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【摘 要】本文通过对河南荥阳灰岩矿骨料生产线工程成品装车仓基础设计进行分析总结，分析筏板式基础设计要点及存在的问题，并采取相应处理措施，为上部框架式结构梁板式筏形基础设计提供参考。
【关键词】筏形基础；基承载力；地基处理；JCCAD
1 前言
建筑物基础选型应根据地基土质、上部结构体系、柱距、荷载大小、使用要求以及施工条件等因素确定。基础布置形式分为独立基础、条形基础和筏形基础，其中筏板基础主要优点有：1）可充分发挥地基承载力；2）筏板基础沉降小，调整地基不均匀沉降能力强；3）施工方便且造价低。筏板基础的主要结构形式有平板式筏基和梁板式筏基，包括等厚度或变厚度底板和纵横向肋梁。本文以河南荥阳灰岩矿骨料生产线工程成品装车仓（以下简称：成品装车仓）基础设计为例，对筏板基础的设计进行分析总结。
2 工程概况
河南荥阳灰岩矿骨料生产线位于河南省荥阳县，处理能力5000t/h，包括破碎车间、筛分车间、调节料仓、成品库以及装车仓等。本项目为其中成品装车仓，共6座，由于6座成品装车仓地理位置接近，结构布置形式一致，因此仅对单座成品装车仓进行设计。成品装车仓为单排群仓，包含三个锥斗仓。主体为三层框架结构，结构轴线尺寸19.5×6.5m，单个锥斗仓轴线尺寸6.5×6.5m。成品装车仓建筑总高度15.85m，一层层高7.45m，布置除尘器、散装机等设备；二层层高6.19m，布置锥斗仓，主要为料堆重量和锥斗仓传递荷载；三层层高2.21m，布置钢平台，除尘器等，另成品装车仓底部布置三台汽车衡，设备重量20t，最大称量100t。根据设备厂家要求，汽车衡基础同为成品装车仓基础，布置为筏板式，因上部荷载较大，采用梁板式筏形基础。
根据地勘报告，成品料仓位于荥阳市贾峪镇邢村国联矿山内，场地标高334.77m～343.85m，高差9.08m，地貌单元属低山丘陵。场地土层分布自上而下分别为：①杂填土层，厚度0.5m～15.0m，平均厚度9.36m，为矿渣，以石块、砾石、石粉为主，粉土、粉质粘土填充；②粉质粘土层，厚度0.9m～9.2m，平均厚度4m，承载力特征值为200kPa，压缩模量建议值7MPa；③灰岩，中风化，单轴饱和抗压强度平均值89.5MPa。
3 筏板基础的结构设计
3.1 基础埋深的确定
基础埋深取决于上部结构特性、地基土性质和冻胀性、相邻房屋和构筑物基础埋深的影响等。埋置深度的确定需满足承载力、变形、稳定以及上部结构抗倾覆等要求。根据成品装车仓的工程特点，筏板基础上部需布置三台最大称量100t汽车衡，因此确定最小基础埋深为1.55m加筏板基础板厚，在此基础根据该深度结合基底土层的岩土工程性质，进行筏板基础的地基承载力及沉降计算，确定是否可行。经过验算，成品装车仓基础埋深确定为2.05m。
3.2 筏板基础的地基承载力验算
筏板基础的地基持力层选为①杂填土层，为矿渣，以石块、砾石、石粉为主，采取地基处理或者其他有效措施，处理后地基承载力特征值要求大于250kPa，根据《地基规范》5.2.4条，计算修正后地基承载力特征值≥350kPa，经承载力校核结果显示均满足要求。
3.3 筏板基础厚度确定
筏板基础的厚度由抗冲切和抗剪强度确定，同时要满足抗渗要求。对于荷载较大的柱，筏板厚度通过冲切承载力计算不能满足要求时，可将筏板局部加厚、增设柱墩、设置加强板带（配置暗梁和抗冲切箍筋）来提高抗冲切承载力，避免因为少数柱而将整个筏板加厚。成品装车仓筏板厚度为500mm，部分轴力较大的柱，柱下板底加墩，柱墩尺寸1.6m×1.6m，厚度300mm，经计算，抗冲切满足规范要求。
3.4 筏板基础的平面布置
