简述碳素厂焙烧车间的基础设计

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摘要：在碳素厂中,经常遇到设备布置集中,厂房高差较大,而地质情况又较复杂时侯,如何分析确定地基基础方案,使其既能满足结构自身的强度、稳定要求，又能符合工艺生产要求。本文通过某碳素厂焙烧车间的基础设计过程,总结一下适合该地区特点的基础形式,为今后类似工程提供一些参考。

关键词：设备集中地基复杂湿陷性黄土人工挖孔灌注桩

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

一、工程概况

某碳素厂的焙烧车间内的主体设备是一套日产850吨的沸腾化焙烧炉和从法国道尔公司引进的51 m2平盘过滤机。主要设备布置及荷重由外方提供,中方负责土建工程设计。

根据国外提资要求,厂房的平面尺寸为13.536.3 m。焙烧厂房部分高53 m,全钢结构；过滤厂房部分高36.3 m,承重结构为钢结构,楼板采用现浇钢筋混凝土。由于设备布置集中,厂房高差较大,通过计算机分析得出的各柱子的内力值相差较大,参见图1。这样就对车间的基础方案的确定提出了更高的要求,即不但满足强度,还要保证相邻柱基的差异沉降值符合规范和工艺要求。

二、场地工程地质概述

根据勘察院提供的勘察报告书,拟建场地内赋存的土层依次为：

① 非自重湿陷性黄土：主要由粉土组成,大孔结构,硬塑～坚硬,厚度0.5～2.1 m。

② 根据岩性分卵石,圆砾和细砂三个亚层,厚度一般为0.5～2.0 m,多呈透镜体分布。

③ 非湿陷性黄土、由粉质粘土和粉土组成,大孔结构,稍湿,硬塑～可塑,厚0.5～3.1 m。

④ 卵石层：主要由石灰岩碎块组成,亚圆形,粒径30～80 mm,大者400 mm。含有～10%中砂,局部有钙质及粘土胶结,中密～密实。

⑤ 非自重湿陷性黄土,由粉土和粉质粘土构成,大孔结构,湿,硬塑～可塑,厚2.0～6.1 m。

⑥ 卵石层：主要是灰岩碎块,亚圆形,一般粒径30～50 mm,大者400 mm,含有10～15%中细砂,大部钙质胶结,中密～密实。厚1.4～4.4 m。

⑦ 非湿陷性黄土：主要是粉土组成,大孔结构,湿,硬塑～可塑,厚0.3～3.5 m。

⑧ 非湿陷性黄土：主要是粉土,富含钙质结核,部分已形成胶结层,湿,坚硬～可塑,厚>3.4 m。

⑨ 卵石层：灰岩碎块组成,亚圆形,粒径多为20～50 mm,最大450 mm。含有10～15%中砂,局部胶结,中密～密实,厚度>2.3 m。

以上各土层相互穿插,埋深及层厚变化不一,构成了复杂的地质情况,给设计造成一定困难。地质剖面示意图见图2,其中fk值系报告书提供的设计标准承载力值。

三、地基方案的比选

根据前述的地质条件和结构分析获得的柱底内力值,按《地基基础设计规范》GB50007-2011,和《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004的有关条文要求进行了方案比较。

1. 天然地基：根据地质剖面图和结构设计构造尺寸要求基础埋深在-3 m左右。持力层为②层卵石或③层非湿陷性黄土层,其fk值均在300 kPa以上,强度满足设计要求。但由于相邻柱子的内力相差较大(参见图1),地层复杂多变,沉降不匀的影响难以预估。另外,处于下卧层中的⑤层非自重湿陷性黄土的湿陷起始压力Psh=180 kPa,湿陷系数Ss0.03,厚度5 m左右,则计算湿陷量为15 cm,影响工艺管道正常生产,对厂房结构的安全存在潜在危险,根据GB50007-2011第3.0.1条，考虑到本车间在生产中的重要性,地基基础设计等级应定为甲级,则天然地基显然满足不了设计和使用要求。

2. 强夯法：投资少,速度快,是处理湿陷性黄土的常用手段,尤其适用于新建工程,能显著地消除基础下土层的湿陷性和改善压缩均匀性。但根据当地经验,现有设备处理深度一般不超过5～7 m。尤其是具有潜在危险的⑤层土的顶面标高在-7.0～-8.0米处,厚度又达5 m之多,夯击能很难穿透上覆土层,更谈不上全部处理掉⑤层的湿陷性了,而挖除上部土层分两次强夯则无论是从技术上还是从经济上考虑都是不合理。显然强夯法不适于本工程。

