复合疏桩在钢筋混凝土筒仓基础设计中的应用_阎波.pdf

1引言钢筋混凝土筒仓常用于现代化的粮食存储，其既具有占地面积小，储存安全和储存量大，又具有高度大、荷载重的特点1，在结构设计中如何选用安全经济的基础型式，是结构工程师不可回避的问题。钢筋混凝土筒仓没有地下室，基础埋深较浅，基础型式以桩基础为主，当天然地基承载力较高时，也可采用天然基础。但是当天然地基承载力较高，可仍然达不到实际所需要的承载力时，如果只是简单地采用桩基础，会造成不必要的经济浪费，故需要选择一种合适的基础型式，达到既安全又经济的目的。本文以某大米综合加工基地为例，其天然地基承载力比实际需要的承载力略低且沉降计算结果不满足规范要求，通过采用布置复合疏桩的方式，由桩和桩间土共同承担上部结构荷载，既充分利用了桩间土的承载力，又可起到减少基础沉降的作用，满足规范要求，安全经济，对相似工程具有一定的借鉴意义。2工程概况某30万t稻谷大米综合加工基地项目，原材料稻谷存储在钢筋混凝土筒仓中，仓储总容量为40 000 t，筒仓结构采用钢筋混凝土锥斗，仓底与筒壁非整体性连接体系2，装粮高度约30 m。图1为筒仓实景图。3结构设计3.1结构设计基本参数本工程主体结构设计基准期、主体结构设计使用年限均为50年，建筑抗震设防类别为丙类（标准设防类），抗震设防烈度按照7度进行设计，主体结构设计基本地震加速度取0.10g，主体结构设计地震分组为第一组，设计特征周期取0.35 s，【作者简介】阎波（1981），男，湖北襄阳人，高级工程师，一级注册结构工程师，从事土建结构设计研究。复合疏桩在钢筋混凝土筒仓基础设计中的应用Application of Composite Sparse Pile in Foundation Design of Reinforced Concrete Silo阎波，李智明，曹源，赵健（中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014）YAN Bo,LI Zhi-ming,CAO Yuan，ZHAO Jian（CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co.Ltd.,Wuhan 430014,China）【摘要】以某大米综合加工基地钢筋混凝土筒仓基础为例，当采用天然筏板基础时，基础底面平均压力值略高于地基承载力特征值，基础沉降也超过规范允许值。当通过采用在筒仓仓壁下布置复合疏桩方案时，既可提高地基承载力，又起到控制沉降的作用，经分析计算后，承载力计算和沉降计算结果均满足设计和规范要求，工程造价较简单的采用桩基础大幅下降，方案安全经济。【Abstract】Taking the reinforced concrete silo foundation of a rice comprehensive processing base as an example,when the natural raftfoundation is adopted,the average pressure at the bottom of the foundation is slightly higher than the characteristic value of the foundationbearing capacity,and the foundation settlement also exceeds the allowable value of the specification.When the composite sparse pilescheme is adopted under the silo wall,it can not only improve the foundation bearing capacity,but also control the settlement.After analysisand calculation,the results of bearing capacity calculation and settlement calculation meet the requirements of design and specifications.The pile foundation with simple project cost is greatly reduced,and the scheme is safe and economical.【关键词】钢筋混凝土筒仓；复合疏桩；承载力计算；沉降计算【Keywords】reinforced concrete silo;composite sparse pile;bearing capacity calculation;settlement calculation【中图分类号】TU470；TU476【文献标志码】B【文章编号】1007-9467（2023）06-0033-05【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.010Engineering Design of the Ground基础工程设计33Construction&DesignForProject工程建设与设计场地类别取类，地面粗糙度取B类，基本风压取0.40 kN/m2，基本雪压取0.55 kN/m2，风荷载体型系数为1.4。3.2结构体系和布置本工程未设置地下室，筒仓总高度为41 m，其中仓下高度为11.00 m，仓上高度为30.00 m；平面尺寸为60.24 m45.18 m，群仓采用34行列式布置，单个筒仓外径直径为15.06 m。仓下结构形式为漏斗与仓壁非整体连接，由带壁柱的筒壁支承，其中仓壁厚度为230 mm，壁柱的尺寸为400 mm600 mm，仓上结构仓壁厚度为230 mm。混凝土强度等级仓下为C35，仓上为C30。图2为筒仓垂直剖面图。