摘 要:在烟囱送桩施工完成后,准备承台施工时,经测试部分桩失效,经研究采取了一些技术措施,避免重新补桩,使桩基的计算符合规范要求。
关键词:120m高钢筋混凝土烟囱 桩失效 偏心弯矩 承台 移重心
1 工程概况
在一钢公司2×132m2烧结工程主烟囱送桩施工完成后,准备承台施工时,经动测试验发现有11根桩为ⅲ级桩,总桩数共44根,为此设计提出需补桩11根,但桩基已施工完毕,如要补桩,要重新处理基础,打桩机重新进出场,工期长,成本高,施工也不方便,尤其是一旦施工,周围道路不通畅,将影响整个工程的施工进度,有关部门提出不补桩,要求采用其它处理办法。120m高主烟囱作为高耸建筑物,地基处理是不容忽视的,必须认真对待,在经过认真仔细地计算后,认为可采取一定的处理办法,使烟囱桩基的计算符合规范要求,而避免重新补桩,当然这需要有效的现场处理方案,才能予以解决。最后在没有补桩的情况下,采取了借重心和增设承台底部环梁的措施,使烟囱桩基符合设计规范要求。现在烟囱建成至今已有一年,桩基的沉降符合规范要求,应该说是比较成功的现场处理实例。在本工程中,烟囱高达120m,上口外径为5•9m,底部外径为13•5m,钢筋混凝土筒身,筒壁厚度顶部为200mm,下部为400mm,耐火隔热垫层厚8mm,烟囱承台为圆形,直径为19m,桩基承台厚4 100mm(见图1、图2),桩顶以上结构自重约为55 000kn,承台下设桩44根,长59m,其中将桩顶部位1•5m剥出钢筋后伸入承台内锚固,所有桩按承台圆心对称布置,烟囱下地基为ⅱ类场地土,抗震设防为7度。
图1 烟囱立、剖面
1-信号平台;2-直爬梯
图2 承台平、剖面
1-承台底部环梁;2-原承台中心;3-移位后承台中心;
4-c10素混凝土垫层;5-12@150mm;6-12@300mm;
7-3-20mm;8-2-14mm;9--16@200mm;10-4-25mm
2 桩身失效的原因分析及低应变动测数据
在烟囱送桩施工中,发现在桩身施焊时,遇有雨季情况,甲方人员提出桩身质量能否保证的问题。因为在雨中施焊,会发生猝火现象,焊缝很可能达不到设计要求,因此责成施工单位对桩进行低应变动测试验。从动测试验的数据来看(见表1),在44根桩中有11根为ⅲ级桩,即有明显缺陷,影响桩身结构强度。主要是桩身接头损坏,从而验证了对桩身焊接有质量问题的推测。其余桩为ⅰ、ⅱ级桩,未发现有ⅳ级桩(即有严重缺陷的桩),ⅲ级桩在整个桩基中的平面分布
见图3。
图3 ⅲ级桩平面分布
3 处理方案的比较
方案一:废除ⅲ级桩,补桩11根,这种处理意见十分保险,不用再进行任何计算,即与原设计基本一致,只要重新调整桩位及承台的面积,就可达到设计要求,但桩机已出场,若要打桩必须重新进场,在现场基础范围内铺设道木。另外11根ⅲ级桩已打入地下,要补桩,只得扩大承台面积,满足补桩需要。包括新增11根桩,机械进出场费,延误工期等,损失也是十分可观的,最主要的是重新补桩,影响了现场的运输,场地平整不能按期完成,不能铺设道路,这样就拖延了整个烧结工程的工期。
表1 上钢一厂炼铁工程(烟囱)基础桩低应变动测速报
说明:根据《上海市钻孔灌注桩动测技术规范》,低应变动测桩身质量分为四类:
ⅰ:无缺陷的完整桩;
ⅱ:有轻度缺陷,但不影响或基本不影响原设计桩身结构强度的桩;
ⅲ:有明显缺陷,影响原设计桩身结构强度的桩;67120mm高钢筋混凝土烟囱部分桩身失效后的现场处理———王安安ⅳ:有严重缺陷的桩。
方案二:按最不利荷载组合(包括地震作用组合),按原设计图验算桩基承载力,如有富余,则根据实际情况对桩基及上部结构采取一定措施,不进行补桩,从而使整个桩基承载力满足设计规范要求,这样比较经济合理,并保证工期与道路运输。
4 设计计算及实际处理措施
4•1 设计验算的前提
