渣場填土地基上建筑物基礎形式選擇

盧寶玉，王智陽，張 博

(1.甘肅省平涼市莊浪縣水務局，甘肅 平涼 744600;2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，西安 710024;3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在工程建設中，基礎作為將建筑物荷載傳至地基的承重構件，其安全穩定至關重要。筏板基礎具有承載力高、整體性好、剛度大、造價較低等優點；樁基礎也可提供較大的承載力，且能較好控制其他原因引起的不均勻沉降[1]。因此，這兩種基礎形式在水利及建筑工程中都得到了十分廣泛的應用[2-3]。堆渣場上層為人工填土及開挖廢料，土體結構不均勻且較為松散。在渣場上進行建筑物建設時，基礎形式的是否合適并滿足要求將直接影響到工程的成敗[4-9]。本文針對某水利工程以堆渣場為基礎，選擇平板式筏板基礎、梁板式筏板基礎、樁基基礎3種方案，從應力變形及投資兩方面進行比選分析，確定最終方案，為渣場填土地基建筑物基礎工程設計提供借鑒。

1 工程概況

某水利工程堆渣場容量為49萬m3，堆渣體從溝口開始，東西長約450 m，南北最寬處約110 m，中間寬，兩頭較窄。堆渣體前緣坡面分為五級，頂部高程622.00 m，在高程611.40、596.40、581.40 m各設一級2 m寬馬道，在568.82 m設一級9 m寬馬道，共4級馬道。現將在渣場上進行管理營地建設，主要包括辦公樓、綜合服務樓，公寓等。其中辦公樓擬采用C30鋼筋混凝土結構，共5層，長66.1 m，寬28.8 m，高21.9 m。堆渣場平整至修建辦公樓已4 a多，目前地表外觀監測變形趨勢來看，堆渣體水平變形和沉降變形基本處于收斂或較穩定狀態。

表1 地基土物理力學性質指標建議值

表2 地基土物理力學性質指標建議值表

2 基礎形式初擬

參考類似工程，綜合考慮建筑物使用要求及地基地質情況，根據規范要求[10-11]，現初擬以下3種基礎形式進行比選研究。

(1) 方案1：平板式筏板基礎，筏板厚度取60 cm；

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

(3) 方案3：樁基礎，樁直徑為100 cm，長度為11.6～33.5 m，共89根，樁與樁之間設有聯系梁(30 cm×60 cm)。

3 數值模擬分析

3.1 數值模型建立

依據溝道原始地形和渣場場坪圖、辦公樓基礎和結構設計圖，建立三維有限元數值分析模型。渣場周邊到計算邊界的最小距離為80.0 m。模型采用直角坐標系，X軸為水平軸，指向溝谷右邊坡為正(面向下游)；Y為水平軸，指向溝谷下游為正；Z軸為豎直方向，指向上為正。堆渣體和場地巖土體以及基礎用Solid單元模擬，基礎上部板梁柱用板單元和梁單元來模擬。假設基巖及混凝土均為均質彈性、各向同性，計算采用材料參數見表3。

表3 計算材料參數

根據擬定的基礎形式3個方案，建立有限元模型并進行網格劃分。

模型1：平板式筏板基礎，模型單元總數為684 477個；節點總數為139 601個。用接觸單元模擬筏板與堆渣體之間的接觸面。

模型2：梁板式筏板基礎，模型單元總數為685 074個；節點總數為139 601個。用接觸單元模擬筏板與堆渣體之間的接觸面。

模型3：樁基基礎，模型單元總數為82 863個；節點總數為51 237個。假定辦公樓荷載完全由樁承擔，樁基礎也用Solid單元模擬。

筏板基礎及樁基礎數值模型見圖1，3種模型網格劃分結果見圖2。

3.2 方案1模擬結果與分析

計算在結構自重情況下應力變形情況，并從地基面變形、筏板應力、地基面法向應力3方面進行分析。地基面變形情況見圖3?；A范圍內地面最大變形產生在豎直方向，表現為沉降變形，變形量為-6.1～-27.4 mm，較大值位于中部，最大最小變形比值為4.5；在溝谷左右水平方向上的變形量為-0.7～-1.2 mm，較大值位于左端，最大最小變形比值為1.71；地面在溝谷上下游水平方向上的變形量為0.4～1.3 mm，較大值位于下游側，最大最小變形比值為3.25。兩柱之間的最大沉降差為4.4 mm，小于0.002l=14.0 mm(規范允許值)[10]。

筏板應力分布情況見圖4，應力極值統計表見表4。筏板底面拉應力大于頂面，正應力最大拉應力為2.5 MPa，大于混凝土設計抗拉強度1.43 MPa(混凝土等級為C30)，但拉應力大于1.43 MPa的區域很小，基本位于柱子附近(最大約1.0 m)；正應力最大壓應力為3.28 MPa，是混凝土設計抗壓強度14.3 MPa的22.9%。最大剪應力為0.26 MPa，是設計抗剪強度2.1 MPa的12.4%。第一主拉應力稍大于正應力最大拉應力，為2.51 MPa。

表4 應力計算統計表 /MPa

地基應力分布如圖5，X向最大應力為0.0328 MPa，方向向河谷右方；Y向最大應力為0.0411 MPa，方向向河谷下游；Z向最大應力為0.0734 MPa，方向向下，小于地基承載力標準值fk=0.30～0.35 MPa。