图 2筒仓垂直剖面图3.3筒仓荷载参数本工程筒仓贮存散料为稻谷，其主要物理特性参数如下：重力密度为6.0 kN/m3，内摩擦角35，对混凝土板摩擦系数为0.50。依据GB 500772003钢筋混凝土筒仓设计规范3（以下简称筒仓规范），本工程贮料计算高度hn与圆形筒仓内径dn之比大于1.5，按照深仓进行设计，计算筒仓水平地震作用及其自震周期时，可取贮料总重的80%作为贮料有效质量的代表值，重心取其总重的中心。4工程地质条件拟建场区内地地基软弱覆盖层厚度小，岩土均匀性较好，地层起伏不大，层位分布较稳定，地层分布较均匀，未发现可液化地层、土洞、崩塌、滑坡等不良地质现象。地勘报告提供的场地内各地基岩土层的主要物理力学参数和承载力特征值建议见表1，建筑物所处的土层竖向分布图如图3所示。表 1岩土层主要物理力学参数和承载力特征值建议岩土名称压缩模量Es/MPa地基承载力特征值/kPa预制管桩/kPa侧阻力特征值qsia端阻力特征值qpa素填土粉质黏土中粗砂砂砾石129.514.525017030045361001 5003 000Q4ml素填土Q2cl粉质黏土Q2cl中粗砂Q1cl+pl砂砾石承台底标高（-2.10）图 3土层竖向分布图5地基基础设计5.1天然地基方案根据地质勘察报告，筒仓所处位置素填土厚度较薄，筒仓筏板底标高所处土层为第层粉质黏土，其地基承载力特征值为250 kPa，根据GB 500072011建筑地基基础设计规范4（以下简称地基规范）第5.2.4条，对地基承载力按（1）进行修正：fa=fak+b（b-3）+dm（d-0.5）（1）式中，fa为修正后的地基承载力特征值，kPa；fak为地基承载力特征值，kPa；b和d为基础宽度和埋置深度的地基承载力修正系数；和m为基础底面以下土的重度和基础底面以上图 1筒仓实景图34土的加权平均重度，kN/m3；b为基础底面宽度，m，当基础底面宽度小于3时按3 m取值，大于6 m时按6 m取值；d为基础埋置深度，m，宜自室外地面标高算起。根据地勘资料可知，本工程第层粉质黏土，基础宽度地基承载力修正系数b=0，埋置深度地基承载力修正系数d=1.0，经计算可知，修正后的地基承载力特征值为fa=275 kPa。通过筒仓的竖向构件布置和受力特性可知，其上部荷载主要筒仓混凝土筒壁承担，如果采用整体式筏板基础，筏板厚度1 600 mm，环形仓壁内部筏板所承担的荷载比例极低，对基础计算结果不会产生影响，也会造成极大的浪费，故对整体筏板采用开洞的方式来对筏板面积进行优化。本工程采用YJK软件进行计算分析，筏板基础底面最大压力值如图4所示，筏板基础沉降图如图5所示。由图4和图5计算结果可以得出：（1）荷载效应标准组合轴心荷载作用下，上部结构传至基础顶面竖向力F=621 998 kN，筏板自重G=90 356 kN，承台面积A=2 258.9 m2，基础底面处的平均压力值pk=311 kPa，大于修正后地基承载力特征值275 kPa，不满足规范要求；（2）荷载效应标准组合偏心荷载作用下，基础底面的最大压力值pkmax=397 kPa，大于修正后的地基承载力特征值1.2倍330 kPa，不满足规范要求；（3）基础最大沉降位于筏板中部，沉降值为245 mm，大于筒仓规范的容许值200 mm；最小沉降位于筏板角部，沉降值为107 mm，筏板的沉降差为138 mm，大于筒仓规范所允许的0.004L=104 mm（L为相邻柱基的中心距离），不满足规范要求。通过以上分析得出，采用天然地基筏板基础时，本工程承载力、沉降值和沉降差均不满足规范要求，应采取其他基础型式。图 4筏板基础底面最大压力值（单位：kPa）图 5筏板基础沉降图（单位：mm）5.2桩基础方案根据地质勘察报告，对于桩基础本工程可选用静压高强预应力管桩和钻孔灌注桩，但是预应力管桩无论从施工成本的经济性，还是从施工进度上均优于钻孔灌注桩5，本文仅对静压高强预应力管桩方案进行分析。根据GB 500072011建筑桩基技术规范6（以下简称地基规范）计算公式和地质勘察报告提供的设计参数，采用直径500 mm的静压高强预应力管桩，以第层砂砾层为持力层，桩端进入持力层深度为0.5 m，其单桩竖向承载力特征值为1 600 kN，桩长约15 m。标准组合下，上部结构传至基础顶面竖向力：F=621998kN，筏板自重G=90356kN，按照单桩竖向承载力特征值为1600kN进行计算，同时考虑1.1倍的效率系数，共需布置489根桩，按照市场价400元/m进行计算，桩基础方案较筏板基础增加费用约293.4万元。5.3复合疏桩方案如果只是简单地采用桩基础，既违背了结构设计的初衷，又增加了造价，无法获得建设方的认可。虽然地质勘察报告没有提出复合地基的方案，但是本工程具备采用刚性桩复合地基的条件，刚性桩复合地基能充分利用桩体和天然地基的承载力，具有施工质量可靠、承载力高、沉降可控和适应性强等特点，节约基础费用。本工程师根据筒仓仓壁的受力特性，在每个壁柱下布置一根共计144根静压高强预应力管桩，既提高了地基的承载力，同时又穿过了软弱下卧层第层中粗砂，达到提高承载力和减沉的效果，复合疏桩布置图如图6所示。5.3.1复合地基承载力计算根据JGJ 792012建筑地基处理技术规范7（以下简称地基处理规范）第7.1.5条，按照有黏结强度增强体复合地Engineering Design of the Ground基础工程设计35Construction&DesignForProject工程建设与设计基计算，其中对于面积置换率，由于本工程复合疏桩为非均匀布置，故采用选取单个筒仓筏板面积和桩的数量进行面积均摊后进行计算，单个筒仓筏板面积S=161 m2，单个筒仓根数为12根，求得单根桩分担的处理地基面积的等效圆直径为：de=4.13 m，故求得面积置换率为m=（0.5/4.13）2=0.015。单桩承载力发挥系数=0.85，桩间土承载力发挥系数=0.95，单桩承载力特征值按照本文5.2节计算的1 600 kN取值，处理后桩间土承载力特征值fsk=250 kPa，计算后复合地基承载力特征值f