依据地基规范：8.4.2“筏形基础的平面尺寸，应根据工程地质条件、上部结构的布置、地下结构底层平面以及荷载分布等因素及有关规定确定”，“地基土比较均匀的条件下，基底平面形心宜与结构竖向永久荷载重心重合。当不能重合时，在作用的准永久组合下，偏心距e宜符合下式规定：e≤0.1W/A”。依据此规定，在保证底板厚度由抗冲切和抗剪强度验算确定的前提下，筏板基础宜设置悬挑，挑出宽度由地基条件、柱距、荷载大小，使地基反力与建筑物重心重合或尽量减少偏心等因素综合确定，一般情况下，挑出宽度为边跨柱距的1/4～1/3。因此成品装车仓筏板基础设计成悬挑板，一侧挑出2000mm，另三侧挑出900mm，使用JCCAD重心校核顯示筏板偏心信息：SATWE准永久组合下荷载的偏心距比值（即e≤0.1W/A，此值不宜大于1.0）为0.86，即满足规范要求。
3.5 筏板基础内力计算
筏板基础的计算模型包括弹性地基梁板模型与倒楼盖模型，其中前者是工程设计常用模型，虽然简单，但受力明确；后者为应用最广泛的一种简化计算方法，适用于地基较均匀，上部结构刚度较好，轴力及柱距相差不大等情况，缺点是没有考虑筏板整体弯曲，计算值可能偏不安全。成品装车仓筏板基础内力采用弹性地基梁板模型进行分析计算。
在基础设计考虑上下部结构共同作用可以比较准确反应实际受力情况，当上部结构刚度相对基础平面外刚度大时，对筏板内力和配筋影响大，反之，小时，影响小。考虑上部结构-基础-地基的共同作用，使结构整体受力分析更为合理，但同时增加了计算时间与分析成本。
由于上部结构为三层框架结构，相对于基础平面外刚度不算大，因此计算时筏板基础只接收上部结构传递荷载，根据基础自身刚度和地基情况变形，不考虑上部结构刚度对筏板基础的影响。
基础计算采用的JCCAD提供板元法与梁元法两种计算方法，梁元法将筏板按梁肋离散化为T形或矩形截面的等效交叉梁系，对等效交叉梁系按弹性地基梁方法求解内力，然后将底板作为周边支撑在梁或墙上的矩形或异形板处理。由于整体弯矩已由梁承担，故对板仅做局部弯矩计算。梁元法对于梁板结构中梁的刚对相对比较大（板厚与肋高比小于0.5时）是合适的，当板厚与肋高比大于0.5时，特别是板厚与肋高接近时，按四边固支的板计算模式会造成板的配筋过多。板元法将结构划分为板单元，按板有限元方法求解。采用板元法分析梁筏基础，未对结构模型做任何简化，用8节点等参元或三角形6节点中厚板单元（可考虑板的剪切变形）模拟筏板，肋梁采用与筏板相同的形函数以保证边界的协调。一般来说单元划分的越细，计算结果越逼近精确解。成品装车仓筏板基础底板厚500mm，设置300mm×800mm地基梁，板厚与肋高比0.625，宜采用板元法计算。 成品装车仓筏板基础计算接力成品装车仓上部结构计算SATWE模块，将筏板基础划分为1m×1m板单元。经过内力分析，在结果显示中，可以读取各种工況下的反力图，标准组合非地震工况，最大反力在130kPa～287kPa之间，标准组合地震工况，最大反力为317kPa，均小于修正后的地基承载力，满足设计要求。依据计算后的内力配筋等值线图，成品装车仓筏板配筋为底层双向配筋 22@200，面层双向配筋 20@180，地基梁同样依据计算结果中显示配筋量图来进行配筋。
3.6 基础沉降变形
弹性地基梁计算可采用两种地基模型，即文克尔地基模型和广义文克尔地基模型，前者的假设为将地基土假设为无穷多个相互独立的弹簧，不考虑土体之间的相互作用，地表受到法向荷载作用后，仅荷载作用点下方的土体发生变形，与周围地层无关，后者假设通过调整弹簧刚度来考虑地基土之间的相互作用。成品装车仓筏板基础采用天然地基下文克尔地基模型进行分析计算。
验算地基变形，关键在于选择合理的基床反力系数K值，基床反力系数K与土的类型及下卧土层类别、基础面积的大小和形状、基础的埋置深度等因素有关。基床反力系数K的大小直接影响到地基反力的大小和基础内力，因此合理确定此参数大小显得十分重要。确定基床反力系数K值的计算方法有静载试验法、按基础平均沉降Sm反算以及经验值法等。由于提供地质资料不完整，难以通过前两种方法进行计算，因此采用《JCCAD用户手册》中附录C基床反力系数推荐值结合相关资料进行估算，取基床反力系数K值为10000kN/m3。采用JCCAD模块板元法下沉降结果试算，准永久组合下，总面荷载值为157.36kN/m2，平均沉降S为15.74mm。采用经验值法计算出的K值不仅受人为因素的影响较大，而且其考虑因素比较粗糙，因此计算出平均沉降S值正确性有待考证。
