某外旋式旋流池棧橋柱基礎方案設計分析

趙杰紅 盛文仲

中冶南方工程技術有限公司 湖北 武漢 430223

冶金工業在連鑄、軋鋼過程中產生大量含氧化鐵皮污水，通過旋流沉淀池處理；沉淀后的氧化鐵皮通過抓斗吊轉運至干渣坑，濾水后再用抓斗吊轉運車輛到燒結回收利用；抓斗吊還兼做水泵的吊裝檢修。

抓斗吊一般露天運行，設吊車梁、棧橋柱支撐。旋流池圓形布置，棧橋柱與旋流池池壁距離遠近不同，棧橋柱基礎地基處理方案受旋流池深基坑支護方案影響。通過分析對比，在不同深基坑支護方案條件下，探討最經濟合理的棧橋柱基礎方案，以期為該類工程實施提供必要的借鑒意義。

1 工程概況分析

該工程為某1780板帶熱軋工程外旋式旋流沉淀池，外筒內徑32m，外筒底標高-14.1m；內筒內徑24m，內筒底標高-17.6m。露天棧橋1臺吊車跨度36m，軌面標高12.0m，吊車工作制A6，最大輪壓350kN，輪距6.4m。

旋流池與棧橋柱基礎的平面關系如圖1所示：

圖1 旋流池與棧橋柱基礎平面關系

場區自上而下土層分布及主要地質參數如下：0.000m面以下素填土厚約1m，強風化砂巖（fak=500kPa）厚約10.2m，中風化砂巖（fak=2000kPa）。

2 旋流池基坑支護方案分析

按擬建場地的地質情況及施工工藝，旋流池基坑支護方案一般有以下幾種：大開挖、沉井、地下連續墻、水泥攪拌樁止水帷幕和鋼筋混凝土支護樁相結合的基坑支護、混凝土排樁支護及井壁逆作法等等。

本工程地面以下為強風化和中風化砂巖，且場地周邊無其它已有建構筑物，基坑開挖不受限制，大開挖是較經濟、合理的方案。基坑方案如下：開挖基坑坡比取1:0.5或1:0.6，分三級放坡，標高分別為-5.5m、-11m、-16m。斜坡采用掛網噴漿保護。本工程基坑開挖期間為沿海地區的旱季，地下水為上層滯水和基巖裂隙水，水量較小，采用坑內明排處理。

基坑開挖邊坡剖面見圖2所示，基坑開挖現場照片見圖3所示。

圖2 基坑開挖邊坡剖面圖

圖3 基坑開挖現場照片

棧橋柱基礎的方案與旋流池的基坑支護方案緊密相關。除大開挖以外的其它支護方案，均未擾動旋流池周邊的天然土層，棧橋柱基礎可根據場地的土層情況采用合理的地基處理方案。如天然地基、換填墊層法地基處理、CFG復合地基處理、樁基礎等等。

本工程采用的大開挖方案，基坑開挖面大，棧橋柱下土層均徹底擾動。棧橋柱基礎方案須根據基坑開挖輪廓、回填土層情況等詳細分析。

3 棧橋柱基礎方案分析

為節省基坑開挖工作量，大直徑沉淀池基坑一般應為圓形布置；棧橋主要功能是將沉淀池內渣抓至干渣坑，受干渣坑布置影響，棧橋柱基礎一般不是居中對稱布置。由此帶來的問題是每個柱基礎下基坑埋深不同。棧橋柱基礎與基坑開挖平面關系見圖4所示。

圖4 棧橋柱基礎與基坑開挖平面關系圖

選用PKPM框排架計算分析，柱子截面0.5mx1.2m，基礎計算柱底標高（-1.500m）標準組合如下：

☆ 標準組合

Mmax 對應組合號: 71 Mmax= 637.50 N = 546.88 V = 46.97

Mmin 對應組合號:114 Mmin= -170.91 N = 468.40 V = -12.68

Nmax 對應組合號: 66 M = -169.69 Nmax= 693.60 V = -11.38

Nmin 對應組合號:118 M = -169.41 Nmin= 237.19 V = -12.68

Vmax 對應組合號: 71 M = 637.50 N = 546.88 Vmax= 46.97

Vmin 對應組合號:110 M = -170.91 N = 247.19 Vmin= -12.68

參《建筑地基基礎設計規范》[1]第3.0.1～3.0.3條規定，棧橋吊車跨度Lk=36m，柱距9m，需進行地基變形驗算。參《建筑地基基礎設計規范》[2]第5.3.4條規定，橋式吊車軌面傾斜限值，縱向0.004，橫向0.003，換算后，縱向相鄰柱距的沉降差限值9000x0.004=36mm，橫向柱的沉降差限值36000x0.003=108mm。

如圖4所示，A軸基礎位于0～-5.5m斜坡，B軸基礎位于-5.5m～-11m斜坡，C軸基礎位于-11m～-16m斜坡，D軸基礎與池體整體澆筑，E軸基礎位于-11m～-16m斜坡，F軸基礎位于-5.5m～-11m斜坡。

