0.94。圆形深基坑，回填体量大、施工周期长，且靠近海边，实际施工过程中，受天气等各方面因素影响，基坑回填质量难以达到设计要求。

鉴于上述判断，新近压实填土不可直接作为栈桥柱基础的持力层；若在基坑回填后超挖换填碎石，处理后的面层地基承载力可保证，但有厚度10m左右的新近回填土层，基础沉降量无法保证；若采用强夯处理，由于栈桥柱基础靠近旋流井侧壁，强夯机械施工对池体的影响无法准确判定，风险较大不可实施。

按工程经验，可实施的地基处理方案有天然地基方案、素混凝土回填方案、桩基方案。以B轴柱基础为例，从工程量、工期、综合成本三方面，对比分析天然地基方案、素混凝土回填方案、桩基方案。

3.1 天然地基方案

天然地基是结构设计中首选的地基形式。采用天然地基方案，基础设计底部标高应考虑下降至基坑底部，基底持力层为中风化砂岩。地基承载力特征值2000kPa，基底面积脱空比限值取15%，基底标高取-11m。

用理正结构工具箱计算柱下独立基础，基底面积大小由脱空比控制，计算得基础大小2.5mx4.2mx0.8m（厚度）；基础短柱1.3mx2mx9.2m（高度）。单个基础钢筋混凝土量：2.5x4.2x0.8+1.3x2x9.2=32.3m3；另需考虑斜坡由C15素混凝土找平，混凝土量12m3。单个基础成本价约0.18x32.3+0.07x12=6.6万元。

施工要求：按此方案，须先施工栈桥柱基础并养护达到设计强度，方可进行深基坑回填。由于栈桥柱基础的阻挡，基坑回填施工难度加大，施工周期加长，预估较正常回填需增加工期10天。

3.2 C15素混凝土回填处理

按《建筑地基处理技术规范》[3]第4章规定，由于基坑深度在11m左右，换填深度远超3m，无法采用砂石等换填材料。按工程经验及基础构造要求，采用C15素混凝土回填至基底标高-2.3m。

用理正结构工具箱计算柱下独立基础，基底面积大小由脱空比控制，计算得基础大小2.5mx4.0mx0.8m（厚度）；不需设计基础短柱。单个基础钢筋混凝土量：2.5x4.0x0.8=8m3；C15素混凝土回填台体体积，估算C15素混凝土量约270m3。单个基础成本价约0.18x8+0.07x270=20.3万元。

施工要求：按此方案，须先用素混凝土回填至基底设计标高，因素混凝土高度较高，需分批浇筑，且养护达到设计强度后，方可进行深基坑回填。同样由于回填台体的阻挡，基坑回填施工难度加大，施工周期加长，预估较正常回填需增加工期10天。

3.3 桩基方案

桩型选用：桩端持力层为中风化岩，上层为厚度10m以上的新近回填土，可选用泥浆护壁钻孔灌注桩，桩端嵌岩，为端承桩。桩径取800mm，桩端进入中风化岩1m，桩长11m，桩距取2.4m。

桩承载力计算：当以中风化岩层为持力层时，其单桩竖向抗压极限承载力标准值按《建筑桩基技术规范》[4]中式5.3.9-1计算：

单桩竖向承载力特征值Ra=（3.14x0.8x260x1+0.95x4000 x3.14x0.42）/2=1281kN。考虑回填土层桩侧负摩阻力影响折减，取Ra=1000kN。

用理正结构工具箱计算独立桩承台，承台尺寸4mx1.6mx0.8m（厚度），桩顶最大竖向力Nkmax=780kN＜1.2Ra，有较大的富裕。

单个承台钢筋混凝土量：1.6x4.0x0.8=5.1m3；单承台下2桩钢筋混凝土量：3.14x0.42x11x2=11m3

单个柱基础的桩基及承台成本价：0.18x5.1+0.2x11=3.1万元。另需考虑桩机进场及检测的相关费用。

施工要求：按此方案，旋流井深基坑正常回填，无障碍物，施工效率较高。考虑到桩基施工、检测周期等，总体施工周期接近。

3.4 综合分析

综合上述分析结果，对比栈桥柱基础的综合费用和施工周期，见表1所示。

表1 栈桥柱基础方案综合费用及施工周期对照表

4 结语

本工程设计施工过程中，根据基坑开挖、回填方案，并结合工程施工进度要求，综合分析对比，最终改用钻孔灌注桩方案。本工程其它项目未采用钻孔灌注桩，桩机进场等花费较多时间。桩基施工过程顺利，栈桥经过多年生产使用，未有沉降变形等发生，质量可靠。

旋流沉淀池大开挖方案，栈桥柱基础多方案分析，有助于为类似工程提供借鉴，以便在工程设计过程中结合基坑开挖方案制定经济、合理的栈桥柱基础方案。为类似项目提供参考。