多元复合地基（精选8篇）
多元复合地基 篇1
前言:由于我国在地质条件相对多样, 这在一定程度上使得地基工程面临复杂的施工环境, 在这种情况下, 单一的地基工程处理方式已经不能够应对所有情况, 所以利用多元化复合地基来针对地基工程进行具体处理, 将能够使得地基工程的整体性能得到优化, 从而改善高层建筑的整体工程质量。这样一来, 不仅工程结构能够更加科学合理, 同时地基工程的性能也将变得更加优良。
一、工程概况
本文以某住宅小区工程建筑为例。该工程类型属于住宅小区, 其中有多个楼层以及地库[1]。其中的两层楼对承载力作出明确要求, 需要在进行深度修复后, 保证特征值, 使其深度修正值能够达到40k Pa, 除此之外无需进行修正。在此基础上也明确了对建筑物的最大沉降量的限制, 在长期重力作用不能够超过80mm。
这一工程主要是地基工程, 在地库处存在着很大的采砂坑, 并且最大深度已经达到16.7米, 但是已经通过回填处理, 使得坑与地表相互持平, 在开掘之后能够发现, 在基础持力层位置总体来讲是由素填土填充, 同时还有杂填土层, 并且土层的整体厚度很大, 并不是由单一土种构成, 整体分布也不均匀, 同时还没有形成固结, 因此承载力特征值很小。同时, 还有一部分地基工程的基础持力层由天然卵石填充, 并且每一楼座的地基承载能力都十分薄弱, 总沉降量也没有达到预期的设计要求, 这就需要针对地基工程进行具体的加固处理。
二、工程的系统地质条件
这一工程整体上处于河冲洪积扇位置, 施工地点主要有碎石组成基础底层[2]。第四纪沉积物在整体厚度上还没有超过50米, 施工地点原为民房建筑, 同时还有少面积菜地, 从地形角度看整体上算是平坦。钻孔的孔口位置地面部位的标准高度为53米左右, 针对拟建厂区进行进行土层深度分解, 从深度上划分能够分为三类, 首先是人工堆积层, 其次是新近沉积层, 最后是第四纪沉积层。
从地层的岩性角度研究, 人工堆积层的最大厚度已经达到16.7米, 并且由粉土填土构成, 同时还有房渣土以及卵石[3]。再下面的位置就是新近堆积层, 主要由砂质粉土构成, 同时还有少量粘质粉土, 除此之外, 还分别分布着卵石圆砾层以及粉细砂层, 除此之外还有中砂层以及细中砂层。通过对施工场地进行详细勘测, 未发现地下水存在。
三、地基处理方案
通过全面系统的施工场地地质勘察, 能够了解到场地回填土在岩土工程力学方面的整体特性较差, 首先, 回填土由多种不同土质构成, 成分总体来讲相对复杂, 不仅有粉土填土, 还有房渣土, 同时还有卵石填土。其次, 地基的土质结构整体上呈现出松散状态, 并且没有形成固结, 并且承载力特征值很小, 有着相对较低的含汇率, 但是孔隙率较大, 存在着很大的压缩性, 同时差异性也很大。最后, 回填土层的总体厚度过后, 超出标准规格。
在这种情况下, 针对地基工程进行具体的设计以及施工时, 就存在着很大难度, 利用单一方式进行地基的具体处理已经很难实现工程的设计构想, 如果进行强行的常规施工, 将会产生很大程度的成本消耗。
在针对其中一个楼层进行地基工程处理时, 对结构设计的具体要求进行了全面考虑, 并且仔细勘察了地质条件, 在这种情况下进行地基处理方案的具体选择时, 可以利用钻孔灌注桩复合地基的技术方案进行处理, 或者利用混凝土桩复合地基的技术方案进行具体处理, 除此之外, 还可以通过两种方案相结合的方式进行具体的地基工程处理。如果在施工场地存在着一定数量的灰渣土或者天然级配砂石, 就应该对这些资源进行科学充分的利用, 这样一来就能够使得地基处理方案得到优化, 极大节约了经费投入。
单纯的利用钻孔灌注桩复合地基的技术处理方案, 尽管桩体能够展现出良好的承载性能, 同时还能够对最大沉降量做到很好的控制, 但是只有端部位置的砂卵石发挥了承载的性能, 却不能够使得桩间土存在的压缩性得到有效降低, 这样一来高地基土的整体承载性能并没有提高。
如果单纯利用混凝土桩针对地基工程进行处理, 同样能够表现出良好的承载性能, 还能够对最大沉降量做到有效控制, 同时还能够将地基土进行一定程度上的挤密处理。这样一来就能够使得地基土存在的压缩性得到极大程度的降低, 从而使得高地基土的总体承载性能得到强化, 并使得桩底得到夯实, 但是却并不能使得渣土资源得到充分有效的利用, 从而造成资源浪费。
如果单纯利用挤密灰渣土桩进行地基工程处理时, 通过对地籍图的机密处理能够使其中存在的压缩性明显降低, 这样一来整体的承载性能就能够得到强化, 并且能够对场地中的有关资源进行科学充分的利用, 但是由于高层建筑对整体性能的要求极高, 即使这种方式能够满足建筑工程对承载力的要求, 但是十分有限。在这种情况下, 就应该利用多元桩复合地基来针对地基工程进行具体处理, 这样一来就能够将以上三种方式中的优点进行结合, 从而形成了最佳的解决方案。
四、多元桩施工
在针对地基进行具体处理时, 首先要进行定位放线, 并且进行完整的满夯, 同时对场地的标准高度进行具体测量, 从而确定桩位, 通过施测使桩位点更加精确, 然后针对灰渣土进行具体的混合料搅拌等等。
在具体制作灰渣土桩的环节中, 要选用白灰, 同时还有渣土以及少量天然级配砂石[4]。白灰需要选择块灰, 并且要在施工现场进行浇水使其粉化, 同时以渣土和少量天然级配砂石作为土原料。从体积上对两者的比例进行合理控制, 同时利用铲车进行具体拌料处理, 并且对素土进行筛选处理。在这一环节中做好灰渣土整体含水量的控制, 使其能够保持在适当的粘度上, 并且要通过搅拌使两者能够达到均匀状态。
五、多元桩复合地基检测
通常情况下, 静载荷试验是最常用的检测方式, 通过这种方式能够有效检测出多元桩复合地基在施工完成之后, 能否符合标准的设计要求, 这种方式不仅简单, 而且更加直接和有效。在这种情况下, 工程正式竣工之后, 通过相关的勘察设计单位对工程进行具体的荷载试验, 并且针对混凝土低应变动力进行了具体检测, 最终结果表明, 这种方式的地基工程处理, 能够使得地基工程得到整体优化。不仅桩体能够保持一定的完整性, 质量也过关, 并且整体性能已经达到了优良桩的标准。通过具体的静载荷试验, 整体的曲线呈现出一种弹性形变的状态, 通过对荷载以及沉降量数据的具体检测, 能够明显发现承载性能得到了强化, 对沉降的整体控制效果也十分理想。由此可见, 利用多元桩复合地基能够在高层建筑中取得明显效果, 使得地基工程的整体性能得到全面优化。
结语:针对高层建筑进行具体地基工程处理的施工方案有很多种, 并且各有千秋, 表现出不同的优越性能, 在这种情况下, 可以针对工程的实际要求以及具体条件进行方案选择, 但是如果高层建筑对地基工程的要求较高, 只有通过多元桩复合地基的方式, 才能够使得地基工程得到系统性优化。
参考文献
[1]孙志军, 王英燕.多元桩复合地基在高层建筑地基处理中的应用[J].武汉理工大学学报, 2012, 2 (12) :10-13.
[2]于素红.高强复合地基载荷试验成果的分析与应用研究[J].广州大学学报, 2012, 2 (05) :08-10.