3. 打入式预制桩：此方法不宜采用,主要原因是黄土地区进桩困难,一遇砂卵石便打不进去。结合本工程实际情况,一是有卵石夹层；二是湿陷性土层埋藏较深,9 m长桩无法全部穿透,15 m桩也找不到好的桩尖持力层；三是单桩承载力不高,因而未被采纳。

4. 人工挖孔灌注桩：这是西北地区处理湿陷性黄土的常用方法,其优点是施工质量便于直观检查, 承载力较高,桩长和直径可随意调整,桩端可扩大以提高端承力。从地质报告提供资料看⑧和⑨层土均具有高的承载力和低压缩性,是良好的桩端持力层。结合以往经验,人工成孔通过黄土及砂卵石夹层均无困难,也未发生塌孔伤人事件,安全施工也有保证。

通过上述分析最终确定人工挖孔灌注桩方案。

四、人工挖孔灌注桩桩基设计

1. 承载力指标：由于工程建设进度要求急,已有的地质资料并未提供桩基设计参数值,因而桩基的设计与试验几乎是同时开展的。如何经济、合理地确定桩身的几何尺寸和承载力指标成了设计的首要问题。

从消除湿陷性和尽量提高单桩承载力的角度分析,桩身应穿透⑤层土,桩端落在⑧层或⑨层土之中,相应的桩长～15 m,比较合适。

侧摩阻力值qs是根据规范建议值,综合了此处的土层特性和工程经验进行取值的。其具体值见图2中的qs一栏。①层土的qs值取为20 kPa,是由于其遇水的机率最大。根据勘察试验资料,其饱水后的强度为天然强度状态下的60%左右。按规范黄土在硬塑下的qs值取30 kPa,则浸水后qs=300.6=1820 kPa。

2. 桩身构造尺寸：桩身直径取为800 mm,这是目前公认的人工挖孔的最小直径,再小则人力难以掘进。桩径在没有特殊理由的情况下也不宜加大,因为摩擦承载力值与桩径成正比,而桩身混凝土的消耗量与桩径的平方成正比。

扩大头的直径取用1600 mm(落于⑧层土)和1300 mm(落于⑨层土)两种。加大端部直径有利于提高单桩承载力,同时材料增加量不大。选用两种大头直径的目的是使单桩承载力值尽量接近以减少可能的差异沉降。

桩身混凝土为C25级,钢筋保护层厚50mm。配筋1216,含钢率约为0.48%，配筋长度L=7.5 m>4/=6.35 m,均满足规范构造要求值。同时验算了桩身强度,垂直承载力和水平承载力均符合设计要求。单桩承载力试算值为：⑧层Pa=2500 kN/根；⑨层Pa=4000 kN/根

五、试桩成果比较

1. 单桩承载力值：通过与试桩结果比较得出,按设计指标计算值与实测值十分接近,尤其是当桩端落于⑧层土时几乎一致且偏于安全。说明设计指标的选取是合理的。

2. 湿陷性消除：在标准载荷作用下,经七昼夜浸水后,可以认为桩周土体已经饱和。实测的附加沉降量仅为1 mm左右,且很快稳定下来,由此可以认为桩基已消除了场地的湿陷性。

3. 沉降特性：在标准载荷作用下,测得的桩身沉降仅为1～2 mm。即使考虑长期负荷的情况,最大沉降也不会超过4 mm,差异沉降值就更小了。完全满足规范GB50007-2011表5.3.4规定的高层建筑允许倾斜3‰的要求,即[S]0.0036000=18(mm)；和按设备厂家提供的土建资料规定值：[S]6mm(L>3000mm)

而按天然地基进行复算,在不考虑湿陷性的条件下,相邻桩基的差异沉降也在10 mm以上。

4. 桩的受力性质：根据计算结果,由于桩身较长,桩端持力层的承载力不是很高,桩属于混合型,摩擦和端承受力各占一半,实测数据表明,当桩身受力达到极限状态时,摩擦力和端承力充分发挥出来,其承担外荷的比例与计算值接近。而在标准载荷作用下,桩的沉降很小,主要是侧摩擦力起作用,桩端土因压缩不大而不能发挥作用,端承力占的比例很小,几乎可以忽略不计而认为是摩擦桩。

结论

通过本工程的设计实践和试桩结果,可以得出采用人工挖孔灌注桩对提高地基承载能力,改善沉降不均匀条件,消除黄土的湿陷性是切实有效的,设计指标的选取符合实际,与试验结果基本吻合,既保证了经济合理,又对后期工程的推广应用提供了科学、可靠的依据。

参考资料

1. 地基基础设计规范GB50007-2011

2. 建筑桩基技术规范 JGJ94-2008

图2土层剖面及性状示意力图