4 筏板基础构造措施与地基处理
4.1 筏板基础构造措施
按照规范规定，筏板基础受力筋应满足0.15%的配筋率要求，筏板板筋宜双向双层配置，局部柱距较大及内力较大处钢筋间距可适当加密，筏板厚度变化处或标高变化处，宜采用放斜角平滑过渡，避免应力集中。
4.2 筏板基础的地基处理
当筏板基础在天然地基下不足以承受荷载，可以考虑对地基进行加固处理，常用的地基处理方法有“换填法”、“复合地基法”，“换填法”采用低等级的素混凝土或采用碎石、卵石等材料进行碾压或振密处理。成品装车仓地基处理采用“换填法”，换填区域开挖至设计高程后要求用振动碾将基底压实，压实度要求大于90%，然后换填1：1的粗砂碎石用振动碾分两层压实，再进行混凝土施工，地基承载力要求大于250kPa。处理后经深度与厚度修正的地基承载力特征值≥350kPa，满足设计要求。
5 结语
（1）基础设计是结构设计中重要一环，设计合理性关系到建筑物的安全使用、施工工期和造价。设计过程中应合理选择基础形式，根据工程地质情况、上部结构体系、柱距、荷载、施工条件等综合比较确定。
（2）基础设计应该综合考虑上部结构形式、上部结构传递荷载大小和性质、地基模型等因素，合理选择筏板基础设计方法，以求结构设计的安全、经济。
（3）沉降计算受多种因素影响和限制，达到精确计算较为困难，筏板基础应用若能妥善解决建筑结构沉降问题，对节约工程造价和缩短工期体现很大的优越性。
参考文献：
[1] GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2011
[2] 郭继武 《地基基础设计简明手册》【M】.1版.北京：机械工业出版社，2007
[3] PKPM V3.1软件说明书-地基基础建模与计算设计软件 JCCAD
（作者单位：中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司）
【关键词】筏形基础；基承载力；地基处理；JCCAD
1 前言
建筑物基础选型应根据地基土质、上部结构体系、柱距、荷载大小、使用要求以及施工条件等因素确定。基础布置形式分为独立基础、条形基础和筏形基础，其中筏板基础主要优点有：1）可充分发挥地基承载力；2）筏板基础沉降小，调整地基不均匀沉降能力强；3）施工方便且造价低。筏板基础的主要结构形式有平板式筏基和梁板式筏基，包括等厚度或变厚度底板和纵横向肋梁。本文以河南荥阳灰岩矿骨料生产线工程成品装车仓（以下简称：成品装车仓）基础设计为例，对筏板基础的设计进行分析总结。
2 工程概况
河南荥阳灰岩矿骨料生产线位于河南省荥阳县，处理能力5000t/h，包括破碎车间、筛分车间、调节料仓、成品库以及装车仓等。本项目为其中成品装车仓，共6座，由于6座成品装车仓地理位置接近，结构布置形式一致，因此仅对单座成品装车仓进行设计。成品装车仓为单排群仓，包含三个锥斗仓。主体为三层框架结构，结构轴线尺寸19.5×6.5m，单个锥斗仓轴线尺寸6.5×6.5m。成品装车仓建筑总高度15.85m，一层层高7.45m，布置除尘器、散装机等设备；二层层高6.19m，布置锥斗仓，主要为料堆重量和锥斗仓传递荷载；三层层高2.21m，布置钢平台，除尘器等，另成品装车仓底部布置三台汽车衡，设备重量20t，最大称量100t。根据设备厂家要求，汽车衡基础同为成品装车仓基础，布置为筏板式，因上部荷载较大，采用梁板式筏形基础。
根据地勘报告，成品料仓位于荥阳市贾峪镇邢村国联矿山内，场地标高334.77m～343.85m，高差9.08m，地貌单元属低山丘陵。场地土层分布自上而下分别为：①杂填土层，厚度0.5m～15.0m，平均厚度9.36m，为矿渣，以石块、砾石、石粉为主，粉土、粉质粘土填充；②粉质粘土层，厚度0.9m～9.2m，平均厚度4m，承载力特征值为200kPa，压缩模量建议值7MPa；③灰岩，中风化，单轴饱和抗压强度平均值89.5MPa。