探讨长短桩复合地基的实际应用 篇2
【关键词】长短桩复合地基；高层建筑；液化地基；承载力；沉降
长短桩的复合地基指的是利用两种以上的不同长度竖向的增强体以及桩体来增强地基土层，提升地基荷载能力的一种地基处理措施。这种措施不但能够有效的解决土层液化现象严重的问题，还能够对复合地基的承载力以及沉降进行改善。这一施工技术是近新兴的复合地基处理技术。在使用长短桩复合地基技术进行施工的过程中，其长短桩主要是通过不同材料制造而成，再将不同桩体进行组合。下文主要对使用CFG桩体来与碎石桩进行长短不同的组合，将其应用到液化土层中的案例进行了研究。
0.工程概况
我国某处的商住楼整体的结构形式双子塔楼结构，这种结构美观别致，平面形状为矩形。每个塔楼的长度和宽度均为39米，地上部分为24层，其中四层办公楼，20层住宅楼，地下为1层。主楼的主要建筑结构形式为剪刀墙结构，以筏板为基础，板底较高。基础第三层为粘土层，主要是在这一层添加筏板，地下水约在地下一米处。由于这种地质结构本身的特点，天然的承载能力不能满足主楼的承重量，因此需要对整个地基进行加固处理，处理的方式是采用碎石桩和cfg桩相结合的复式地基形式。其中碎石桩的直接在40厘米，长度需达到9米左右，桩端处于粉砂层内，CFG桩的直径也在40厘米范围内，但长度需要达到13米，也处于粉砂层内。这两种桩体均采用三角形的布置结构，要形成一定的间距。
1.工程地质条件及长短桩复合地基设计
1.1工程地质条件
根据场地的具体情况和基本的勘查数据得知，这块场地地势平坦，适合用于塔楼的建筑，同时该场地的地势结构为冲击平原结构，受力程度比较均匀，承载能力较好。
1.2长短桩复合地基的设计计算
在桩体的长短设计上，首先需要对现场的环境进行勘查，提出合理的设计方案。需要注意的是，碎石桩复合地基的承载能力在120kpa范围内，而cfg桩的承载力的最大限度为550kN，碎石桩加CFG桩复合地基承载力特征值不小于308kPa。因此两者在复合时，需要考虑到极限设置。
1.2.1复合地基承载力设计计算
复合地基承载力计算公式为：
公式中：m1、m2分别指的是长桩体与短桩体这两者之间所存在的置换率；β1、β2则分别指的是端庄体桩体之间所存在的强度折减数值；Ra1、Ra2主要指的是长桩体、短单桩这两个竖向桩体承载能力的特征值，该数值主要是通过桩身的强度所决定的单桩承载力以及静载承载力来确定。Ap1、Ap2这两个数据主要指的是长桩体与短桩体这两者的截面面积；fspk、fsk主要指的是复合地基以及桩间土这两者自身所具有的承载力特性。
本工程中，经过优化设计，整个基础桩位平面布置为正三角形布置， 桩距均为1200mm，长桩、短桩的置换率均为m1=m2=0.101。
（1）CFG单桩竖向承载力特征值及单桩复合地基承载力特征值计算。
单桩竖向极限承载力公式为：
Ru=up∑qsili+Apqp （2）
相应的单桩竖向承载力特征值：
Ral=jRu/2=661.1 kN/2=330.6kN。
CFG单桩复合地基承载力特征值计算公式fspkl为：
fspkl=344.9kPa。
（2）碎石桩设计：设碎石桩复合地基承载力特征值f′spk=120kPa，
由式（4）计算得Ra2=26.3kN。
式中：f′spk为碎石桩处理后地基承载力特征值。
（3）长短桩复合地基承载力特征值计算：
将计算结果代入公式（1）得352.2kPa，此处β1、β2均取0.8。满足原设计要求。
1.2.2复合地基沉降计算
（1）计算简图。
沿竖直方向的计算沉降区域分为三部分：沿竖直方向的计算沉降区域分为三部分：长短桩区域H1、长桩区域H2、下卧层区域H3。基础底面处的附加压力为P0=283kPa。
（2）沉降计算。
长短桩复合地基的沉降由三部分组成，即S=S1+S2+S3。在工程实践中，对每部分的沉降计算可采用现行建筑地基基础设计规范中建议的方法进行计算。长短桩复合地基沉降公式为：
式中：Sc为计算沉降量；SH1为H1区域的计算沉降量；SH2为H2区域的计算沉降量；SH3为H3区域的计算沉降量；ψ为沉降计算修正系数；P0为基础底面处的附加压力（kPa）；Espi为天然土层与桩形成的复合模量或天然土的模量值；Zi、Zi-1分别为基础底面至第i、i-1层土底面的距离（m）；ai、ai-1分别为基础底面计算点至第i层土底面范围内平均附加应力系数；n1、n2、n3分别为H1区域、H2区域、H3区域内土层数。地基处理后的变形计算按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）的有关规定执行。
H1区域的复合压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，ζ值可按下式[3]确定：
H2区域内的复合压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ1倍，ζ1值可按下式[6]确定：
式中：fak
为基础底面下天然地基承载力特征值；fspkl
为CFG单桩复合地基承载力特征值。地基沉降计算深度Zn根据规范应满足下列条件：
由该深度向上取1m所得的计算沉降量ΔS′n应满足下式要求：
ΔS′≤0.025ΔS′（8）
根据规范计算到第9-1层底满足沉降计算要求，得总沉降为：
SC=ψ（SH1+SH2+SH3）=0.2×251.05=50.2mm
式中：ψ为沉降计算经验系数，由压缩模量的当量值Es=25.74 MPa 查《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中表确定。
1.3复合地基检测试验
1.3.1检测内容
（1）碎石桩桩体动力触探检验和桩间土标准贯入检验。
（2）CFG单桩竖向载荷试验。
（3）碎石桩复合地基载荷试验。试验载荷板尺寸为1.21m2，碎石桩单桩复合地基承载力p-s曲线。
1.3.2 检测结论
本文案例工程的碎石桩只要是在地面以下的6至7米左右，碎石桩的密度较低，而7至15米的桩体则具有较高的连续性以及密度。在对碎石桩采取一定的措施之后，桩间土所存在的液化现象已经完全解决掉。CFG桩的单桩竖向承载力特征数值达到了275kN之后，其极限值能够达到550kN，完全满足高层建筑的需求。其碎石桩的复合地基承重特征数值也达到了120kPa，复合工程设计需要。
1.4 实测沉降数据与理论计算的对比
通过对整个建成完成的住宅建筑外墙上所不知的15个沉降观测点回馈的数据来看，均匀铺设的观测点数据基本一致。通过多统计的数据图标可以明显看出，在整个住宅建筑的内部装修完毕之后，建筑所呈现出的平均沉降值为48mm，其计算结果完全符合工程设计要求。
2.结语
总而言之，从这个案例中得知，采用碎石桩和cfg桩结合的复合地基技术，可以解决高层建筑中的地基不稳和地基液化的问题，也满足了基本的沉降度。在施工的过程中，还需要考虑科学的方法，考虑到多种参数，提高复合地基的承载能力，确保施工能够保质保量的进行。
【参考文献】
[1]葛忻声，龚晓南，张先明.长短桩复合地基有限元分析及设计计算方法探讨[J].建筑结构学报，2003（04）.
[2]闫明礼，王明山，闫雪峰，张东刚.多桩型复合地基设计计算方法探讨[J].岩土工程学报，2003（03）.
