软地基上的承重结构基础设计与施工

        [摘要] 小湾水电站左岸孔雀沟砂石料加工系统所处地段地形不完整，地质条件复杂，断裂构造比较发育，堆积层较厚，全风化岩体底界水平埋深一般1m～5m，强风化岩体底界水平埋深一般15m～20m，弱风化岩体底界水平埋深一般50m～60m，并在构造发育的岩体中存在隔层和囊状风化现象。因此，在系统承重结构基础的设计与施工过程中，根据不同的地质条件和地基承载力情况采用了不同的基础结构形式，很好地解决了系统建设过程中软基础处理这一难题。 关键词承重结构地基基础 小湾地区气候恶劣，数百米的高边坡地质情况极为复杂，岩石风化、破碎，尤其是小湾左岸砂石料加工系统（以下简称左砂系统）地处左岸孔雀沟内，孔雀沟属自然冲沟，两侧沟床覆盖层较厚。经过系统一期开挖，揭露出的平台基础条件非常差，小部分区域已挖到岩层，但都属于全风化岩石，大部分平台尚处于覆盖土之上，地基承载能力较小，部分车间还布置于回填土之上。左砂系统就是在这样艰苦的条件下修建起来的，在建设过程当中遇到了许多以前不曾遇到过的难题，现就特殊地质条件下左砂系统车间基础结构设计和相应的施工方法在系统建设当中的应用进行说明。 在左砂系统建设过程当中，由于整体规划、场地限制和先天地形、地质等因素的影响，经常无法避免一些地基承载力较差的基础，这其中包括人工回填基础，我们统称之为软基础，其地基承载力一般在0.15mpa以下。
       对于承重结构，尤其是承受动荷载的多层结构形式，其基础处理显得尤为重要，其基础结构形式也是多种多样，针对荷载大小、类型的不同以及结构形式的差异，采用什么样的基础结构形式才能既稳定、节约，又便于施工呢？ 针对这一工程建设中不可避免的问题，国内外相关专业人士在这一方面做了长时间、多方面的研究和摸索，并在实践中不断进行验证。根据不同的荷载形式、大小，结构稳定性要求等，在方便施工和节约材料的前提下，基础结构形式主要被划分为如下三种：1、独立墩结构；2、条形结构；3、整板结构。其中独立墩结构主要适用于荷载较小，结构形式较为简单的框架结构立柱基础，且基础地基承载力分布较均匀，不会由于降雨、地表水侵蚀等而出现不均匀沉降；条形基础结构主要适用于荷载较大，地基承载力无法满足独立墩结构要求，且荷载形式多样，存在较大振动，对结构稳定性要求较高的结构形式，尤其对于占地面积大，地基承载力分布不均匀，存在软、硬基础共存，分布无序等情况的结构基础处理尤为适用；整板结构则主要适用于整体基础面积小，结构高度大，而荷载也非常大的重压结构软基础处理。

       但是要注意的是，我们所谈的软基础处理，都是在满足结构最大压力低于软基础最大地基承载力的前提下进行的，这是首要条件。因此，在选择基础结构形式之前，我们首先要做的就是对结构荷载进行计算，根据所选不同基础结构形式下的不同平均压力与地基承载力之间的关系来选择最适合的基础结构形式。 针对上述三种基础结构形式的特点和相应的适用范围，结合小湾水电站左岸砂石加工系统建设过程中出现的具体情况，就三种基础结构的设计与施工在小湾左岸砂石料加工系统建设当中的应用进行分析说明。 独立墩基础也叫柱下单独基础，按照基础形式可分为锥形基础和阶梯形基础两种，通常采用强度等级为c20~c25的混凝土进行浇筑，也有少部分基础由于土壤含有特殊腐蚀物质而采用强度等级更高且含有防腐材料的混凝土进行浇筑，我们可避而不谈这个方面，只谈普通条件下的独立墩设计。我们首先计算出由柱子传到基础顶面的轴心压力设计值n，然后根据经验假设出基础独立墩高度h和基础埋置深度d，取基础本身及填土容重为rm=20kn/m3，取软基础的休正地基承载力f为0.15mpa，则可以根据公式a≥rdn/（f－rdrmd）计算出独立墩的底面面积，再用受冲切承载力公式fl≤0.7ftbmh0/rd对假设的h进行验算，如不满足要求，则调整h值，直到满足要求为止。实际上我们在进行独立墩计算时，是将其在每个方向的突出部分作为倒置的悬臂板来计算的，还值得提的一点是，为使其各突出边所受的承载力均匀，从而保证柱上压力均匀分布到独立墩底面上，我们在具体施工的时候可采用30cm~50cm厚碎石对部分软基础进行换填，以保证其受力均匀。

