水利工程液化场地上管理用房设计探析

□张金涛 马晓丽

管理用房是水利工程中最主要人员活动与休息场所，根据使用功能的要求，现场由于场地的局限，只能布置在某些已完工河堤上或河堤附近，由于河堤是根据水利工程的相关规范进行施工，其压实系数与承载力往往不能满足建筑地基基础规范的相关要求，这样就不可避免的需要进行地基础处理，已达到相关承载力与沉降的要求，如何在地基处理设计中体现哪些参数和结构主体设计中应注意哪些构造措施等问题，结合石津灌区某管理用房的设计进行阐述，并提出对此类结构优化的几点建议。

1.工程概况

工程为河北省石津灌区某枢纽的一处管理用房，位于河堤之上，建筑造型为仿古的瓦坡屋面设计，结构形式为砌体结构，主体建筑高度3.6m，长16.400m，宽7.100m，基础形式为条形基础，由于受到场地的制约，在建筑场地左边距离河道3m左右，河道底高程约为32.93m,管理用房室内标高36.4m,高差3.5m左右，需考虑管理用房基础稳定性，又由地质勘察报告可知，地表以下大约1.5～4.8m左右均为壤土具有严重的液化等级，需要采取相应抗液化措施。

图1 基础底面外边缘线至坡顶的水平距离示意图

2.工程分析

根据甲方提供的地勘报告可知：抗震设防烈度：7度；设计基本地震加速度：0.15g；设计地震分组：第1组。建筑场地类别：Ⅲ类。由于右侧有铁路线，左侧有河道，所以这个管理用房用地受限，只能临近河道进行建设，而场地又存在严重液化，这就对该管理用房结构设计提出了很高的要求，首先《建筑地基基础设计规范》中对基础的稳定性要求基础底面外边缘距离坡顶的最小距离进行了规定，所以要进行验算分析。其次地基严重液化，按照《建筑抗震设计规范》要求需要进行地基处理，如何选择合适的方法进行地基处理才更有效，更易操作，更能减少造价，这两个方面的问题如何解决直接影响到工程的实施。

3.应注意问题及采取措施

3.1 地基稳定性验算分析

根据《建筑地基基础设计规范》5.4.2位于稳定土坡坡顶上的建筑，应符合下列规定：对于条形基础，当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m时，其基础底面外边缘钱至坡顶的水平距离应符合

a≥3.5b-d/tanβ

且a≥2.5m

式中：

a—基础底面外边缘钱至坡顶的水平距离(m)；

b—垂直于坡顶边捷钱的基础底面边长(m)；

d—基础埋置深度(m)；

β—边坡坡角（°）。

根据现场河道坡度为1∶2，代入数据 b=1200mm,d=1700mm,tanβ=1∶2；计算得a≥0.8m且≥2.5m最终取a≥2.5m。也就是基础外边缘线应该距离河堤顶部的距离不小于2.5m才能满足稳定性要求。见图1。

3.2 地基液化处理方案比选

根据地质勘察报告可知，场地地基液化等级为严重，按照《建筑抗震设计规范》4.3.6条文可知抗液化措施对于丙类建筑应全部消除液化沉陷或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理，根据地勘报告可知液化土层为深度大约1.5～4.8m壤土层，表层土为人工填土需要挖除，根据地基中存在可液化的土层，一般处理方式有以下3种：

一是振冲加密、强夯击实等人工加密，处理效果比较好，适用于所有液化土层，尤其是强夯法是利用重锤自由落体产生的动能压密土体，减少软弱土层的压缩性，大大提高土层的承载力，同时施工期间会对周围的建筑产生振动作用，由于管理用房右侧存在距离很近的河道，如果强夯处理可能会造成河堤边坡坍塌，同样振冲碎石法是利用振动器振动形成碎石桩，桩间土受到挤密从而提高桩间土的承载力，降低液化的可能，也是会造成河道边坡的失稳，不适合采用。

二是桩基，能够依靠可液化土层以下深部地层承载，能减少或消除发生不可接受液化沉降的可能，但桩基础不能防止由于侧向结构位移引起的损害，需要采取措施防止过大的侧向变形，对于此工程来说可彻底解决液化问题但造价过高，不适合采用。

三是挖除液化土层并用非液化土层置换，这种处理方式适用于浅层软弱土层，且下层有较好的土层处理厚度一般为3m左右。可以整体置填液化土层，也可部分置换填液化土层，若部分消除地基液化时，换填处理的深度应能使处理后的地基液化指数减少，其值不大于5。

下卧土层的承载力验算

式中：PZ—相应于作用的标准组合时，垫层底面处的附加压力值(kPa)；

PCZ—垫层底面处土的自重压力值(kPa)；

fCZ—垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值(kPa)。

条形基础垫层底面处的附加压力值PZ

表1 地基液化处理方案对比表

式中：b—条形基础底面的宽度(m)；

Pk—相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值(kPa)；

Pc—基础底面处土的自重压力值(kPa)；

z—基础底面下垫层的厚度(m)；

θ—垫层(材料)的压力扩散角(°)。

将灰土垫层压力扩散角θ=28°，基础宽度b=1.2m，垫层厚度z=2m，Pk=80kPa，Pc=1.7×18=30.6kPa，代入得 Pz=18.5kPa，又由Pcz=3.7×18=66.6kPa，faz=157kPa代入验算满足设计要求。

综合评价3种方法，采用振冲加密法则是完全消除液化沉陷，但是工期较长，成本较高；采用桩基处理效果很好但造价过高，工期过长不宜采用；采用换填法部分消除液化沉陷再对上部结构进行处理，造价降低，工期短，适用性好。

表1分析结果可以看出换填灰土法对于该工程更适合，主要原因是该工程的特殊性，左边3.5m～4m深的河道，若采用振冲挤密法，河堤边坡距离地基处理边界仅仅1.5m～2.5m对挤密效果有很大影响，主要表现在应力逐渐的松弛，处理效果一般，所以此工程地基处理方法：首先将基础范围内人工填土挖除，再在基础底面以下换填不小于2m深的3∶7灰土，压实系数不小于0.97，基础外边缘以外的处理宽度≥1m，处理后液化指数经计算满足规范要求。上部结构设计采用加设基础圈梁、加强顶部圈梁和局部增加构造柱等措施加强基础和上部结构的整体性和刚度。

4.结语

一是管理用房是水利工程中不可缺少的重要建筑物，由于其占地面积小，经常放在河堤上或者附近，这就对其地基处理和上部结构设计提出的更高的要求。如何避免基础距离开挖的河道太近引起的稳定性问题，如何处理液化场地对结构设计的影响，这些都是设计人员平时设计中应该引起重视的问题。

二是在设计过程中，有些设计人员只考虑设计安全性，常常保险起见选用桩基或者挤密桩处理液化地基，这样是能彻底消除液化沉陷，同时造成不必要的浪费。应综合各方面的因素，在确保设计的水工建筑物的安全性的同时，还要降低造价，把地基处理设计得更加可靠和经济。

三是此工程采用了换填垫层法且同时进行结构的整体刚度加强处理方式，达到了预期效果，为降本增效的智慧水利提供了有意义的参考。