多元复合地基 篇3
关键词：复合地基,刚柔多元桩,ABAQUS,桩身应力,变形规律
引言
多元桩复合地基与常规复合地基相比具有明显优势, 能够同时满足对不良地基处理的多方面的要求。如碎石桩与CFG桩组合, 既可以消除液化, 又可以提高承载力;灰土桩与CFG桩组合, 既可以消除湿陷, 又可以提高承载力。作为新型的地基处理方式, 多元桩复合地基在工程实践中已经有所应用, 但其承载机理和设计理论还不成熟[1,2]。本文利用ABAQUS有限元软件对刚柔多元桩复合地基进行数值分析, 研究其承载性能。
1 刚柔多元桩复合地基有限元分析模型
1.1 基本假定
在模型建立时, 为尽可能接近于真实情况又便于计算, 采用了如下假定:
(1) 刚性桩、柔性桩、褥垫层和承台均为线弹性材料, 符合广义虎克定律。
(2) 桩底和桩周土材料相同, 模拟均质地基, 土体各向同性, 采用弹塑性材料模拟, 假定土体塑性屈服服从Mohr-Coulomb屈服准则。
(3) 上覆均布荷载一次性瞬时施加, 不考虑地基在外荷载作用下的时间效应。
(4) 桩顶与褥垫层采用绑定约束, 始终保持接触不分离。
1.2 模型建立
模拟一个5根桩×5根桩的刚柔组合桩型群桩复合地基, 其平面布置如图1所示, 刚性桩和柔性桩采用等长度, 桩长均为20 m, 桩径0.5 m, 桩间距为2.5倍桩径, 刚性桩和柔性桩按正方形间隔布桩方式, 褥垫层和承台的几何中心与群桩的几何中心重合, 褥垫层尺寸为8.5 m×8.5 m, 厚度0.3 m, 承台尺寸7.5 m×7.5 m, 厚度0.5 m。在桩的平面布置范围, 土的计算域为20 m×20 m, 桩底以下土体厚度取20 m。
模型网格划分采用八节点六面体的二次缩减积分单元, 即C3D8R单元, 桩体网格划分加密, 模型网格单元总数为60 682, 其中桩体单元数为13 974, 模型边界条件为土体四周径相位移为0, 底部径向和法向位移为0, 模型上覆荷载一次性施加在承台上。
1.3 模型计算参数
依据工程实际材料的特性, 赋予模型材料参数, 主要参数见表1。
2 结果分析
计算过程分两个分析步, 第一步对复合地基进行初始地应力平衡, 平衡后竖直方向位移云图如图2所示;第二步, 在承台上瞬时施加荷载。
由图2可见, 地应力平衡后, 竖直方向的最大位移为8.475×e-12, 接近于零, 地应力平衡效果很好。
2.1 刚性桩、柔性桩桩顶应力分析
在承台施加800 k Pa荷载, 桩顶应力云图如图3所示。由图3可见, 就桩顶应力而言, 柔性桩桩顶应力明显小于刚性桩桩顶应力, 并且不同位置处的刚性桩桩顶应力差别也较大, 角部4根刚性桩桩顶应力最大, 边桩应力次之, 位于群桩几何中心的刚性桩桩顶应力最小。越靠近中心的桩体, 分担的荷载越小, 符合土力学中基底应力分布呈马鞍形的特征, 在刚柔多元桩复合地基中主要靠刚性桩提高地基承载力。
2.2 刚性桩、柔性桩桩身应力分析
刚性桩、柔性桩桩身应力云图如图4所示。由图4可见, 位于不同位置的刚性桩和柔性桩桩身应力分布规律较一致, 都是沿桩身呈现先增大、后减小的特征, 在桩身的某一位置处应力达到最大。分析认为, 由于褥垫层的存在, 使桩间土体始终保持与承台接触, 承担一部分荷载, 因为桩间土体的弹性模量较小, 所以产生的变形较大, 给桩体一个向下的下拉力 (即负摩阻力) , 在桩身的某一位置处桩体的变形与桩间土的变形相等时, 该位置处桩体应力最大。桩的负摩阻力相当于在桩顶上覆荷载之外, 又附加了一个分布于桩侧壁上的面荷载。所以, 在刚柔多元桩复合地基的设计中, 要合理地考虑刚性桩的负摩阻力, 否则对于端承桩有可能造成桩身或桩端地基破坏, 对于摩擦型桩有可能造成沉降过大或产生不均匀沉降。
综合来看, 在桩体上部即浅层地基中, 桩身应力都没有达到最大, 此时桩间土体发挥的作用较大, 承担了比较多的荷载, 可见褥垫层对于浅层地基土体的承载力发挥作用显著;而在深层地基中, 刚性桩承担了地基的主要荷载。因此, 我们设想, 在刚柔多元桩复合地基的设计中, 如果将刚性桩的上部适当减小刚度, 而下部增大刚度, 即采用变刚度桩, 可以在满足承载力和变形的前提下降低造价。
2.3 刚性桩、柔性桩变形分析
复合地基沉降云图如图5所示。由图5可见, 在桩顶平面沉降最大的位置集中在承台宽度1.65倍的方形区域内, 桩顶处的竖向变形最大, 随着深度的增加, 变形逐渐减小直到为零。
刚性桩变形云图如图6所示, 柔性桩变形云图如图7所示。由图6和图7可见, 柔性桩桩顶变形大于刚性桩桩顶变形, 并且刚性桩和柔性桩均呈现出越靠近群桩几何中心位置的桩沉降越大的规律, 中心桩大于边桩的沉降, 边桩大于角桩的沉降, 因此, 刚性桩对于减小刚柔多元桩复合地基变形作用明显。刚性桩和柔性桩都表现出桩顶位置变形最大, 沿着桩身变形逐渐减小。因此, 对于刚柔多元桩复合地基, 有效控制桩身上部的变形对于减小地基沉降作用显著。
3 结论
根据有限元软件ABAQUS模拟刚柔多元桩复合地基, 得出其桩顶、桩身应力特点和变形规律如下:
3.1 刚性桩承担的荷载明显大于柔性桩承担的荷载;对于同种桩型, 角桩的应力最大, 边桩次之, 中桩最小;沿桩身应力最大部位不在桩顶, 而是位于桩身的某一位置。
3.2 复合地基的变形规律与承载力规律恰好相反, 桩顶处变形最大, 并且群桩中心处变形最大, 边桩次之, 角桩最小。
参考文献
桩网复合地基处理黄土地基设计 篇4
1 桩网复合地基
桩网复合地基(pile-net composite foundation),是指天然地基在地基处理过程中,下部土体得到竖直向增强体“桩”的加强,从而形成桩土复合地基加固区,并在该区上部铺设水平向增强体“网”,从而形成加筋土复合地基加固区,使桩—网—土协同作用,共同承担荷载的人工地基[1]。
桩网复合地基由四部分组成:1)拱上路堤填土;2)柔性拱区;3)桩土加固区;4)下卧层。
在地基部分土体中设置的竖直向增强体“桩”是受力主体,与桩间土形成桩土加固区,承担上部荷载,并传递到下部较为坚硬的持力层上。在该加固区上部铺设含高强度土工合成材料的加筋垫层“网”,形成柔性拱区(上部与下部之间的柔性土拱过渡区)。桩网复合地基中的桩起承载作用,是力学要求;而高强度网则是结构要求,目的是调整桩土竖向荷载分担比与桩土应力比,使桩—网—土协同作用,共同承担荷载以减小整体沉降及不均匀沉降。
