5.2 地基计算

    采用筏板基础或箱型基础的钢筋混凝土筒仓等高大建(构)筑物，由于结构刚度较大，能够较好地调整建(构)筑物的不均匀沉降，这种调整作用随着基础、建(构)筑物在建筑过程中刚度的逐渐形成和加大而逐渐加强，但是基础及建(构)筑物刚度的增加不能调整整体倾斜，因此倾斜值是高大建(构)筑物的重要变形控制指标之一。

    另外，国内外资料及大量煤矿建筑物沉降资料表明，建筑物差异沉降量与绝对沉降量存在统计规律，基本上呈沉降量增大，差异沉降量也增大的趋势。因此控制平均沉降量也是重要指标。

    众多矿井地面结构，如落煤筒、煤仓等，虽然规模高大，但按其高宽(径)比却不是很大。不同于水塔、烟囱等高耸建(构)筑物，它的另一特点是与相邻的生产系统建(构)筑物有紧密联系，同时荷载较大，若允许较大的倾斜率将会给所支承的结构带来较大的附加应力，或影响系统的正常运转。

5.2.3  现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011第7.1.5条指出，活荷载较大的构筑物或构筑物群(如料仓、油罐等)，使用初期应根据沉降情况控制加载速率，掌握加载间隔时间，调整活荷载分布，避免过大倾斜。煤炭矿井地面建筑中的储煤仓、储煤棚等高大构筑物即属此类构筑物。它的特点就是储煤量是可变的，由最大储煤量产生的活荷载重可达到与结构自重产生的永久竖向荷载两者数值很相近的程度，而且设计采用的基底压力都相对较高。如果不能很好地按照地基土受荷压密或固结的机理规律装载，会影响地基合理、正常地适应构筑物工作要求，此类状况常有发生。

    (1)使用初期不控制储料煤荷载的加荷速率带来的问题。

    上海某焦化厂(配煤房)小型贮煤仓，由5个直径8m的钢筋混凝土煤仓组成。地面以上高度为31m，基础埋深1.5m，基础为带肋筏基，筏厚30cm，基底面积46.5×10.76m²，如图1所示。

    配煤房自重38000kN，煤可变荷载21500kN，构筑物自重作用于基底压力为76kPa，地基土较软弱，土性指标见表3。基础南侧6m以下淤泥质黏土孔隙比稍大，西南面表土层中有暗浜填覆。淤泥质黏土层的抗剪强度，按未完全固结快剪试验为φ＝13°，C＝12kPa；三轴不固结不排水快剪为：φ＝0°，Cu＝20kPa；十字板抗剪强度为22kPa。地基承载力值：按未完全固结快剪指标计算，f_k1＝122kPa；按三轴快剪指标计算，f_k2＝90kPa；按十字板抗剪强度计算，极限承载力f_u＝135kPa。

    沉降情况：

    1)完工时的沉降：完工前最后3个月内平均沉降为4.7cm，沉降速率平均为0.5mm/d。沉降略有不均匀，南边稍大，但倾斜较小，为0.0027。

    2)快速加煤后沉降速率和倾斜剧增：完工后6个月投入生产时，于5d内加满至2150t，基础平均压力达12t/m²，沉降速率剧增，加煤停止时，基础南边每天沉降10mm，北边每天沉降8mm；加煤停止后四天，南边每天沉降45mm，北边每天沉降27mm，以后又逐渐减少。加煤过程中，配煤房向南倾斜0.006，加煤后7个月倾斜已达到0.018，这一阶段沉降与倾斜都急剧发展，以后仍有增加，但速率已缓和；但加煤后2年3个月，沉降速率虽逐渐降至0.52mm/d，但平均沉降已增至67cm，北边沉降57cm，南边沉降78cm，倾斜达到0.024，结构安全、正常工作均受到影响。实测资料见图2～图4。

    3)采取纠倾措施：北侧堆放钢锭，控制倾斜发展并纠倾。在北侧堆放12.5t/m²钢锭后仅2个月，倾斜就从0.024减至0.016，并继续减少。加载时间达到3年后逐渐卸载。卸载后6年实测最大沉降量达122cm，最小沉降量为110cm(倾斜为0.014)，如图5所示。

    分析总结：①地基土质在基础之南北侧虽有不均匀，但发生过大沉降的主要原因是快速加荷所致。纠倾时北侧堆荷载重为12t/m²，超过煤重1.395倍，但加载速率慢，历时2个月，降低为加煤速度的1/2，就能使孔隙水压力有所消散，地基的稳定性并未破坏，同时达到了预期的纠偏目的。证明上述分析论断正确。②快速加荷条件下，地基出于不排水快剪条件，承载力应取小值，而达不到设计取值。③分级限载与限制加煤历时，对煤仓构筑物是非常重要的指示性规定。

