筏板式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

楊寒 符小虎

【摘 要】本文通過對(duì)河南滎陽灰?guī)r礦骨料生產(chǎn)線工程成品裝車倉基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析總結(jié)，分析筏板式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及存在的問題，并采取相應(yīng)處理措施，為上部框架式結(jié)構(gòu)梁板式筏形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】筏形基礎(chǔ)；基承載力；地基處理；JCCAD

1 前言

建筑物基礎(chǔ)選型應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)體系、柱距、荷載大小、使用要求以及施工條件等因素確定。基礎(chǔ)布置形式分為獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)和筏形基礎(chǔ)，其中筏板基礎(chǔ)主要優(yōu)點(diǎn)有：1）可充分發(fā)揮地基承載力；2）筏板基礎(chǔ)沉降小，調(diào)整地基不均勻沉降能力強(qiáng)；3）施工方便且造價(jià)低。筏板基礎(chǔ)的主要結(jié)構(gòu)形式有平板式筏基和梁板式筏基，包括等厚度或變厚度底板和縱橫向肋梁。本文以河南滎陽灰?guī)r礦骨料生產(chǎn)線工程成品裝車倉（以下簡(jiǎn)稱：成品裝車倉）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為例，對(duì)筏板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析總結(jié)。

2 工程概況

河南滎陽灰?guī)r礦骨料生產(chǎn)線位于河南省滎陽縣，處理能力5000t/h，包括破碎車間、篩分車間、調(diào)節(jié)料倉、成品庫以及裝車倉等。本項(xiàng)目為其中成品裝車倉，共6座，由于6座成品裝車倉地理位置接近，結(jié)構(gòu)布置形式一致，因此僅對(duì)單座成品裝車倉進(jìn)行設(shè)計(jì)。成品裝車倉為單排群倉，包含三個(gè)錐斗倉。主體為三層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)軸線尺寸19.5×6.5m，單個(gè)錐斗倉軸線尺寸6.5×6.5m。成品裝車倉建筑總高度15.85m，一層層高7.45m，布置除塵器、散裝機(jī)等設(shè)備；二層層高6.19m，布置錐斗倉，主要為料堆重量和錐斗倉傳遞荷載；三層層高2.21m，布置鋼平臺(tái)，除塵器等，另成品裝車倉底部布置三臺(tái)汽車衡，設(shè)備重量20t，最大稱量100t。根據(jù)設(shè)備廠家要求，汽車衡基礎(chǔ)同為成品裝車倉基礎(chǔ)，布置為筏板式，因上部荷載較大，采用梁板式筏形基礎(chǔ)。

根據(jù)地勘報(bào)告，成品料倉位于滎陽市賈峪鎮(zhèn)邢村國聯(lián)礦山內(nèi)，場(chǎng)地標(biāo)高334.77m～343.85m，高差9.08m，地貌單元屬低山丘陵。場(chǎng)地土層分布自上而下分別為：①雜填土層，厚度0.5m～15.0m，平均厚度9.36m，為礦渣，以石塊、礫石、石粉為主，粉土、粉質(zhì)粘土填充；②粉質(zhì)粘土層，厚度0.9m～9.2m，平均厚度4m，承載力特征值為200kPa，壓縮模量建議值7MPa；③灰?guī)r，中風(fēng)化，單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值89.5MPa。

3 筏板基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)埋深的確定

基礎(chǔ)埋深取決于上部結(jié)構(gòu)特性、地基土性質(zhì)和凍脹性、相鄰房屋和構(gòu)筑物基礎(chǔ)埋深的影響等。埋置深度的確定需滿足承載力、變形、穩(wěn)定以及上部結(jié)構(gòu)抗傾覆等要求。根據(jù)成品裝車倉的工程特點(diǎn)，筏板基礎(chǔ)上部需布置三臺(tái)最大稱量100t汽車衡，因此確定最小基礎(chǔ)埋深為1.55m加筏板基礎(chǔ)板厚，在此基礎(chǔ)根據(jù)該深度結(jié)合基底土層的巖土工程性質(zhì)，進(jìn)行筏板基礎(chǔ)的地基承載力及沉降計(jì)算，確定是否可行。經(jīng)過驗(yàn)算，成品裝車倉基礎(chǔ)埋深確定為2.05m。

3.2 筏板基礎(chǔ)的地基承載力驗(yàn)算

筏板基礎(chǔ)的地基持力層選為①雜填土層，為礦渣，以石塊、礫石、石粉為主，采取地基處理或者其他有效措施，處理后地基承載力特征值要求大于250kPa，根據(jù)《地基規(guī)范》5.2.4條，計(jì)算修正后地基承載力特征值≥350kPa，經(jīng)承載力校核結(jié)果顯示均滿足要求。