2 桩网复合地基静力设计与计算
2.1 荷载
桩网结构地基荷载包括路基面荷载和路基土体自重,其中路基面荷载有钢轨荷载、扣件荷载、轨道板荷载、轨枕荷载和钢筋混凝土基础荷载。由于是静力计算,故不考虑列车荷载。计算式为:
W=w1+γ1H (1)
其中,w1为路基面荷载,kN/m2;γ1为路基填土容重,kN/m3;H为路基填土高度,m。
2.2 桩径
桩径的设计应与当地施工机械相适应。桩径过小,则桩数量增多,成孔和回填工作量增加;桩径过大,则对桩间土体挤密不够,同时对成孔机械能量要求较大,设备基本条件不易达到,过大的桩径也会影响挤密后土的均匀性。结合我国目前的施工机具和设备情况,桩径一般以300 mm～600 mm为宜,大多用400 mm。
2.3 桩距
桩距的设计一般通过试验和计算确定。桩距过大,承载能力不能满足;桩距过小,桩的承载能力不能充分发挥,且给施工造成困难。假设以桩体为中心,以桩距为边长的区域内的桩顶荷载全部由单桩来承载(最不利情况),则可由下式估算合理桩距。
其中,σa为桩容许抗压强度,kPa;Ap为灰土桩截面面积,m2。
为了使桩间土挤密均匀,桩孔尽量采用等边三角形布置。
2.4 桩长
桩孔深度应按湿陷性黄土层的厚度、湿陷等级、湿陷类型及成孔设备的能力等方面考虑,对于湿陷性黄土地基,处理深度应为基础以下湿陷起始压力小于上部荷载传递给地基的附加压力和土层的饱和自重压力之和的所有黄土层。另外还要考虑加固层和下卧层土体的工后沉降是否能满足设计要求。
2.5 地基置换率
复合地基置换率为桩体的横断面积与该桩体对应的复合地基面积的比值,若桩体按等边三角形布置,则置换率为:
2.6 地基承载力计算
2.6.1 单桩所承受的荷载
V=(w1+γ1H)×s2 (3)
2.6.2 单桩竖向承载力
1)国内计算法。
Rk=(πd∑qsikli+qpkAp)/K>V
(4)
其中,qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力,kPa;qpk为极限端阻力,kPa;K为安全系数,一般取3.0。
2)日本桩网法。
Qa=(Qp+Qf)/Fs=(3quAp+πdquL/2)/Fs>V (5)
其中,Qp为灰土桩极限端阻力,kN;Qf为灰土桩桩周极限摩阻力,kN;d,L分别为桩径和桩长,m;Fs为安全系数,一般取3.0。
2.6.3 桩网结构承载力
根据桩网结构桩土分担荷载比原理,复合地基的承载力可按下式计算:
fck=mRk/Ap+αβ(1-m)fk>W (6)
其中,fk为天然地基承载力标准值,kPa;α为桩间土强度提高系数;β为桩间土强度发挥系数,硬土取0.1～0.4,软土取0.5～1。
2.7 桩网结构变形沉降
桩网结构地基的变形由加固区土层的变形和桩端以下土层沉降两部分组成。计算时不考虑加固区土体自重,桩顶平均应力按路基面荷载与路基土体自重之和计算,桩底附加应力计算考虑桩底提升1/3桩长,应力按30°角向下扩散后的附加应力。
2.7.1 加固区变形沉降
群桩压缩变形按下式计算:
式中:p0——桩顶处平均应力,kPa;
Δp——桩底处附加应力,kPa;
L——桩长,m;
Eps——桩网复合地基复合弹性模量,MPa。
2.7.2 下卧层变形沉降
下卧层计算采用分层总和法:
式中:pi-1,pi——分别为第i层土上下面附加应力,kPa;
Hi——第i层土厚度,m;计算厚度至附加应力小于自重应力的10%。
2.7.3 总沉降
总变形沉降量为加固区变形量与下卧层沉降量之和,即:S=S1+S2。
3 工程实例
3.1 工程概况
郑西客运专线某试验段,位于渭河南岸Ⅲ级阶地后缘,线路大都以挖方形式通过,工点处地表广布第四系上更新统风积砂质黄土,厚度约30 m,Ⅱ级普通土,5 m以上σ0=130 kPa,5 m以下σ0=150 kPa。砂质黄土具Ⅱ级自重湿陷性,湿陷土层总厚度15 m,天然容重18 kN/m3。当垂直压力为0.1 MPa～0.47 MPa时,平均压缩模量介于11.18 MPa～24.2 MPa之间。当垂直压力为0.4 MPa～1.6 MPa时,其压缩模量介于42.44 MPa～23.67 MPa之间。
选取典型断面进行计算(如图1所示)。线路为双线无砟轨道,路基面宽度b1=13.8 m,路基坡度1∶1.5,路基高度H=1.2 m。路基为A组填料,γ1=20 kN/m3。
3.2 路基面荷载
包括钢轨、扣件、轨道板、双块式轨枕和钢筋混凝土基础在内的路面荷载w1=13.68 kN/m2。
3.3 桩设计参数
采用灰土桩,桩径d=0.4 m,桩距s=0.8 m,等边三角形布置,灰土配比2∶8,桩顶铺设0.5 m厚二八灰土垫层,在垫层顶面铺设一层二布—膜土工布。计算置换率m=22.7%>10%。桩距
3.4 灰土桩桩网结构承载力计算
经计算单桩承受荷载V=19.67 kN,单桩竖向承载力标准值Rk=278 kN>V,日本桩网结构法得出的单桩竖向承载力容许值Qa=911 kN>V,实际上由V<Qa可解得桩长为负值,这说明在黄土地区,只要单桩承载力满足容许承载力,复合地基的承载力不是设计的控制因素,应该用沉降控制设计。
桩网结构的承载力fck=539.7 kPa。
3.5 桩网结构沉降变形计算
加固区变形:S1=(30.74+23.87)×13/64 000=0.011 m。
下卧层计算厚度为1 m,平均附加应力为23.29 kPa,取平均压缩模量为24 MPa,计算得下卧层沉降量为0.97 mm。
总变形沉降量S=0.012 m<0.015 m,符合设计要求。
4 结语
经计算,采用灰土桩桩网结构加固郑西客运专线湿陷性黄土地基,无论是桩网复合地基的承载力,还是工后变形沉降量,均能满足设计要求,故此方案是可行的。
参考文献
[1]饶为国.桩—网复合地基原理及实践[M].北京:中国水利水电出版社,2004:35.
[2]肖宏,蒋关鲁,魏永幸.遂渝线无碴轨道桩网结构地基处理技术[J].铁道工程学报,2006(4):22-25.
[3]乔国峰.浅谈湿陷性黄土地基加固施工技术[J].山西建筑,2007,33(12):119-120.
[4]龚晓南.复合地基理论及工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2002:11.