地基沉降量不完全依賴于計算，應結合工程經驗分析。基坑回填土設計要求：采用素土及時回填，回填土分層夯實，每層厚300mm，壓實系數不小于0.94。圓形深基坑，回填體量大、施工周期長，且靠近海邊，實際施工過程中，受天氣等各方面因素影響，基坑回填質量難以達到設計要求。

鑒于上述判斷，新近壓實填土不可直接作為棧橋柱基礎的持力層；若在基坑回填后超挖換填碎石，處理后的面層地基承載力可保證，但有厚度10m左右的新近回填土層，基礎沉降量無法保證；若采用強夯處理，由于棧橋柱基礎靠近旋流井側壁，強夯機械施工對池體的影響無法準確判定，風險較大不可實施。

按工程經驗，可實施的地基處理方案有天然地基方案、素混凝土回填方案、樁基方案。以B軸柱基礎為例，從工程量、工期、綜合成本三方面，對比分析天然地基方案、素混凝土回填方案、樁基方案。

3.1 天然地基方案

天然地基是結構設計中首選的地基形式。采用天然地基方案，基礎設計底部標高應考慮下降至基坑底部，基底持力層為中風化砂巖。地基承載力特征值2000kPa，基底面積脫空比限值取15%，基底標高取-11m。

用理正結構工具箱計算柱下獨立基礎，基底面積大小由脫空比控制，計算得基礎大小2.5mx4.2mx0.8m（厚度）；基礎短柱1.3mx2mx9.2m（高度）。單個基礎鋼筋混凝土量：2.5x4.2x0.8+1.3x2x9.2=32.3m3；另需考慮斜坡由C15素混凝土找平，混凝土量12m3。單個基礎成本價約0.18x32.3+0.07x12=6.6萬元。

施工要求：按此方案，須先施工棧橋柱基礎并養護達到設計強度，方可進行深基坑回填。由于棧橋柱基礎的阻擋，基坑回填施工難度加大，施工周期加長，預估較正常回填需增加工期10天。

3.2 C15素混凝土回填處理

按《建筑地基處理技術規范》[3]第4章規定，由于基坑深度在11m左右，換填深度遠超3m，無法采用砂石等換填材料。按工程經驗及基礎構造要求，采用C15素混凝土回填至基底標高-2.3m。

用理正結構工具箱計算柱下獨立基礎，基底面積大小由脫空比控制，計算得基礎大小2.5mx4.0mx0.8m（厚度）；不需設計基礎短柱。單個基礎鋼筋混凝土量：2.5x4.0x0.8=8m3；C15素混凝土回填臺體體積，估算C15素混凝土量約270m3。單個基礎成本價約0.18x8+0.07x270=20.3萬元。

施工要求：按此方案，須先用素混凝土回填至基底設計標高，因素混凝土高度較高，需分批澆筑，且養護達到設計強度后，方可進行深基坑回填。同樣由于回填臺體的阻擋，基坑回填施工難度加大，施工周期加長，預估較正常回填需增加工期10天。

3.3 樁基方案

樁型選用：樁端持力層為中風化巖，上層為厚度10m以上的新近回填土，可選用泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁端嵌巖，為端承樁。樁徑取800mm，樁端進入中風化巖1m，樁長11m，樁距取2.4m。

樁承載力計算：當以中風化巖層為持力層時，其單樁豎向抗壓極限承載力標準值按《建筑樁基技術規范》[4]中式5.3.9-1計算：

單樁豎向承載力特征值Ra=（3.14x0.8x260x1+0.95x4000 x3.14x0.42）/2=1281kN。考慮回填土層樁側負摩阻力影響折減，取Ra=1000kN。

用理正結構工具箱計算獨立樁承臺，承臺尺寸4mx1.6mx0.8m（厚度），樁頂最大豎向力Nkmax=780kN＜1.2Ra，有較大的富裕。

單個承臺鋼筋混凝土量：1.6x4.0x0.8=5.1m3；單承臺下2樁鋼筋混凝土量：3.14x0.42x11x2=11m3

單個柱基礎的樁基及承臺成本價：0.18x5.1+0.2x11=3.1萬元。另需考慮樁機進場及檢測的相關費用。

施工要求：按此方案，旋流井深基坑正常回填，無障礙物，施工效率較高。考慮到樁基施工、檢測周期等，總體施工周期接近。

3.4 綜合分析

綜合上述分析結果，對比棧橋柱基礎的綜合費用和施工周期，見表1所示。

表1 棧橋柱基礎方案綜合費用及施工周期對照表

4 結語

本工程設計施工過程中，根據基坑開挖、回填方案，并結合工程施工進度要求，綜合分析對比，最終改用鉆孔灌注樁方案。本工程其它項目未采用鉆孔灌注樁，樁機進場等花費較多時間。樁基施工過程順利，棧橋經過多年生產使用，未有沉降變形等發生，質量可靠。

旋流沉淀池大開挖方案，棧橋柱基礎多方案分析，有助于為類似工程提供借鑒，以便在工程設計過程中結合基坑開挖方案制定經濟、合理的棧橋柱基礎方案。為類似項目提供參考。