復雜地形下井架基礎設計

吳 英 家

(大同煤礦集團設計研究有限責任公司,山西 大同 037003)

復雜地形下井架基礎設計

吳 英 家

(大同煤礦集團設計研究有限責任公司,山西 大同 037003)

以具體工程為例,結合場地條件,在井架兩側呈現大高差情況下,使用樁基代替常規獨立基礎作為井架基礎，并介紹了具體設計過程及注意事項。

樁基礎，獨立基礎，擋土墻，井架

1 工程概況

本工程為大同同煤集團同忻礦井南二盤區副井井架的基礎工程，位置位于同煤集團同家梁礦。同家梁礦整個西側場地標高比圍墻外側的場地標高高出8 m，圍墻內外8 m高差的土用毛石擋土墻支擋，毛石擋墻是多年前修建的，圍墻砌筑在毛石擋土墻頂面。圍墻外側又緊鄰運煤鐵路(大秦線等運煤專線)，鐵路鐵軌距擋土墻外皮7 m。井口距離圍墻內側17 m，井架根部在垂直圍墻方向的間距為27 m，井架根部在平行圍墻方向間距13 m。由于同家梁礦場地的限制及機電安裝專業的要求，井架置于圍墻內側，且井架根部距離圍墻內側最近處5 m。依據《同煤集團同家梁礦巖土工程勘察報告》，井架所處位置的地質情況為：第①層土矸石，層厚2.5 m, 地基承載力特征值為70 kPa。第②層為填土，地基承載力特征值為100 kPa,其厚度3.4 m。第③層為卵石，層厚2 m，地基承載力特征值為200 kPa。第④層粉土，層厚5 m,地基承載力特征值為140 kPa。第⑤層為粗砂，層厚大于10 m。由于場地地形復雜，加上施工前后均不能對擋墻產生不利影響，若擋墻破壞，造成鐵路不能使用，會造成很大的經濟損失，諸多問題給井架基礎設計帶來很大的麻煩。

2 基礎設計方案選擇

2.1 獨立基礎方案

在地質條件良好的情況下，井架基礎一般設計為獨立基礎。井架為多繩摩擦式提升機房用井架，對基礎產生的荷載較大。井架共四個部位與基礎相連，靠近圍墻的兩個點受力也基本相同，遠離圍墻的兩個點受力也基本相同。上部井架經計算后，得到傳給基礎的荷載值，靠近圍墻的基礎頂部受力最不利標準組合：Fk=1 200 kN(方向向下)，Vx=360 kN(方向向圍墻外側)，Vy=100 kN(方向平行圍墻)；遠離圍墻的基礎頂部受力最不利標準組合為：Fk=4 200 kN(方向向下)，Vx=-1 500 kN(方向向圍墻內側)，Vy=100 kN(方向平行圍墻)。由于表層2.5 m均為矸石,均應挖除,若選擇填土層作為持力層,則基礎面積過大,緊鄰圍墻側的場地空間有限,基礎施工無法實現；若選擇卵石層作為持力層，則基底標高達到-5.9 m，基坑開挖過大，同樣由于擋墻對空間的限制而無法施工基礎；若將填土層換填，同樣也受限于空間限制而無法施工。可見，以往井架基礎設計為獨立基礎是因為沒有場地周邊建筑物(構筑物)的限制，而淺層地基承載力又比較好。而在本工程中，既有擋墻對空間的限制，淺層地基承載力又比較差，所以井架基礎采用獨立基礎方案是行不通的。

2.2 樁基礎方案

由于場地空間限制，所選擇樁型必須對周邊建筑物(構筑物)無太大影響，人工挖孔樁為非擠土樁，對周邊臨近構筑物影響最小。人工挖孔樁的施工質量也比其他類型的灌注樁質量更有保證，既可以直接鑒別和檢查孔壁和孔底的土質情況，又可以直接測定樁身與樁底的尺寸，再者人工挖孔樁整個施工過程都是在無水環境下進行，避免了因擋墻墻背土質發生變化而對擋墻造成影響，同時也避免泥水對樁身質量和承載力的影響。所以，人工挖孔樁最適合本工程。井架基礎工程的設計等級為乙級，承載力及變形均應滿足樁基礎規范要求。在設計階段,不具備本工程的試樁資料,設計按樁基規范初步估算。由于工期緊，設計和試樁同時進行，要求設計應保留一定的富余度，以保證試樁結果能滿足工程要求。

2.2.1 基樁設計

由于擋墻的限制，人工挖孔樁應盡量不擴底，以免對擋墻產生影響。初步按樁徑1.0 m計算，垂直圍墻方向布置2排，每排3根樁，樁間距均為3 m，頂標高-2.5 m，承臺厚度2 m，長度8 m，寬度5 m，承臺邊緣距離擋墻頂部2 m，基礎錐臺與井架連接處標高0.5 m。在偏心豎向力作用下，由建筑樁基技術規范，基樁承受豎向力：

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，計算求得軸心豎向力下單樁承受豎向力Nk=1 150 kN，單樁承受最大的豎向力Nkmax=1 683 kN。由樁基規范，初步設計時，單樁極限承載力標準值：