复合地基浅释 篇5
相比之下, 理论的发展却大大落后于实践。自复合地基进入我国, 理论界即很重视, 对复合地基的理论研究投入了大量的人力、物力, 并结合生产实践取得了不少成果。先后有不少学者发表了论文和专著, 还召开了全国性的复合地基学术研讨会, 使人们对复合地基这一新事物有了进一步了解, 对复合地基的实践起着非常重要的指导作用。但是, 理论研究无论在深度和广度方面都不能完全满足实践的需要。深度方面, 理论界至今还不能对复合地基的荷载承受和传递机理进行定量分析。广度方面, 如何理解复合地基, 复合地基如何分类等理论界尚未达成共识。理论界的这种状况不仅不利于复合地基的应用和推广, 也不利于复合地理论的发展。为此, 笔者在研究总结前人研究成果的基础上进一步阐述了复合地基内涵和外延, 并在分析复合地基与地基处理、复合地基与复合桩基的区别和联系后, 对复合地基进行了分类、浅释。
1 从复合地基字面上释复合地基
复合———合在一起, 结合起来。
地基一一承受建 (构) 筑物重量的土层或岩层。详细解释为:承受建 (构) 筑物重量产生应力与应变所不能忽略的土层或岩层。
因此, 从字面上可以从下列三方面理解复合地基:首先.复合地基是一种地基, 属地基范筹, 不能与基础如复合桩基础混为一谈;其次, 复合即必须有一种或一种以上的区别于原土层或岩层材料与之结合在一起, 区别于均质地如天然地基;最后, 复合地基共同承受建 (构) 筑物重量, 区别于单一地基如桩地基。
2 从不同复合地基形式共性认识复合地基
目前, 在工程建设实践中, 被称为“复合地基”的形式非常多, 但能够被工程界和理论界公认的只有下列几种: (1) 砂桩复合地基。在地基中通过振冲 (干振、水冲) 法和填夯法植入砂桩; (2) 碎石桩复合地基。在地基中植入碎石桩。植入碎石桩的方法主要有:干振法、振冲法、强夯法; (3) 灰土桩复合地基。在地基中植入灰土桩。植入方法通常为填夯法; (4) 石灰桩复合地基。在地基中植入生石灰桩。通常采用填夯法植入; (5) 水泥土桩复合地基。在地基中植入水泥土桩。常见的植入方法:深层搅拌法和高压喷射注浆法; (6) 低强度混凝土桩复合地基。在地垫中植入强度不大于C10的混凝土 (包括由水泥、粉煤灰、碎石和石屑拌合而成CFG桩混合料) 桩。植入方法通常有:振动成桩法、填夯成桩法和静力压入成桩法; (7) 横向增强体复合地基。在地基中横向植入钢筋 (带) 或土工织物等材料。常见的植入方法为分层埋入和插入。
上述复合地基形式中不论植入体的材料、植入工艺还是植入体材料和植入工艺, 对原地基土的影响, 差别都很大。但它们都有一个共同的特点:植入体 (砂桩、水泥土桩、土工织物等) 与地基构成一个地基整体, 共同承受上部荷载, 改善了地基承受和传递荷载及变形性能。
3 复合地基的定义及其内涵与外延
通过上述分析, 笔者认为, 所谓复合地基就是由两种或两种以上力学性能不同的介质共同承受建 (构) 筑物荷载的地基。定义中的介质泛指竖、横向植入体、天然或人工压 (夯) 实地层, 它们的作用之一是传递荷载, 因而统称之为介质。
复合地基的内涵即定义的内容, 指由两种或两两以上力学性能不同的介质共同承受建 (构) 筑物荷载的地基。外延即定义的范围, 这里指各种形式的复合地基, 如碎石桩复合地基、CFG桩复合地基、深层搅拌桩复合地基、高压喷射桩复合地基等等。
4 两个与复合地基相关且易混淆的术语
4.1 地基处理与复合地基
地基处理与复合地基关系密切, 但有着本质的区别。首先, 从定义看, 地基处理是指提高地基土的强度、改善地基土的变形性质或渗透性的各种人工处理方法, 是对地基处理过程中各种工法的总称。而复合地基是由两种或两种以上力学性能不同的介质共同承受建 (构) 筑物荷载的地基, 是地基中的一种, 是建 (构) 筑物的组成部分 (其它两部分是基础和上部结构) 。其次, 从设计角度看, 复合地基的任务是设法使地基整体强度和压缩模量满足基础和上部结构的要求, 侧重点在于考虑植入体与基体的协调变形, 充分发挥基体的潜力。地基处理的任务是选择一种或多种地基处理工法, 使得经处理后的地基达到设计所需要承载力和压缩模量。侧重点在于该工法本身的处理效果, 如堆载预压法关注处理后的承载力和压缩摸量, 高压喷旋则关注“桩”本身的承载力和压缩模量。最后, 从它们的联系看, 复合地基通常要经过地基处理, 但经过地基处理的地基不一定是复合地基。例如, 深层搅拌桩复合地基就要采用深层搅拌工法进行地基处理, 而经过堆载预压处理的地基就不是复合地基。
4.2 复合桩基础与复合地基
传统桩基础由于不考虑桩间土分担荷载的作用, 因而不会与复合地基搞混。但自从《建筑桩基技术规范》实施以后, 情况就不同了。该规范中提出了复合桩基础的概念, 复合桩基础与传统桩基础不同之处在于考虑桩间土分担荷载的作用。因此复合桩基础与桩土共同承受荷载的复合地基表面上变得非常相似, 实践中不少人经常将二者混为一谈, 尤其是当桩的强度很髙 (如钢筋混凝土桩) 时, 工程界和理论界关于是复合桩基础还是复合地基的争论更趋激烈。有的认为桩的强度过高导致桩土应力比过大, 不能算做复合地基, 应归类于复合桩基础;有的则认只要考虑桩土共同承受荷载就该叫做复合地基。其实这两种说法都有其片面性。笔者认为是复合桩基础还是复合地基应该分两个层次进行判断:第一层次区别桩基础与地基, 第二层次分析“桩基础”和“地基”之前是否具备加上“复合”二字的条件。
区别桩基础与地基应该是不困难的。《建筑岩土工程勘察基本术语标准》和《建筑柱基技术规范》都对桩基础有明确的定义。前者定义桩基础为:达到地基深部用以支承上部结构物荷载的具有一定强度的长柱形构件或构件群。后者定义为:由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。二者在表述上虽有不同, 前者更强调桩的部分及其作用, 但表达的内容是一样的, 即桩和连接于桩顶的承台构成桩基础。地基的定义在前面已阐述, 不再赘述。按照桩基础和地基的定义, 再去研究上面提到的情况, 就不难判断是桩基础还是地基。判断的标准就是桩与承台是否连接, 连接则称之为桩基础, 不连接则应叫作地基。
能否在“桩基础”之前加上“复合”二字, 要看在设计时是否考虑承台底地基土分担荷载的作用, 如果回答是肯定的, 则称之为复合桩基础;否则只能称之为桩基础。同理, 是否称之为复合地基, 则要根据设计时是否考虑桩间土分担荷载作用。若回答是肯定的, 则称之为复合地基, 否则则应称之为桩地基。
除了根据桩是否与承台连接区别桩基础与地基之外, 二者的设计思路也是不同的。桩基础的设计思路是如何使上部荷载更快更直接地传递到地基深部或好土层, 避免地基土因附加应力过大而破坏或产生过大的压缩变形。地基的设计思路则是设法改善 (增加或减少) 地基土的强度和压缩模量, 以满足上部结构对地基承载力和变形的要求。另外, 复合桩基础与复合地基中的桩受力是不一样的。前者受力较复杂, 除受垂直 (压或拉) 和水平力外, 通常还要承受弯矩和扭矩。而后者受力简单, 只受压和很少一部分水平力。
5 结束语
本文阐述了复合地基、地基处理、复合桩基础以及它们的关系, 希望能为促进复合地基的进一步发展贡献一点力量。但限于笔者的水平, 不当或错误之处欢迎专家同仁批评指正。
参考文献
[1]龚晓南著.复合地基理论及工程应用.北京:中国建筑工业出版社, 2002.
[2]建筑岩土工程勘察基本术语标准 (JGJ84-92) .北京:中国建筑工业出版社, 1993.