3.3 筏板基礎(chǔ)厚度確定

筏板基礎(chǔ)的厚度由抗沖切和抗剪強(qiáng)度確定，同時(shí)要滿足抗?jié)B要求。對(duì)于荷載較大的柱，筏板厚度通過沖切承載力計(jì)算不能滿足要求時(shí)，可將筏板局部加厚、增設(shè)柱墩、設(shè)置加強(qiáng)板帶（配置暗梁和抗沖切箍筋）來提高抗沖切承載力，避免因?yàn)樯贁?shù)柱而將整個(gè)筏板加厚。成品裝車倉筏板厚度為500mm，部分軸力較大的柱，柱下板底加墩，柱墩尺寸1.6m×1.6m，厚度300mm，經(jīng)計(jì)算，抗沖切滿足規(guī)范要求。

3.4 筏板基礎(chǔ)的平面布置

依據(jù)地基規(guī)范：8.4.2“筏形基礎(chǔ)的平面尺寸，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)的布置、地下結(jié)構(gòu)底層平面以及荷載分布等因素及有關(guān)規(guī)定確定”，“地基土比較均勻的條件下，基底平面形心宜與結(jié)構(gòu)豎向永久荷載重心重合。當(dāng)不能重合時(shí)，在作用的準(zhǔn)永久組合下，偏心距e宜符合下式規(guī)定：e≤0.1W/A”。依據(jù)此規(guī)定，在保證底板厚度由抗沖切和抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算確定的前提下，筏板基礎(chǔ)宜設(shè)置懸挑，挑出寬度由地基條件、柱距、荷載大小，使地基反力與建筑物重心重合或盡量減少偏心等因素綜合確定，一般情況下，挑出寬度為邊跨柱距的1/4～1/3。因此成品裝車倉筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成懸挑板，一側(cè)挑出2000mm，另三側(cè)挑出900mm，使用JCCAD重心校核顯示筏板偏心信息：SATWE準(zhǔn)永久組合下荷載的偏心距比值（即e≤0.1W/A，此值不宜大于1.0）為0.86，即滿足規(guī)范要求。

3.5 筏板基礎(chǔ)內(nèi)力計(jì)算

筏板基礎(chǔ)的計(jì)算模型包括彈性地基梁板模型與倒樓蓋模型，其中前者是工程設(shè)計(jì)常用模型，雖然簡(jiǎn)單，但受力明確；后者為應(yīng)用最廣泛的一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法，適用于地基較均勻，上部結(jié)構(gòu)剛度較好，軸力及柱距相差不大等情況，缺點(diǎn)是沒有考慮筏板整體彎曲，計(jì)算值可能偏不安全。成品裝車倉筏板基礎(chǔ)內(nèi)力采用彈性地基梁板模型進(jìn)行分析計(jì)算。

在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮上下部結(jié)構(gòu)共同作用可以比較準(zhǔn)確反應(yīng)實(shí)際受力情況，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)基礎(chǔ)平面外剛度大時(shí)，對(duì)筏板內(nèi)力和配筋影響大，反之，小時(shí)，影響小?？紤]上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基的共同作用，使結(jié)構(gòu)整體受力分析更為合理，但同時(shí)增加了計(jì)算時(shí)間與分析成本。

由于上部結(jié)構(gòu)為三層框架結(jié)構(gòu)，相對(duì)于基礎(chǔ)平面外剛度不算大，因此計(jì)算時(shí)筏板基礎(chǔ)只接收上部結(jié)構(gòu)傳遞荷載，根據(jù)基礎(chǔ)自身剛度和地基情況變形，不考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)筏板基礎(chǔ)的影響。

基礎(chǔ)計(jì)算采用的JCCAD提供板元法與梁元法兩種計(jì)算方法，梁元法將筏板按梁肋離散化為T形或矩形截面的等效交叉梁系，對(duì)等效交叉梁系按彈性地基梁方法求解內(nèi)力，然后將底板作為周邊支撐在梁或墻上的矩形或異形板處理。由于整體彎矩已由梁承擔(dān)，故對(duì)板僅做局部彎矩計(jì)算。梁元法對(duì)于梁板結(jié)構(gòu)中梁的剛對(duì)相對(duì)比較大（板厚與肋高比小于0.5時(shí)）是合適的，當(dāng)板厚與肋高比大于0.5時(shí)，特別是板厚與肋高接近時(shí)，按四邊固支的板計(jì)算模式會(huì)造成板的配筋過多。板元法將結(jié)構(gòu)劃分為板單元，按板有限元方法求解。采用板元法分析梁筏基礎(chǔ)，未對(duì)結(jié)構(gòu)模型做任何簡(jiǎn)化，用8節(jié)點(diǎn)等參元或三角形6節(jié)點(diǎn)中厚板單元（可考慮板的剪切變形）模擬筏板，肋梁采用與筏板相同的形函數(shù)以保證邊界的協(xié)調(diào)。一般來說單元?jiǎng)澐值脑郊?xì)，計(jì)算結(jié)果越逼近精確解。成品裝車倉筏板基礎(chǔ)底板厚500mm，設(shè)置300mm×800mm地基梁，板厚與肋高比0.625，宜采用板元法計(jì)算。

