疏桩基础在机械通风冷却塔结构中的应用

叶 基 业

(盈德气体集团有限公司，浙江 杭州 310015)



疏桩基础在机械通风冷却塔结构中的应用

叶 基 业

(盈德气体集团有限公司，浙江 杭州 310015)

结合桩基设计思路，介绍了疏桩基础的概念和设计方法，并以某机械通风冷却塔结构工程为例，对常规桩基方案与疏桩基础方案作了比较，指出疏桩基础方案充分发挥了天然地基和桩的潜力，是经济、安全、科学的桩基设计新形式。

疏桩基础，桩基设计，冷却塔结构，承载力

0 引言

空分生产装置中循环水场中的冷却塔，一般采用逆流式机械通风冷却塔，塔体采用钢筋混凝土框架结构，塔体下部设置水池，水池底板兼作上部塔体的筏板基础。基础底板荷载不大，一般为100 kPa～120 kPa，占地面积较大。在深厚软土地基上建造冷却塔，为满足地基承载力和沉降变形的要求，应进行地基处理，一般采用桩基础。常规桩基础设计以承载力控制为主，上部荷载全部由桩来承担，不考虑桩间土承担荷载的可能性，沉降不起控制作用，不重视对沉降的分析。工程经验表明，深厚软土地基上建筑物的沉降量和工程投资成比例，因此在满足承载力的基础上，如何控制合理的沉降显得很有意义。

1 设计思路

桩基处理的目的是提高地基承载力和减小地基沉降，目前有两种设计思路：以承载力控制设计的思路和以沉降控制设计的思路，无论哪种思路都必须满足建筑物对地基的承载力和沉降要求，主要是这两种思路侧重点不同。以承载力控制设计的思路是以沉降满足要求为前提条件，桩基承载力为主控要素，与沉降控制设计的思路则刚好相反。在深厚软土地基中，桩基础的失效，大部分是由建筑物的沉降或差异沉降过大造成的，由此影响建筑物的使用要求，甚至可能影响结构的安全。但也不是控制沉降越小越好，减小沉降必然付出代价。因此控制合理的沉降非常必要，而以沉降控制设计的思路就很合适,减沉复合疏桩基础(以下简称疏桩基础)体现了这种设计思路。

2 疏桩基础的概念和设计

2.1 疏桩基础的概念

疏桩基础为在软土地基上，地基承载力基本满足要求时，可设置穿过软土层进入相对较好土层的疏布摩擦型桩，由桩和桩间土共同分担荷载。疏桩基础属于复合桩基范畴，功能介于天然地基和常规桩基，因此它具有自己的特点：单桩截面尺寸较小，必须是摩擦型桩，桩间距大于6d，这些都是为了确保桩和桩间土共同作用承担上部荷载。因此疏桩基础能充分发挥桩和桩间土的承载能力，进而可以减少桩数。

2.2 疏桩基础的理论计算和设计步骤

疏桩基础的桩和桩间土通过变形协调共同承担上部荷载，因此基础底面桩、土的沉降是相等的，桩基的沉降既可通过计算桩的沉降，也可通过计算桩间土沉降实现，规范采取计算桩间土沉降的方法。

JGJ 94—2008建筑桩基技术规范给出了疏桩基础的面积、桩数和中点的沉降计算公式，公式如下：

(1)

(2)

其中，Ac为桩基承台总净面积；ξ为承台面积控制系数(ξ≥0.60)；ηc为桩基承台效应系数；Fk为荷载效应标准组合下，作用于承台(底板)顶面的竖向力；Gk为承台(底板)及其上土的自重标准值，对于稳定地下水位以下部分应扣除水浮力；Ra为单桩竖向承载力特征值；fak为承台(底板)底地基承载力特征值;n为基桩数。

基础沉降公式如下：

S=Ψ(Ss+Ssp)

(3)

其中，S为桩基中心点沉降量；Ψ为沉降计算经验系数；Ss为承台底地基土附加应力产生的中点沉降；Ssp为桩土相互作用产生的沉降。

疏桩基础设计步骤如下：

1)基础底面积先按式(1)初步估算，并结合建筑物使用的要求，一般较容易满足；

2)桩数的确定，规范建议计算三种不同桩数(按常规桩基设计确定的桩数、上述所需桩数的1/3、桩数为0)布桩时的沉降量，并按线性变化假定求得近似的桩数与沉降关系，然后根据设计容许沉降量确定需要的桩数。这里对如何布置第二种桩提出看法，如果桩长同常规桩基设计，通过减少桩数控制沉降量，这样是不合理的。因为一方面疏桩基础是以沉降控制设计，沉降主要取决于桩端下卧土层的压缩模量，桩长对沉降的影响最大；其次桩数减少，桩的距径比加大，过大的桩间距增大了基础底板承受的弯矩。所以桩数的确定建议改为桩长的确定，具体如下：