复合地基面积置换率 篇6
在复合地基设计中, 需要确定一个非常重要的参数:面积置换率, 以估算复合地基的承载力特征值。但目前不少设计或审图人员在计算面积置换率时, 不论如何布桩均套用振冲碎石桩引入的等效圆直径的方法[1]来计算置换率。当复合地基设计的布桩形式不是等边三角形、正方形和矩形布桩, 或者布桩形式虽然为等边三角形、正方形和矩形布桩, 但每根桩分担的处理地基面积不等时, 运用等效圆直径的方法会得出错误的结果, 进而影响复合地基承载力和变形计算, 以致影响复合地基的设计。
因此, 理清什么情况下可以、什么情况下不可以按等效圆直径的方法来计算置换率, 以及如何正确理解、又该如何计算面积置换率, 是值得探讨的问题。
1 单一桩型复合地基面积置换率
1.1 面积置换率的定义
复合地基置换率:竖向增强体复合地基中, 竖向增强体的横断面积与其所对应的 (或所承担的) 复合地基面积之比[2]。
如图1所示, 设图中基础面积为A, 共有n根桩, 则单一桩型复合地基面积置换率为:
1.2 计算单一桩型复合地基面积置换率存在的问题
在估算振冲碎石桩复合地基承载力, 当每根桩分担的面积相等时, 引进一个等效圆直径de来计算单一桩型复合地基的置换率:
式中:m为桩土面积置换率;d为桩身平均直径 (m) ;de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径 (m) 。
当为等边三角形布桩时, de=1.05s;正方形布桩时, de=1.13s;矩形布桩时, 。其中, s、s1、s2分别为桩间距、纵向间距和横向间距。
当每根桩分担的面积相等, 采用等边三角形、正方形和矩形大面积布桩时, 按式 (2) 计算单一桩型复合地基面积置换率方便可行。但目前不少设计或审图人员在计算单一桩型复合地基面积置换率时, 不论如何布桩形式均套用式 (2) 来计算面积置换率, 以致出现不少问题, 影响了复合地基的设计计算。
对面积较小的独立基础下进行布桩, 如图2所示, 设桩径为d=400mm, 基础长l=8d=3.2m, 基础宽b=8d=3.2m, 不少设计人员运用式 (2) 来计算, 即:
但运用式 (1) 计算时, 面积置换率为:
运用式 (1) 、式 (2) 计算相同条件下的面积置换率, 两者相对误差达21.20%。为什么会有这么大的差异呢?究其原因, 是由于在运用式 (2) 计算面积置换率时, 需要满足的前提条件为每根桩分担的面积相等。在图2中, 虽为正方形布桩, 但每根桩分担的面积并不相等, 因此得出错误的计算结果。
若基础面积大、布桩数量多, 设基础长l=24.8m, 基础宽b=24.8m, 桩径d=400mm, 桩间距s=3d=1.2m, 基础边缘离边桩中心的距离为d, 布桩形式与图2类似。
由式 (2) 得:
由式 (1) 得:
运用式 (1) 、式 (2) 计算相同条件下的面积置换率, 两者相差不大, 相对误差为3.33%。
因此, 大面积布桩条件下, 采用等边三角形、正方形和矩形的布桩形式, 初步设计时可按式 (2) 计算复合地基面积置换率。
此外, 独立基础下等腰三角形布桩 (见图3 (a) ) , 条形基础墙下单排布桩 (见图3 (b) ) , 均不能运用式 (2) 计算面积置换率。因此, 式 (2) 并不具有普遍性。
1.3 面积置换率在单一桩型复合地基承载力计算公式中的应用
(1) 单一桩型有粘结强度桩
单一桩型施工完成后, 由以集中力表示的静力平衡方程可知, 任一荷载水平下有:
式中:P为荷载 (k N) ;n为桩数;λ为单桩承载力发挥系数;Ra为单桩承载力特征值 (k N) ;β为桩间土承载力发挥系数;As为桩间土面积 (m2) ;fsk为处理后复合地基桩间土承载力特征值 (k Pa) [3]。
当荷载达到复合地基承载力特征值时:
式中:fspk为复合地基承载力特征值 (k Pa) ;A为基础面积 (m2) 。
将式 (3) 代入式 (4) 可得:
由式 (5) 即可计算有粘结强度桩复合地基承载力特征值。
若基础面积小、布桩数量少, 运用式 (5) 即可进行复合地基承载力计算。对于基础面积大、布桩数量多的情况, 可对式 (5) 进一步演绎。
由于A=As+n Ap, 则As=A-n Ap, 将As代入式 (5) 可得:
式中:Ap为桩截面积 (m2) 。
将式 (6) 右边第一项分子分母同乘以Ap, 可得:
令, 则式 (7) 为:
式 (8) 即为单一桩型有粘结强度桩复合地基承载力特征值普遍表达式。其中, 复合地基面积置换率为:
(2) 单一桩型散体桩
对于散体桩复合地基, 无法根据勘察报告来计算单桩承载力特征值, 因而不能根据式 (8) 来计算复合地基承载力特征值, 但其桩土应力比变化不大。设桩顶应力为σp、桩间土应力为σs, 则有:
将式 (9) 、式 (10) 代入式 (8) 可得:
令桩土应力比为n, 则有:
将式 (10) 、式 (12) 代入式 (11) 可得:
式 (13) 即为单一桩型散体桩复合地基承载力特征值普遍表达式。其中, 复合地基面积置换率为:
(3) 小结
由以上分析可知, 不论是单一桩型有粘结强度桩复合地基, 还是单一桩型散体桩复合地基, 其复合地基面积置换率均为:
2 多桩型复合地基面积置换率
2.1 多桩型复合地基面积置换率的普遍表达式
为研究方便, 本文将复合地基中荷载分担比较高的桩型定义为主桩, 其余桩型为辅桩。如工程中常采用碎石桩和CFG桩来处理可液化地基[4~6], CFG桩为主桩、碎石桩为辅桩 (见图4) 。
多桩型复合地基面积置换率, 应根据基础面积与该面积范围内实际的布桩数量进行计算。以两种桩型组成的复合地基为例, 如图4所示, 主桩的面积置换率m1为:
辅桩的面积置换率m2为:
式中:n1为主桩桩数;Ap1为主桩桩截面积 (m2) ;n2为辅桩桩数;Ap2为辅桩桩截面积 (m2) ;A为基础面积 (m2) 。
2.2 多桩型复合地基面积置换率的计算
当大面积布桩, 初步设计时, 可采用单元面积置换率估算。
(1) 当按图5 (a) 主辅桩间隔布桩时:
(2) 当按图5 (b) 主辅桩按排、按列间隔布桩时:
布桩完成后的面积置换率, 应根据基础面积与该面积范围内实际的布桩数量进行计算, 即按式 (14) 、式 (15) 进行计算。
当采用式 (16) 和式 (17) 计算主辅桩间隔布桩面积置换率, 或采用式 (18) 和式 (19) 计算主辅桩按排、按列间隔布桩面积置换率时, 若基础面积小、布桩数量少, 则其计算结果与采用普遍表达式式 (14) 和式 (15) 相差较大;若基础面积大、布桩数量多, 则相差较小。
以主辅桩按排、按列间隔布桩为例, 如图5 (b) , 设S1=S2=1.2m, 主辅桩桩径d1=d2=400mm:
1) 设基础长l=6m, 基础宽b=6m, 采用式 (18) 和式 (19) 计算得:
采用普遍表达式式 (14) 和式 (15) 计算得:
当基础面积小、布桩数量少时, 采用式 (18) 、式 (19) 计算主辅桩的面积置换率, 与采用普遍表达式式 (14) 、式 (15) 计算主辅桩的面积置换率, 虽然主桩的面积置换率相同, 但是辅桩的面积置换率相对误差达56.27%。
2) 设基础长l=60m, 基础宽b=60m, 采用式 (18) 和式 (19) 计算得:
采用普遍表达式式 (14) 和式 (15) 计算得:
当基础面积大、布桩数量多时, 采用式 (18) 、式 (19) 计算主辅桩的面积置换率, 与采用普遍表达式式 (14) 、式 (15) 计算主辅桩的面积置换率, 主桩的面积置换率相同, 辅桩的面积置换率相差不大, 相对误差仅为4.06%。
2.3 面积置换率在多桩型复合地基承载力计算公式中的应用
(1) 两种桩型均为有粘结强度桩
以两种有粘结强度的桩型 (如长短CFG桩) 组成的多桩型复合地基为例, 推导多桩型复合地基承载力计算公式。