成品裝車倉筏板基礎(chǔ)計(jì)算接力成品裝車倉上部結(jié)構(gòu)計(jì)算SATWE模塊，將筏板基礎(chǔ)劃分為1m×1m板單元。經(jīng)過內(nèi)力分析，在結(jié)果顯示中，可以讀取各種工況下的反力圖，標(biāo)準(zhǔn)組合非地震工況，最大反力在130kPa～287kPa之間，標(biāo)準(zhǔn)組合地震工況，最大反力為317kPa，均小于修正后的地基承載力，滿足設(shè)計(jì)要求。依據(jù)計(jì)算后的內(nèi)力配筋等值線圖，成品裝車倉筏板配筋為底層雙向配筋 22@200，面層雙向配筋 20@180，地基梁同樣依據(jù)計(jì)算結(jié)果中顯示配筋量圖來進(jìn)行配筋。

3.6 基礎(chǔ)沉降變形

彈性地基梁計(jì)算可采用兩種地基模型，即文克爾地基模型和廣義文克爾地基模型，前者的假設(shè)為將地基土假設(shè)為無窮多個(gè)相互獨(dú)立的彈簧，不考慮土體之間的相互作用，地表受到法向荷載作用后，僅荷載作用點(diǎn)下方的土體發(fā)生變形，與周圍地層無關(guān)，后者假設(shè)通過調(diào)整彈簧剛度來考慮地基土之間的相互作用。成品裝車倉筏板基礎(chǔ)采用天然地基下文克爾地基模型進(jìn)行分析計(jì)算。

驗(yàn)算地基變形，關(guān)鍵在于選擇合理的基床反力系數(shù)K值，基床反力系數(shù)K與土的類型及下臥土層類別、基礎(chǔ)面積的大小和形狀、基礎(chǔ)的埋置深度等因素有關(guān)?；卜戳ο禂?shù)K的大小直接影響到地基反力的大小和基礎(chǔ)內(nèi)力，因此合理確定此參數(shù)大小顯得十分重要。確定基床反力系數(shù)K值的計(jì)算方法有靜載試驗(yàn)法、按基礎(chǔ)平均沉降Sm反算以及經(jīng)驗(yàn)值法等。由于提供地質(zhì)資料不完整，難以通過前兩種方法進(jìn)行計(jì)算，因此采用《JCCAD用戶手冊(cè)》中附錄C基床反力系數(shù)推薦值結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行估算，取基床反力系數(shù)K值為10000kN/m3。采用JCCAD模塊板元法下沉降結(jié)果試算，準(zhǔn)永久組合下，總面荷載值為157.36kN/m2，平均沉降S為15.74mm。采用經(jīng)驗(yàn)值法計(jì)算出的K值不僅受人為因素的影響較大，而且其考慮因素比較粗糙，因此計(jì)算出平均沉降S值正確性有待考證。

4 筏板基礎(chǔ)構(gòu)造措施與地基處理

4.1 筏板基礎(chǔ)構(gòu)造措施

按照規(guī)范規(guī)定，筏板基礎(chǔ)受力筋應(yīng)滿足0.15%的配筋率要求，筏板板筋宜雙向雙層配置，局部柱距較大及內(nèi)力較大處鋼筋間距可適當(dāng)加密，筏板厚度變化處或標(biāo)高變化處，宜采用放斜角平滑過渡，避免應(yīng)力集中。

4.2 筏板基礎(chǔ)的地基處理

當(dāng)筏板基礎(chǔ)在天然地基下不足以承受荷載，可以考慮對(duì)地基進(jìn)行加固處理，常用的地基處理方法有“換填法”、“復(fù)合地基法”，“換填法”采用低等級(jí)的素混凝土或采用碎石、卵石等材料進(jìn)行碾壓或振密處理。成品裝車倉地基處理采用“換填法”，換填區(qū)域開挖至設(shè)計(jì)高程后要求用振動(dòng)碾將基底壓實(shí)，壓實(shí)度要求大于90%，然后換填1：1的粗砂碎石用振動(dòng)碾分兩層壓實(shí)，再進(jìn)行混凝土施工，地基承載力要求大于250kPa。處理后經(jīng)深度與厚度修正的地基承載力特征值≥350kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

（1）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要一環(huán)，設(shè)計(jì)合理性關(guān)系到建筑物的安全使用、施工工期和造價(jià)。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)合理選擇基礎(chǔ)形式，根據(jù)工程地質(zhì)情況、上部結(jié)構(gòu)體系、柱距、荷載、施工條件等綜合比較確定。

（2）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮上部結(jié)構(gòu)形式、上部結(jié)構(gòu)傳遞荷載大小和性質(zhì)、地基模型等因素，合理選擇筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，以求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全、經(jīng)濟(jì)。

（3）沉降計(jì)算受多種因素影響和限制，達(dá)到精確計(jì)算較為困難，筏板基礎(chǔ)應(yīng)用若能妥善解決建筑結(jié)構(gòu)沉降問題，對(duì)節(jié)約工程造價(jià)和縮短工期體現(xiàn)很大的優(yōu)越性。

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[3] PKPM V3.1軟件說明書-地基基礎(chǔ)建模與計(jì)算設(shè)計(jì)軟件 JCCAD

（作者單位：中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司）