OLED，即有机发光二极管，正因为OLED具有自发光，其具有对比度比较高，显示效果比一般的液晶屏好许多；此次用的是SPI接口，如图6所示。

a.桩间距控制在6d～8d之间，这样一定的基础面积下桩数就能确定下来；

b.初估桩长按桩基承载力和进入相对较好土层综合确定，其总的桩基承载力要达到常规桩基设计所需的1/3；

c.按上述两点布置计算桩基沉降量，根据容许沉降量相应调整桩长，合理控制沉降量。校核桩数满足式(2)要求。

3 工程实例

3.1 场地地质条件

辽宁营口某60 000 Nm3/h空分生产装置工程，拟建场地的抗震设防烈度为7度，场地土的类型为中软土，场地类别为Ⅲ类。拟建场地土层共分5层，土层自上至下依次为：②粉质粘土、③淤泥质粉质粘土、④粉质粘土、⑤粉质粘土、⑥粉质粘土，各层土的物理力学指标如表1所示。

表1 各土层物理力学参数表

3.2 基础方案比较

冷却塔结构，上部塔体4层框架结构，底部1座水池，水池底板兼作上部结构的筏板基础，筏板基础平面布置见图1。基础底板面积为(32.2×15.4)m2，基础底荷载标准值为Q=58 687 kN，对应于荷载效应标准组合时的基础底面压力P=58 687/(32.2×15.4)=118.3 kPa；基础底附加荷载准永久值为39 275 kN，对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力P=39 275/(32.2×15.4)=79.2 kPa。底板坐落于②层粉质粘土层，地基承载力能满足要求，但是地基受力层范围内有软弱下卧层，经验算下卧层不满足地基承载力要求；计算地基变形时，沉降计算简化为计算基础中心点沉降量。经计算，基础中心点沉降最大值278 mm，超过规范最大的允许沉降值200 mm。天然地基不能满足地基承载力和地基变形的要求，应进行地基处理，可供采用的基础方案如下。

3.2.1 常规桩基方案

3.2.2 疏桩基础方案

拟采用φ400 PHC管桩，按桩间距2.6 m和2.8 m布置，基础

底板面积为(32.2×15.4)m2，共布桩13×6=78根，取常规桩基设计总桩基承载力的1/3作为疏桩桩基承载力Nk=580 kN×136/3=26 293 kN，单桩承载力需要Ra=Nk/78=337 kN,取桩长10 m，进入桩基持力层④层土1 m，计算单桩承载力特征值为Ra=350 kN，与拟用的单桩承载力符合，可以按此式算。底板底附加荷载准永久值为39 275 kN。

桩基承台总净面积：

Ac=32.2×15.4-0.4×0.4×3.14/4×91=486 m2。

假设天然地基平均附加应力：

Po=1.3×(39 275-78×350)/486=32 kPa。

按桩基规范减沉复合疏桩基础中点沉降公式计算出基础中心点最大沉降Ss=103 mm，等效距径比Sa/d=6.6，平均桩侧极限摩阻力为40 kPa，平均压缩模量为3.82 MPa。

基础中心(桩土相互作用产生)最大沉降为：

Ssp=280×40×0.4/(3.82×6.6×6.6)=27 mm。

基础中心点最大沉降为：

S=1.0×(103+27)=130 mm<200 mm。

沉降满足要求。

桩数校核按式(2)计算：

(58 687-0.65×110×486)/350=68。

满足要求。

据此计算需要布桩φ400 PHC管桩78根，每根桩长10 m。

根据以上计算结果，发现疏桩基础方案相比常规桩基础方案，桩基工程量大幅度减小，φ400 PHC管桩由136×16=2 176 m减小为78×10=780 m，节省了大约64%的用桩量，基础沉降量控制在合理的范围，能满足建筑物的使用要求。因此采用疏桩基础方案是经济、安全、合理的。

4 结语

1)深厚软土桩基处理应该树立两种设计思路：以承载力控制设计的思路和以沉降控制设计的思路。

2)对于荷载不大，面积较大的机械通风冷却塔基础，在深厚软土中采用疏桩基础是可行的。

3)疏桩基础以沉降控制设计，桩长对沉降影响最大，提出新的疏桩基础设计步骤是可行的。

4)疏桩基础充分发挥天然地基和桩的潜力，是安全合理、造价经济、概念先进的桩基设计新形式。

[1] JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[2] DG J08-11—1999，地基基础设计规范[S].

[3] 龚晓南.地基处理手册[M].第3版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4] 龙 鹏.减沉复合疏桩基础在水池结构中的应用探讨[J].特种结构，2010(6)：167-173.

Application of sparse pile foundation in mechanical ventilation cooling tower structure

Ye Jiye

(YingdeAirGroupCo.,Ltd,Hangzhou310015,China)

Combining with pile foundation design concept, the paper introduces the identification and design methods of sparse pile foundation. Taking the mechanical ventilation cooling tower structure engineering as an example, it compares common pile foundation scheme to sparse pile foundation scheme, and points out that: sparse pile foundation fully plays the potential of natural foundation and pile. Therefore, it is a new economic, safe and scientific pile foundation design form.

sparse pile foundation, pile foundation design, cooling tower structure, bearing capacity

1009-6825(2016)10-0080-02

2016-01-29

叶基业(1980- )，男，工程师

TU473.1

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