两种桩型施工完成后, 由以集中力表示的静力平衡方程可知, 任一荷载水平下有:
式中:P为荷载 (k N) ;n1为主桩桩数;λ1为主桩单桩承载力发挥系数;Ra1为主桩单桩承载力特征值 (k N) ;n2为辅桩桩数;λ2为辅桩单桩承载力发挥系数;Ra2为辅桩单桩承载力特征值 (k N) ;β为桩间土承载力发挥系数;As为桩间土面积 (m2) ;fsk为两种桩型复合地基施工完成后桩间土承载力特征值 (k Pa) 。
当荷载达到复合地基承载力特征值时:
式中:fspk为多种桩型复合地基承载力特征值 (k Pa) ;A为基础面积 (m2) 。
将式 (20) 代入式 (21) 可得:
基础面积A为:A=n1Ap1+n2Ap2+As, 则桩间土面积为:
式中:Ap1为主桩桩截面面积 (m2) ;Ap2为辅桩桩截面面积 (m2) ;As为桩间土面积 (m2) 。
将式 (23) 代入式 (22) 可得:
将上式右边第一项分子分母同乘以Ap1、第二项分子分母同乘以Ap2, 可得:
式 (26) 即为两种有粘结强度组合形成的多桩型复合地基承载力特征值普遍表达式。其中, 主桩的面积置换率m1为:
辅桩的面积置换率m2为:
(2) 两种桩型中一种为有粘结强度桩、另一种为散体桩
设两种桩型中的有粘结强度桩为主桩、散体桩为辅桩。辅桩散体桩的单桩承载力特征值不能根据勘察报告来计算, 但其桩土应力比变化不大。设辅桩桩顶应力为σp, 桩间土应力为σs (同式 (10) ) , 则有:
将式 (27) 、式 (10) 代入式 (22) 中, 可得:
令辅桩桩土应力比n同式 (12) , 将式 (10) 、式 (12) 代入式 (28) 中可得:
式 (29) 即为有粘结强度桩和散体桩组合形成的多桩型复合地基承载力特征值普遍表达式。其中, 主桩有粘结强度桩的面积置换率m1为:
辅桩散体桩的面积置换率m2为:
(3) 小结
由以上分析可知, 不论多桩型复合地基是由两种有粘结强度桩组合形成, 还是由有粘结强度桩和散体桩组合形成, 其复合地基面积置换率均为:
主桩的面积置换率m1为:
辅桩的面积置换率m2为:
3 结论
通过以上对单一桩型和多桩型复合地基面积置换率的分析, 可以得出如下结论:
(1) 单一桩型复合地基面积置换率
1) 单一桩型复合地基面积置换率, 应根据基础面积与该面积范围内实际的布桩数量, 采用下式进行计算:
2) 当每根桩分担的处理地基面积相等, 采用等边三角形、正方形和矩形大面积布桩时, 可采用等效圆直径的方法估算面积置换率:
3) 当每根桩分担的面积虽然不等, 但基础面积大、布桩数量多, 初步设计时, 也可采用等效圆直径的方法估算, 布桩完成后应根据实际布桩数量来计算面积置换率。
(2) 多桩型复合地基面积置换率
1) 多桩型复合地基面积置换率, 应根据基础面积与该面积范围内实际的布桩数量进行计算:
主桩的面积置换率m1为:
辅桩的面积置换率m2为:
2) 当基础面积大、布桩数量多, 初步设计时, 可采用单元面积置换率估算:
主辅桩间隔布桩时:
主辅桩按排、按列间隔布桩时:
布桩完成后的多桩型复合地基面积置换率, 应根据基础面积与该面积范围内实际的布桩数量进行计算。
参考文献
[1]中华人民共和国行业标准.建筑地基处理技术规范 (JGJ79-2012) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.
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复合地基沉降控制研究 篇7
在软土地区采用天然地基不能满足建筑物沉降要求时,地基处理或桩基础等常被用来控制建筑物总沉降或差异沉降。在传统设计方法中由于计算手段的限制,通常假定上部结构和基础为绝对刚性,基底反力均匀分布。然而,实际的基底反力分布是随荷载条件、筏板形状、筏—土相对刚度等不同而变化的。因此,寻求符合基础实际受力状况且经济合理的基础优化设计方案是具有实践和理论意义的课题。实际工程中,在地基强度满足要求的前提下整体沉降对建筑物并不构成威胁,问题的关键是,基础基底压力分布不均匀、地基刚度分布不均匀导致地基土体内应力分布不均匀,从而使复合地基与基础的变形不协调,导致差异沉降的增加。对传统的均匀地基处理方案,为控制差异沉降和筏板内力差所产生的弯矩,不得不加大筏板厚度,增加筏板的配筋量,从而提高了工程造价,造成了新的材料浪费。因此,根据地基受力特性充分发挥地基基础承载作用,减小差异沉降已成为基础设计的优化目标,引起了国内外许多学者的研究兴趣[1]。
1 基础—垫层—复合地基相互作用原理[2]
1)基本假定。
基础、垫层、桩土复合地基的共同作用是非常复杂的,为了便于分析应用,特做出假定:a.基础底面积足够大,基底下分布着许多等间距的桩,桩和桩间土构成复合地基;b.垫层是可压缩(或流动)的均质体;c.复合地基桩间土为均质体,各桩的几何性质及工程性能是等同的,从而构成均质复合地基;d.垫层、桩、桩间土的力学性能均可用“压力=刚度系数×变形”的公式来表示;e.复合地基为非饱和,即不考虑孔隙水压力作用。
2)基本方程。
设上部结构荷载为P,则有:
PCP=KP·SP (1)
PCS=KS·SS (2)
PCP=KCP·SCP (3)
PCS=KCS·SCS (4)
其中,PCP为垫层和桩顶间的竖向接触压力;PCS为垫层和桩间土之间的竖向接触压力;SP为在PCP作用下,桩顶的沉降量;SS为在PCS作用下,桩间土的沉降量;SCP为由PCP引起的垫层竖向变形量;SCS为由PCS引起的垫层变形量;KP为在PCP作用下,桩顶沉降为SP时桩的刚度系数;KS为在PCS作用下,桩间土沉降为SS时桩间土的刚度系数;KCP为在PCP作用下,垫层竖向变形量为SCP时垫层的刚度系数;KCS为在PCS作用下,垫层竖向变形量为SCS时垫层的刚度系数。
3)力的平衡方程及变形协调方程。
在上部荷载作用下,设基础底面平均接触压力为P,基础均匀下沉量为S,取垫层为脱离体,则根据力的平衡条件和变形协调条件有:
P·A=PCP·AP+PCS·AS或P=m·PCP+(1-m)PCS (5)
S=SS+SCS=SP+SCP (6)
其中,A为基础底面积,A=AP+AS;AP为基础底面积范围内桩顶的总面积;AS为基础底面积范围内桩间土的总面积;m为基础底面积范围内复合地基的置换率,
4)共同作用分析。
桩土应力比的表达式为:
P和S的关系为:
或
或
2 差异沉降控制的方式
控制差异沉降的途径有三种:1)加强上部结构的刚度;2)加大基础底板厚度和配筋量以增大筏板的整体强度和刚度;3)调整地基的刚度,使其刚度分布规律与基底压力分布规律相吻合。
增加上部结构的刚度可以使基础最终沉降差减小。上部结构的刚度越大,这种作用就越明显。但是由于上部结构的有限性,随着层数的增加,上部结构的刚度矩阵各分量几乎不再增加,趋于常数,因此对于基础底板不是绝对刚性的基础而言,由于群桩效应,必然使得中心桩的沉降大于边桩和角桩的沉降值,也就是说存在差异沉降。再加上受使用功能的约束,该方法是难以实现的。增加基础板厚度,其“跨越作用”加强,使荷载向筏板边缘转移,迫使基础沉降趋于均匀。但是加大筏板厚度后,虽然可以减小差异沉降和上部结构的次应力,但基础变得很敏感,微小的不均匀沉降将导致巨大的内力,而且会使基础的造价大幅度提高。因此,增加筏板的厚度并不是一种很好地减小基础差异沉降的方法。
调整复合地基刚度的方法主要是通过改变褥垫层的刚度、桩间土的模量、桩的设计参数、布桩方式等手段,使复合地基的刚度
摘要：从基础—垫层—复合地基相互作用的角度,分析了减小差异沉降的方法,给出了8种变刚度复合地基的处理方案,进一步指出变桩长、变桩距应是变刚度复合地基设计首先考虑的方法。
关键词：差异沉降,复合地基,变刚度
参考文献
[1]刘金励,迟铃泉.桩土变形计算模型和变刚度调平设计[J].岩土工程学报,2000,22(2):151-157.