​​​​​​​       例如小湾左岸砂石料加工系统的b30、b31胶带机承重平台，就是采用独立墩作为系统回填土上的立柱基础结构形式，既便于施工，又节省材料，且结构稳定性非常好。 条形基础结构形式由于其极好的结构稳定性和整体连接性，在工用、民用建筑当中都得到非常广泛的应用，常常作为大荷载、高振动、多层多跨连续结构的立柱基础结构形式，尤其是在水电工程建设当中时常出现的软基础处理方面，更显现出其多方面突出的优越性。现以小湾水电站左砂系统的筛分楼为例进行分析说明。左砂系统位于孔雀沟冲沟内，筛分楼所在部位介于el.1265—el.1296之间边坡上，边坡坡比为1：0.5，筛分楼基础高程为1284m，顶部高程为1302.5m，在1298m、1302.5m楼层总共布置有10台大功率振动筛，单台工作重量为50t（含振动系数），为3层5跨连续高振动结构。其基础内侧为岩石，外侧为el.1265—el.1284贴坡锚拉板，锚拉板与内侧岩壁之间大部分为回填土石方，地基承载力约为0.15mpa。通过计算，筛分楼作用在单根立柱上的最大荷载为600kn，也就是承受60t的重量，根据单根立柱尺寸，将产生2mpa的地基压力。通过地基反力验算，0.15 mpa的地基承载力远远无法满足2mpa的地基压力，因此在进行该部位设计的时候，采用了地圈梁条形基础结构形式。其计算方法如下： 先假定条形基础的的断面尺寸为a×b（长×宽），设相邻两根立柱传至基础顶面的轴向力为n1、n2，单位面积基础自重及回填土重为q，则基底最大净反力pmax~min=(n1＋n2)/ba＋q±6m0/ba2，同时需要满足pmax≤1.2f/rd及（pmax＋pmin）/2≤f/rd。
​​​​​​​       在该计算过程当中，我们是把基础的短边突出部分看作固定在柱边截面的悬臂板来计算，而把基础的长边突出部分当作以立柱为支座的倒双悬臂梁来计算的，作用的荷载都是地基反力。 与小湾筛分楼基础结构形式相似的还有云南糯扎渡水电站火烧寨沟砂石料加工系统回填基础上的筛分楼和压滤车间，它们均采用了条形基础结构形式，很好地将重荷载均匀分散到了软基础上，避免了由于地基承载力小而对结构整体稳定性造成危害。它们在进行条形基础施工之前都采用了碎石换填的办法，并采用振动碾进行夯实，避免了局部受力不均匀而造成结构失稳，这是在长期实践过程当中总结出的与条形基础施工相配套的优秀施工方法。 整板基础结构形式在工程建设当中用的比较少，但是其基本原理与条形基础结构形式是相似的，其最终目的就是通过增大基础受力面积，将本来作用于局部小面积上的大荷载均匀分布到整板基础上，从而减小地基反力，填补软基础地基承载力过小的缺陷。但是其基础结构计算过程较独立墩基础和条形基础要复杂得多，它是将所有荷载均匀分布于整板基础上，将地基反力作为正向均布荷载，将整板基础作为倒置的无梁板来计算的。无梁板的计算方法在最近几年的大部分大学教材里面都没有录入，由于适用空间有限，也很少有人会注意，无梁板结构只在一些较大的酒店大厅设计中偶有出现。

​​​​​​​       除此之外，只有在一些特殊地质情况的工程建设中才会使用到，例如糯扎渡水电站火烧寨沟砂石料加工系统回填基础上的粉煤灰罐就是采用的整板基础结构形式，其运用的就是无梁板计算方法。该计算方法主要是将均布荷载对板所产生的弯矩分为了柱上板带弯矩和跨中板带弯矩，分别按照25%，75%和45%，55%的比例分配到x方向和y方向的柱上板带和跨中板带上，最后根据弯矩叠加总和进行整板的配筋计算，由于适用空间较小，计算过程复杂，在这里并不作详细说明。 软基础处理是今后工程建设各个领域当中会长期存在的问题，因此，对不同结构形式和不同程度软基础的处理方法，我们还要进一步进行研究和摸索，争取能在实践中找到更好的方法，为中国工程建设科技水平的不断提高贡献自己的力量。
 

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