3.3 方案2結果分析

計算在結構自重情況下應力變形情況，并從地基面變形、筏板應力、基礎梁應力、地基面法向應力4方面進行分析?；A范圍內地面最大變形產生在豎直方向，表現為沉降變形，變形量為-5～-28.5 mm，較大值位于中部，最大最小變形比值為5.7；在溝谷左右水平方向上的變形量為-0.7～-1.3 mm，較大值位于左端，最大最小變形比值為1.86；地面在溝谷上下游水平方向上的變形量為0.5～1.4 mm，較大值位于下游側，最大最小變形比值為2.8。兩柱之間的最大沉降差為4.63 mm，小于0.002l=14.0 mm。

筏板應力分布情況見圖4，統計表見表1。筏板底面拉應力大于頂面，正應力最大拉應力為2.3 MPa，大于混凝土設計抗拉強度1.43 MPa(混凝土等級為C30)，拉應力大于1.43 MPa的區域很小，基本位于柱子附近(最大約1.0 m)；正應力最大壓應力為2.37 MPa，是混凝土設計抗壓強度14.3 MPa的16.6%。最大剪應力為0.23 MPa，是設計抗剪強度2.1 MPa的11.0%。第一主拉應力稍大于正應力最大拉應力，為2.31 MPa。

基礎梁軸向力為-0.486～0.150 MN，彎矩為-0.133～0.0946 MN·m，剪力為-0.197～0.240 MN，軸向應力為-1.52～0.469 MPa，彎曲應力為-2.210～3.120 MPa。內力或應力分布如圖6。

地基X向最大應力為0.0313 MPa，方向向河谷右方；Y向最大應力為0.0398 MPa，方向向河谷下游；Z向最大應力為0.0706 MPa，方向向下，小于地基承載力標準值fk=0.30～0.35 MPa。

3.4 方案3結果分析

通過數值模擬計算，對這89跟樁應力變形情況進行分析，應力見圖7，變形見圖8。

樁最大軸力為2.138 MN，相應的軸向應力為2.725 MPa，軸向應力均為壓應力；最大彎矩為0.0801 MN.m，相應的彎曲應力為0.817 MPa，小于混凝土設計抗拉強度1.43 MPa(混凝土等級為C30)，最大彎曲應力是混凝土設計抗拉強度的57.1%；最大剪力為0.0076 MN。可按彎矩對樁進行承載能力極限狀態計算，需要配置5?18豎向鋼筋。樁在3個方向位移均很小，在溝谷左右水平方向變形為-0.8～1.5 mm；在溝谷上下游水平方向變形為-0.6～1.5 mm；在豎直方向變形為0～1.8 mm。

3.5 模擬結果綜合分析

通過3種方案的數值模擬計算結果可知，平板式筏板基礎和梁板式筏板基礎底面拉應力大于頂面，最大位移均為豎直向下，表現為沉降變形；最大拉應力分別為2.51 MPa和2.31 MPa,大于C30混凝土設計抗拉強度1.43MPa，但通過配筋抗拉強度均能滿足要求；最大壓應力分別為3.28 MPa和2.37 MPa；地基面最大沉降變形分別為27.4 mm和28.5 mm，兩柱之間的最大沉降差均滿足規范要求。樁基礎樁軸向應力為2.725 MPa，最大彎曲應力為0.817 MPa，最大位移為1.8 mm方向豎直向下。樁基礎應力變形均小于筏板基礎，3種基礎從應力變形角度均滿足要求，均可采用。

4 投資估算與比較分析

通過平板式筏板基礎、梁板式筏板基礎、樁基礎3種方案主要工程量估算及施工工藝的分析，參考水泥、鋼筋等材料市場價格，依據《水利建筑工程預算定額》中相關內容，對3種投資進行初步估算。結果直接投資最少為梁式筏板基礎，投資額為215.64萬元；直接投資最大為樁基礎，投資額為744.06萬元；平板式筏板基礎直接投資略大于梁式筏板基礎，為226.71 萬元。具體投資分析內容見表5。

表5 基礎工程量及投資估算表

5 結 論

(1) 數值模擬分析結果表明，3種基礎均滿足設計要求。其中樁基礎的應力變形結果均小于筏板式基礎，且更能抵抗地基的不均勻沉降，筏板基礎中梁板式筏板基礎相較于平板式筏板基礎應力變形均有所改善。

(2) 投資分析顯示，樁基礎所需投資最多，梁板式筏板基礎所需投資最少。樁基礎由于施工復雜、工程量較大，所需要投資明顯大于筏板基礎;梁板式筏板基礎所需鋼筋混凝土量略小于平板式筏板基礎，所需投資也略低于平板式筏板基礎。

(3) 結合工程情況，辦公樓樓基礎采用樁基礎、梁板式筏板基礎、平板式筏板均可行。但由于堆渣體均勻性較差，成分復雜，樁基施工的不確定因素較多、投資大、施工復雜，周期較長。綜合考慮各方面因素，建議采用梁板式筏板基礎，并在局部采用挖除換填、碾壓、夯實等措施適當改善地基情況。