[2]王长科,郭新海.基础—垫层—复合地基共同作用原理[J].土木工程学报,1996,29(5):30-35.
[3]乔京生,步启军,马卫华,等.变刚度复合地基的可行性研究[J].铁道建筑,2006(5):49-52.
[4]陈龙珠,梁发云,丁屹.变刚度复合地基处理的有限元分析[J].工业建筑,2003,33(11):18-20.
多元复合地基 篇8
木桩是历史最悠久的一种桩型, 然而随着各类新型软土地基处理方法的涌现, 木桩似乎已经过时。但事实并非如此, 在某些特定的情况下, 木桩仍具有优越性。由于现行结构设计规范及各结构计算手册中均未提及木桩的计算方法, 本文就笔者在某清水池地基处理中采用木桩复合地基的设计实例进行阐述, 以抛砖引玉。
1 工程概况
1.1 清水池概况
该清水池为地上式钢筋混凝土水池, 中间设变形缝一道, 池顶覆土厚度500 mm。清水池长35.6 m, 宽10.1 m, 高4.5 m, 地面标高2.80 m (黄海高程) , 底板底标高在地面以下0.8 m。
1.2 地质条件
拟建场地地处苏北里下河平原。根据地勘报告的结果, 各土层深度、地基承载力标准值及压缩模量如下:①杂填土:层厚0.6 m;②粉质粘土:层厚0.9 m, 承载力85 k Pa, 压缩模量4.2 MPa;③淤泥质粘土:层厚12 m, 承载力65 k Pa, 压缩模量2.5 MPa;④粘质粉土:层厚5.5 m, 承载力115 k Pa, 压缩模量6.0 MPa;⑤砂质粉土:层厚6.2 m, 承载力180 k Pa, 压缩模量14.5 MPa;⑥砂质粉土:层厚4.8 m, 承载力145 k Pa, 压缩模量9.5 MPa。
1.3 地基处理方案的选择
目前, 软土地基处理方法有多种, 且在实际工程中得到广泛的应用。笔者对多种方案作了认真比选, 方案有:1) 换填法;2) 水泥土搅拌桩复合地基;3) 预制桩基;4) 灌注桩;5) 木桩复合地基。最终择优选择了方案5:木桩复合地基。实践证明, 木桩复合地基处理软弱地基时, 有以下优点:1) 安全可靠;2) 对施工场地要求较低, 施工方便;3) 施工时振动小、噪声低、无尘土飞扬, 对周围建筑物的影响小;4) 工期短;5) 造价较低。
2 木桩复合地基计算分析
本例中木桩采用松木桩, 稍径不小于120 mm。呈矩形布置, 桩间距为500 mm×500 mm, 处理范围为37 m×11 m。木桩长6 m, 基底下淤泥质粘土层厚度达12 m, 桩端落在高压缩土层上。为了进一步保证木桩与土体的变形协调, 在桩顶和基础间设置250 mm厚的碎石褥垫层, 桩顶进入褥垫层50 mm。
2.1 木桩复合地基承载力的确定
由于目前木桩复合地基承载力计算尚无设计规范可循, 故参照有粘结强度增强体复合地基的承载力计算公式进行设计[2]。
其中, fspk为复合地基承载力特征值;λ为单桩承载力发挥系数, 取1.0;m为面积置换率;Ra为单桩竖向承载力特征值, k N;Ap为桩的截面面积, m2;β为桩间土承载力发挥系数, 可按地区经验取值, 本工程取0.9;fsk为处理后桩间土承载力特征值, k Pa。
本例中木桩未穿过软弱土层, 故木桩竖向承载力标准值不计桩端阻力, 则有[3]:
其中, up为桩的周长;qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值, k Pa;lpi为桩长范围内第i层土的厚度。
计算桩径为d=120 mm, qs1=30 k Pa, lp1=0.4 m, qs2=9 k Pa, lp2=5.6 m。则按式 (2) 得Ra=23.5 k N。
面积置换率m=0.045, fsk=65 k Pa, 则复合地基承载力特征值为fspk=149.4 k Pa。
基底平均压力值为62.8 k Pa, 地基承载力满足设计要求。
2.2 木桩复合地基沉降计算
1) 未采取木桩处理时的地基沉降, 采用分层总和法计算[4]。
清水池底板尺寸为35.60 m×10.10 m, 在荷载准永久组合作用下, 基底附加压力为p0=48.40 k Pa, 底板中心处最终沉降量s'=∑Δsi'=186.66 mm。
0.025×∑Δsi'=4.67 mm>Δsn'=2.87 mm;取沉降经验系数Ψs=1.1, 地基最终变形量为s=Ψss'=205 mm, 不满足规范要求, 必须进行地基处理。
2) 木桩复合地基的沉降计算。
木桩复合地基的沉降量由褥垫层、复合土层和复合土层下卧层的变形量组成。其中, 褥垫层压缩量较小, 且多发生在施工期, 一般不予考虑。关于木桩复合地基的沉降计算, 目前规范中尚无明确的计算公式。本文参照CFG桩复合地基, 采用复合模量法结合分层总和法计算, 木桩复合地基的最终沉降量由复合层的沉降变形s1和下卧层的沉降变形s2组成, 沉降计算公式为:
其中, Espi为复合地基压缩模量, MPa;Esi为天然地基土层压缩模量, MPa。
底板中心处最终沉降量s'=∑Δsi'=138.08 mm;0.025×∑Δsi'=3.45 mm>Δsn'=0.79 mm;取沉降经验系数Ψs=1.0, 地基最终变形量为s=Ψss'=138 mm, 较处理前减小约1/3。
3 结语
到目前为止, 本工程竣工已有两年时间, 经现场观察沉降7 cm左右。实践证明, 木桩复合地基处理可使软土地基承载力有效提高, 地基变形量大为减小, 且具有施工操作过程简单、施工机具设备简易、工期短等优点。相对于预制桩、水泥土搅拌桩复合地基和CFG桩复合地基等其他地基处理方式而言, 具有工期短、造价低、施工操作简便等优势, 特别是在工期紧张、大型机械进场困难、木材来源丰富的情况下, 木桩复合地基优势尤为明显。
摘要：介绍了木桩复合地基的工作机理, 以木桩复合地基在某清水池中的应用为例, 就复合地基竖向承载力、沉降及有关质量控制问题进行了分析, 指出木桩复合地基能有效解决软土地基承载力不够、沉降量过大等问题, 应用前景广阔。
关键词：木桩,复合地基,地基处理,承载力,沉降
参考文献
[1]何剑波.木桩在给水工程软弱地基处理中的应用[J].市政技术, 2007, 25 (5) :392-393.
[2]JGJ 79—2012, 建筑地基处理技术规范[S].
[3]JGJ 94—2008, 建筑桩基技术规范[S].