Quk=u∑φsiqsikli+φpqpkAp。

其中,u=3.14 m，qsik為各土層極限側阻力標準值，填土為20 kPa，粉土為50 kPa，卵石為100 kPa，粗砂為74 kPa，qpk=2 500 kPa,持力層為粗砂層，樁端入粗砂層2 m，設計樁長12.4 m，計算求得單樁豎向承載力極限值Quk=3 931 kN，Qk=Quk/2=1 966 kN>Nk=1 150 kN，Nkmax=1 683 kN <1.2Qk=2 359 kN。

由于承臺距離擋土墻頂部很近，應嚴格控制水平位移，所有樁均按最不利情況設計。樁身配筋按大于0.65%設計，估算單樁水平承載力特征值為：

2.2.2 沉降計算

沉降計算采用布辛奈斯克解，按實體深基礎分層總和法計算，并考慮沉降經驗系數，依據樁基規范公式5.5.6，最終算得最大沉降為22.4 mm。最大沉降差為11 mm,依據礦山井架設計規范，井架地基變形最大允許值為80 mm，地基最大允許變形差為0.001×L=0.001×27 000=27 mm，可見，樁基沉降計算均滿足規范要求。

2.2.3 試樁結果

由于工期很緊，施工前試樁均保留為工程樁。本工程共24根樁，試樁數量4根。每個樁基礎1根試樁。由于靠近擋墻一側的地質條件及地形條件更為復雜，該側2根試樁位置均為離擋墻最近，編號分別為ZH1和ZH2，其他試樁分別編號ZH3和ZH4。單樁豎向承載力特征值檢測結果分別為：Qk1=1 876 kN，Qk2=1 832 kN，Qk3=2 315 kN，Qk4=2 117 kN，檢測結果均大于所承受的荷載標準值。單樁水平承載力特征值檢測結果分別為:Rh1=97 kN，Rh2=102 kN，Rh3=239 kN，Rh4=246 kN。雖然靠近擋墻一側的單樁承載力特征值比較小(詳細原因見下節說明)，但同樣大于單樁所承受的荷載。事實上，若考慮后期群樁基礎效應，承載力會更大。綜合以上樁基的承載力與變形計算及檢測，本樁基設計滿足工程要求。

3 設計施工中的關鍵問題

3.1 樁的布置

一般情況下，在彎矩及剪力作用方向上多布置樁是效率比較高的。由于井架靠近擋墻一側空間有限，在垂直擋墻方向，不允許布置數量較多的樁，所以基樁盡量沿平行擋墻方向布置。本工程在受力最大的基礎(遠離擋墻的基礎)上布置6根樁，承臺長向平行擋墻。雖然靠近擋墻一側的基礎受力較小，考慮到該側地形的復雜，不確定性因素較多，以及該工程的重要性，將四個基礎均按最不利情況設計。

3.2 樁及承臺的施工

靠近擋墻側樁孔的施工無疑是設計與施工人員最擔心。由于擋墻距離井架根部只有5 m，所以距墻最近樁的樁邊距墻也只剩下3 m，施工中必須保證樁孔的垂直度，否則可能會對擋墻產生不利影響。實際上，樁孔施工中未遇見擋墻墻身及基礎，若遇到則將會使實際情況更為復雜，設計與施工必須重新考慮另一種更加穩妥的方案。最后在挖承臺基坑時，也要注意不要對擋墻產生破壞，基坑回填時，應回填粗砂等，壓實系數大于0.95。

3.3 樁基檢測

靠近擋墻側的基樁檢測是設計能否通過的最關鍵一環。一般情況下，樁基礎設計時，基樁周邊有無限土體，而本工程實際情況是擋墻側的基樁不完全滿足這種條件。在井架施工前，擋土墻是按地面均布活載35 kN/m2(有拉支架車通過)設計的。筆者把基礎承受的水平力按集中力作用在擋墻頂部，發現產生的傾覆力矩小于按地面均布活載35 kN/m2所產生的傾覆力矩。不過，還是嚴格要求在基樁檢測時，要緩慢施加水平力及豎向力時，以便觀察變化。在擋墻側基樁水平承載力檢測時，加載并未達到規范要求的步驟便卸載了，主要是考慮到此時得到的承載力特征值已經滿足工程要求，并且沒有對擋墻產生影響。而無擋墻限制的基樁則正常檢測。

4 結語

目前該井架已經正常運行使用，在極其復雜的地形條件下，采用樁基代替獨立基礎，解決實際中的問題，并且沒有影響周邊設施的正常使用，可見樁基礎功能的強大。而對比以往相同井架基礎的造價，本工程樁基造價比獨立基礎方案稍高，但從安全、經濟、適用角度來看，樁基礎更能適應復雜地質地形條件。礦山建筑很多都是在復雜地形上建造的，本工程為復雜地形上建造建筑物提供了一定的參考價值。

[1] JGJ 94—2008,建筑樁基技術規范[S].

[2] JGJ 106—2003,建筑樁基檢測技術規范[S].

[3] GB 50385—2006,礦山井架設計規范[S].

[4] 劉金礪，高文生，邱明兵.建筑樁基技術規范應用手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5] 朱丙寅,婁 宇，楊 琦.建筑地基基礎設計方法及實例分析[M].北京：中國建筑工業出版社，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

吳英家(1984- ),男,碩士,工程師