3 筏板基础的结构设计
3.1 基础埋深的确定
基础埋深取决于上部结构特性、地基土性质和冻胀性、相邻房屋和构筑物基础埋深的影响等。埋置深度的确定需满足承载力、变形、稳定以及上部结构抗倾覆等要求。根据成品装车仓的工程特点，筏板基础上部需布置三台最大称量100t汽车衡，因此确定最小基础埋深为1.55m加筏板基础板厚，在此基础根据该深度结合基底土层的岩土工程性质，进行筏板基础的地基承载力及沉降计算，确定是否可行。经过验算，成品装车仓基础埋深确定为2.05m。
3.2 筏板基础的地基承载力验算
筏板基础的地基持力层选为①杂填土层，为矿渣，以石块、砾石、石粉为主，采取地基处理或者其他有效措施，处理后地基承载力特征值要求大于250kPa，根据《地基规范》5.2.4条，计算修正后地基承载力特征值≥350kPa，经承载力校核结果显示均满足要求。
3.3 筏板基础厚度确定
筏板基础的厚度由抗冲切和抗剪强度确定，同时要满足抗渗要求。对于荷载较大的柱，筏板厚度通过冲切承载力计算不能满足要求时，可将筏板局部加厚、增设柱墩、设置加强板带（配置暗梁和抗冲切箍筋）来提高抗冲切承载力，避免因为少数柱而将整个筏板加厚。成品装车仓筏板厚度为500mm，部分轴力较大的柱，柱下板底加墩，柱墩尺寸1.6m×1.6m，厚度300mm，经计算，抗冲切满足规范要求。
3.4 筏板基础的平面布置
依据地基规范：8.4.2“筏形基础的平面尺寸，应根据工程地质条件、上部结构的布置、地下结构底层平面以及荷载分布等因素及有关规定确定”，“地基土比较均匀的条件下，基底平面形心宜与结构竖向永久荷载重心重合。当不能重合时，在作用的准永久组合下，偏心距e宜符合下式规定：e≤0.1W/A”。依据此规定，在保证底板厚度由抗冲切和抗剪强度验算确定的前提下，筏板基础宜设置悬挑，挑出宽度由地基条件、柱距、荷载大小，使地基反力与建筑物重心重合或尽量减少偏心等因素综合确定，一般情况下，挑出宽度为边跨柱距的1/4～1/3。因此成品装车仓筏板基础设计成悬挑板，一侧挑出2000mm，另三侧挑出900mm，使用JCCAD重心校核顯示筏板偏心信息：SATWE准永久组合下荷载的偏心距比值（即e≤0.1W/A，此值不宜大于1.0）为0.86，即满足规范要求。
3.5 筏板基础内力计算
筏板基础的计算模型包括弹性地基梁板模型与倒楼盖模型，其中前者是工程设计常用模型，虽然简单，但受力明确；后者为应用最广泛的一种简化计算方法，适用于地基较均匀，上部结构刚度较好，轴力及柱距相差不大等情况，缺点是没有考虑筏板整体弯曲，计算值可能偏不安全。成品装车仓筏板基础内力采用弹性地基梁板模型进行分析计算。
在基础设计考虑上下部结构共同作用可以比较准确反应实际受力情况，当上部结构刚度相对基础平面外刚度大时，对筏板内力和配筋影响大，反之，小时，影响小。考虑上部结构-基础-地基的共同作用，使结构整体受力分析更为合理，但同时增加了计算时间与分析成本。
由于上部结构为三层框架结构，相对于基础平面外刚度不算大，因此计算时筏板基础只接收上部结构传递荷载，根据基础自身刚度和地基情况变形，不考虑上部结构刚度对筏板基础的影响。
基础计算采用的JCCAD提供板元法与梁元法两种计算方法，梁元法将筏板按梁肋离散化为T形或矩形截面的等效交叉梁系，对等效交叉梁系按弹性地基梁方法求解内力，然后将底板作为周边支撑在梁或墙上的矩形或异形板处理。由于整体弯矩已由梁承担，故对板仅做局部弯矩计算。梁元法对于梁板结构中梁的刚对相对比较大（板厚与肋高比小于0.5时）是合适的，当板厚与肋高比大于0.5时，特别是板厚与肋高接近时，按四边固支的板计算模式会造成板的配筋过多。板元法将结构划分为板单元，按板有限元方法求解。采用板元法分析梁筏基础，未对结构模型做任何简化，用8节点等参元或三角形6节点中厚板单元（可考虑板的剪切变形）模拟筏板，肋梁采用与筏板相同的形函数以保证边界的协调。