(1)由动测报告可知,11根桩已影响了桩身强度,且节点已损坏,那么这11根桩是否还有承载能力,如有,其单桩承载力究竟有多少。施工单位提出,他们已对一ⅲ级桩做过试压试验,其单桩承载力完全达到正常桩的设计要求,其贯入度也符合规范要求,但我们认为由此并不能断定此观点的正确性,这些ⅲ级桩所有的薄弱环节均为焊接处的节头损坏,试想一旦发生地震,地层水平振动,这11根ⅲ级桩在节点损坏处,就有可能断裂错位,此时其单桩承载能力就可能不复存在,况且规范也规定ⅲ级桩不能作为正常桩使用。而震后,在正常使用时,对于高耸建(构)筑物来说,风荷载产生的弯矩非常大,那么原来由44根桩承受的上部荷载,现仅由33根桩来承担,此时的单桩承载力大大增加,桩基就会破坏,建造一个烟囱是百年大计,甚至更长,那么我们所考虑的设计与施工,也应符合规范和使用周期的要求,要考虑地震和再遇风载作用。所以最后的结论是:设计重新验算桩基的前提是不考虑这11根ⅲ级桩的承载能力。
(2)在不考虑补桩的情况下进行验算,利用结构本身的调整和加固处理,使整个桩基符合设计规范要求。
4•2 桩基验算
4•2•1 桩基与承台的偏心距计算
由于将11根ⅲ级桩作为废桩处理,那么原来以承台圆心为中心对称布置的44根桩,现在仅余33根,为非对称布置(去除ⅲ级桩后),见桩位平面图,也就是说群桩的形心与承台及烟囱筒身自重产生的长期作用荷载合力的重心不是重合的,简而言之,桩的形心线与长期作用荷载重心线产生偏心距,如要计算桩的单桩承载力,首先要计算出这个偏心距。根据力学中的有关公式及现有的桩位布置,不难计算出y方向的偏心距为200mm,在x方向的偏心距很小,可忽略。
4•2•2 风荷载作用计算
计算在风荷载作用下桩基产生的弯矩,风力是烟囱的主要荷载,对于风荷载可分段计算,它作用在每节段烟囱身上的量值pwi按下式计算:
pwi=bzusuzwohid+d′2
式中 wo———基本风压值;
us———风载体形系数;
uz———风压高度变化系数(按荷载规范要求);
bz———z高度处的风振系数(按荷载规范要求);
di、d′i———i段筒身上、下外径;
hi———i段筒身高度。
mw=pw1hw1+pw2h2+……pwihi算得风载引起的桩顶面总弯矩约为83 100kn•m。
4•2•3 烟囱水平地震作用计算
抗震规范规定,在7度设防区,高于60m的烟囱式构筑物需计算水平地震作用,烟囱底部由水平地震作用标准值产生的总弯矩及剪力分别为:
m0=α1gkh0 v0=η0α1gk
式中 α1———水平地震影响系数;
gk———烟囱恒载标准值;
h0———桩顶至烟囱重心高度;
η0———烟囱底部的剪力修正系数。
算得桩顶总弯距为110 100kn•m。
4•2•4 单桩承载力验算
从4•2•2和4•2•3的计算结果可知,重力荷载+地震作用+风荷载的组合对桩起控制作用。计算桩的单桩垂直承载力时,需计算出底部弯矩和垂直重力总荷载n1,此处弯矩包括由地震水平荷载、φw=0•2风荷载组合荷载及垂直荷载因偏心200mm所产生的弯矩。垂直荷载为承台和上部结构的自重。按地基规范有关公式计算,承台边最大单桩垂直承载力为2 760kn,而允许单桩承载力为2 600kn,超过160kn,可见已超过规范要求,需设法处理。单桩的水平承载力及抗拔力的验算从略,均符合规范要求。
4•3 处理措施
(1)借重心。从计算结果看单桩垂直承载力已超过其允许承载力,但超过不多,桩顶总弯矩如减小,单桩承载力也会减小,而弯矩中包括了承台顶上部结构合力对桩的偏心产生的弯矩约为11 000kn•m,如果减小偏心距,弯矩就可减小,就可控制单桩承载力在允许范围内。况且按规范要求,桩位布置原则中提到:宜使群桩形心与长期作用荷载合力的重心相重合,所以借重心可以使桩形心与上部荷载重心重合,是一巧妙的处理措施之一,征得工艺专业人员的同意,我们将承台烟囱的中心位置朝y轴向移动200mm,使上部结构的重心与桩形心重合,减小了11 000kn•m弯矩的作用,即减小了边缘处单桩的最大承载力。
(2)在承台底部增设环梁一圈,并要求承台周围填土用砂石分层夯实,密实度≥95%,以增加结构抗侧力能力,这一措施施工方便、可行。采取了以上两个措施后,尚应注意到,单桩在地震作用效应组合承载时,单桩承载力可提高25%,n≤1•25r,我们再进行验算,边缘的最大单桩承载力能控制在允许单桩承载力的范围之内,因此烟囱桩基符合了设计规范要求。目前,该烟囱建成已有一年,未发现有超规范的沉降,得到了同行的好评与认可。
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