    (2)减慢加荷速率对地基的有效作用。

    减慢，是和一般施工条件下加荷速率相对而言。最典型的是软土地基上油罐充分预压，可使80kPa～100kPa地基承载力成功地提高至250kPa，而且整个油罐的沉降比较均匀。例如，从21世纪70年代开始应用于吹填土上建造20000m³及以上的油罐，经过97d的预压，地基承载力从50kPa增长到170kPa，平均沉降速率在5.0mm/d左右，实际最大速率达8.43mm/d。油罐边缘平均沉降量为最终沉降量的60％。与桩基、挖土填砂两个方案比较可分别节约75％与60％。

5.2.4  当井筒采用冻结法施工时，建造于其上的井架、井塔或井口房等建(构)筑物基础会受到人工冻融土的影响。由于各类岩土性质变化大，冻融对其融陷、融沉及承载力的影响是不同的，例如，淮北矿区与邢台矿区冻融土的工程性质差异显著，因此掌握设计矿区冻融土的基本性状参数是设计的必要条件。另外，随着井筒开凿而引起冻融土随所处位置不同与时间变化而产生的工程性质时空变化也是需要掌握的基本资料，这样才能较全面地了解冻融土的工程性质，做好地基基础设计。

5.2.5  高大建(构)筑物相对于一般多层建(构)筑物的主要特点是高度大、荷载大和基础宽度与埋深大。由于这些特点使得多用筏(箱)基础的高大建(构)筑物地基侧限条件、地基的应力-变形状态以及基础与上层结构的刚度与强度均与一般建筑有较大的差别，因此在确定其地基承载力和变形条件时也需多些思路。

    目前，国内外普遍采用的承载力公式几乎还限于古典塑性理论中有关刚塑体的解答，本标准采用的极限承载力计算公式即属于此公式，同时符合国际上通行的极限状态设计原则。现行行业标准《高层建筑岩土工程勘察规程》JGJ 72-2004及地方标准《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》DBJ 01-501等采用此公式，国际上《欧洲地基基础规范》EUROCODE7就规定了承载力系数与本标准完全相同的极限承载力公式。极限承载力计算公式主要是计算实际地基宽度和埋深下的地基极限承载力。另外，采用本标准推荐的极限承载力计算公式，也含有验算地基稳定性的意义。地基稳定性实质上就是地基极限承载力能否满足要求。

    如前所述，此类高大建(构)筑物多用筏(箱)形大基础，宽度(直径)大，其变形特点可从太原地区软弱(均匀饱和黄土)地基上的不同尺寸的载荷板或基础变形监测数据反应看出，见表4、图6。

    上述资料表明，基础面积的大小对于地基沉降变形的规律有非常复杂的影响。当基础宽度小于0.25m时，由于基础面积小，地基的塑性变形区相对占有较大的部分，因而地基沉降变形量迅速增大。随着基础面积的增加，塑形变形区相对减少，地基沉降变形也相对减少。当基础宽度b为0.5m～3.0m时，其沉降变形规律符合弹性理论的线性关系，当基础宽度b达到8.0m～10.0m，相对变形曲线近似过渡到水平直线。这种现象可认为是由于地基变形模量随深度的增加及荷载压力随深度的减少所产生的。总之，这是个很复杂的问题，对宽度b＞8.0m的基础与中、小型基础相比，其地基沉降变形的分析应区别对待，许多大型煤炭工业构筑物的基础，其宽度远大于8.0m，即属于大板基础，在进行该类地基分析评价时宜区别于中小型基础。

    关于应用公式时对基础宽度的限制，是借鉴《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJ 024-85及《港口工程地基规范》JTJ 250-98确定承载力公式中对于基础宽度b限值的规定，结合上述实际工程基础变形监测资料，做了基础宽度大于8m时按8m考虑的限制条件。

    基础埋深d的问题：

    关于周边附属建筑为超补偿基础时，该段基础埋深的确定举下列例子说明。

    (1)高层建(构)筑物的地下室，由于使用功能的需要，常将箱(筏)基础的一侧或两侧作为行车出入通道(图7)，此时箱(筏)基础的一侧或两侧土体就被挖去，致使该侧的埋深接近于零。这种条件下就不能考虑地基承载力的深度修正。

    (2)另有一些地下室向建筑主体之外扩展，功能部分地板为配筋有一定刚度的地面，顶部为工业场地或庭院绿化(图8)，此时可将基础侧边地下构筑物的重量折算为土的重度，近似考虑深度影响及修正。

    关于抗剪强度的试验条件：

    确定抗剪强度参数c、tanφ的代表值是按本条公式进行承载力计算的具有关键意义的指标，因此在选用抗剪强度试验的方法时，应根据施工速度、地基土层条件(加荷前、后的应力状态，应力路径等)，尽可能符合建筑和地基土实际受力状况。根据工程实践经验，一般采用等向固结不排水剪切试验，对施工速率较快(如滑模法施工的储煤筒仓等)、排水条件差的饱和黏性土可采用不固结不排水剪切试验，对饱和软土，特别是高灵敏度黏性土和粉土，应对试样在有效自重压力预固结后再进行试验。