一般来说单元划分的越细，计算结果越逼近精确解。成品装车仓筏板基础底板厚500mm，设置300mm×800mm地基梁，板厚与肋高比0.625，宜采用板元法计算。 成品装车仓筏板基础计算接力成品装车仓上部结构计算SATWE模块，将筏板基础划分为1m×1m板单元。经过内力分析，在结果显示中，可以读取各种工況下的反力图，标准组合非地震工况，最大反力在130kPa～287kPa之间，标准组合地震工况，最大反力为317kPa，均小于修正后的地基承载力，满足设计要求。依据计算后的内力配筋等值线图，成品装车仓筏板配筋为底层双向配筋 22@200，面层双向配筋 20@180，地基梁同样依据计算结果中显示配筋量图来进行配筋。
3.6 基础沉降变形
弹性地基梁计算可采用两种地基模型，即文克尔地基模型和广义文克尔地基模型，前者的假设为将地基土假设为无穷多个相互独立的弹簧，不考虑土体之间的相互作用，地表受到法向荷载作用后，仅荷载作用点下方的土体发生变形，与周围地层无关，后者假设通过调整弹簧刚度来考虑地基土之间的相互作用。成品装车仓筏板基础采用天然地基下文克尔地基模型进行分析计算。
验算地基变形，关键在于选择合理的基床反力系数K值，基床反力系数K与土的类型及下卧土层类别、基础面积的大小和形状、基础的埋置深度等因素有关。基床反力系数K的大小直接影响到地基反力的大小和基础内力，因此合理确定此参数大小显得十分重要。确定基床反力系数K值的计算方法有静载试验法、按基础平均沉降Sm反算以及经验值法等。由于提供地质资料不完整，难以通过前两种方法进行计算，因此采用《JCCAD用户手册》中附录C基床反力系数推荐值结合相关资料进行估算，取基床反力系数K值为10000kN/m3。采用JCCAD模块板元法下沉降结果试算，准永久组合下，总面荷载值为157.36kN/m2，平均沉降S为15.74mm。采用经验值法计算出的K值不仅受人为因素的影响较大，而且其考虑因素比较粗糙，因此计算出平均沉降S值正确性有待考证。
4 筏板基础构造措施与地基处理
4.1 筏板基础构造措施
按照规范规定，筏板基础受力筋应满足0.15%的配筋率要求，筏板板筋宜双向双层配置，局部柱距较大及内力较大处钢筋间距可适当加密，筏板厚度变化处或标高变化处，宜采用放斜角平滑过渡，避免应力集中。
4.2 筏板基础的地基处理
当筏板基础在天然地基下不足以承受荷载，可以考虑对地基进行加固处理，常用的地基处理方法有“换填法”、“复合地基法”，“换填法”采用低等级的素混凝土或采用碎石、卵石等材料进行碾压或振密处理。成品装车仓地基处理采用“换填法”，换填区域开挖至设计高程后要求用振动碾将基底压实，压实度要求大于90%，然后换填1：1的粗砂碎石用振动碾分两层压实，再进行混凝土施工，地基承载力要求大于250kPa。处理后经深度与厚度修正的地基承载力特征值≥350kPa，满足设计要求。
5 结语
（1）基础设计是结构设计中重要一环，设计合理性关系到建筑物的安全使用、施工工期和造价。设计过程中应合理选择基础形式，根据工程地质情况、上部结构体系、柱距、荷载、施工条件等综合比较确定。
（2）基础设计应该综合考虑上部结构形式、上部结构传递荷载大小和性质、地基模型等因素，合理选择筏板基础设计方法，以求结构设计的安全、经济。
（3）沉降计算受多种因素影响和限制，达到精确计算较为困难，筏板基础应用若能妥善解决建筑结构沉降问题，对节约工程造价和缩短工期体现很大的优越性。
参考文献：
[1] GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2011
[2] 郭继武 《地基基础设计简明手册》【M】.1版.北京：机械工业出版社，2007
[3] PKPM V3.1软件说明书-地基基础建模与计算设计软件 JCCAD
（作者单位：中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司）