剛性樁復合地基應用中幾個問題的探討

1、【摘要】對剛性樁復合地基在濕陷性黃土地基中的應用、褥墊層的設(shè)置原則及有邊載條件下的復合地基承載力的修正等問題進行了探討?！娟P(guān)鍵詞】剛性樁復合地基;濕陷性黃土;褥墊層;邊荷載;承載力修正【中圖分類號】TU472SomeDiscussiononCompositeGroundwithRigidPile【Abstract】Someproblemsaboutcompositefoundationwithrigidpilesarediscussed,Suchasitsapplicationinsubsidenceloessfoundation,theprincipleofcushionsettingand

2、thecompsitegroundbearingcapacityamend.【KeyWords】compositefoundationofrigidpiles;subsidenceloess;cushion;boundaryload;bearingcapacitya2mend0引言近年來,在砂石樁、水泥土類樁等柔性樁復合地基的理論與實踐逐漸成熟的情況下,剛性樁復合地基技術(shù)也日益得到廣泛的推廣。剛性樁主要包括CFG樁、砼類樁等高粘結(jié)強度樁,其特點在于“剛”,相對于柔性樁具更強的樁體強度,不僅可全樁長發(fā)揮樁的側(cè)阻,樁端落在好土層上也能很好地發(fā)揮端阻作用。由于剛性樁復合地基與其它類型復合地基相比,具

3、有地基承載力提高幅度大且可調(diào)性強、變形模量高、樁體質(zhì)量及耐久性有保證等優(yōu)點,在全國得到廣泛應用,積累了豐富的設(shè)計、施工經(jīng)驗。1剛性樁復合地基應用于黃土地基目前濕陷性黃土地基處理常采用灰土墊層法、灰土擠密樁法,其強度、變形等,大多難以滿足高重建筑物地基的要求,設(shè)計上不得不采用樁基礎(chǔ),而樁基又存在施工工期長、工程費用高的缺點,常大幅度地增加工程造價。振動沉管法施工的灰土擠密樁的原理是利用樁管的振動和側(cè)向擠壓擠密樁間土,從而起到消除樁間土濕陷性,提高其承載力的目的。由于剛性樁一般也采用振動式沉管樁機施工,與灰土擠密樁使用的施工設(shè)備相同,故可考慮用于濕陷性黃土地基,達到既消除濕陷性,又提高承載力、減少

4、變形量的目的。在濕陷性黃土地區(qū),剛性樁設(shè)計可參考灰土擠密樁消除地基土濕陷性的設(shè)計方法進行,其設(shè)計原則應為在消除地基濕陷性的基礎(chǔ)上大幅度提高承載力。111樁徑根據(jù)沉管樁機的不同,剛性樁樁徑一般設(shè)計成350mm、400mm和450mm。黃土地區(qū)可根據(jù)當?shù)厥┕そ?jīng)驗及成孔機械規(guī)格進行選用,以達到最佳擠密效果為宜。112樁距為保證樁周土體的擠密均勻,樁孔孔位宜按正三角形布置,黃土地基剛性樁樁距應按擠68密消除樁間土濕陷性進行控制,不宜按承載力計算。依據(jù)濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GBJ2590)的規(guī)定,樁距按下式進行計算:x=cdmax-d(1)d式中符號的意義詳見文獻1。113樁長樁長應根據(jù)建筑物對地基的

5、要求,建筑場地濕陷類型、濕陷等級及濕陷土層厚度等條件,并按照復合地基承載力及變形的要求,進行綜合確定。剛性樁用于高層建筑地基時,承載力要求較高,一般樁尖應選擇在強度較高的持力土層上。114布樁范圍通常情況下剛性樁都布在基礎(chǔ)范圍內(nèi),黃土地基為增強地基的穩(wěn)定性,處理寬度要求超出基礎(chǔ)邊緣一定范圍,防止基底下被處理的土層在附加應力作用下受水浸濕時產(chǎn)生側(cè)向變形,并使處理與未處理交界面的天然土體保持穩(wěn)定。因此,剛性樁布樁范圍應符合國家標準(GBJ2590)中擠密樁處理地基的寬度要求?？稍诨A(chǔ)范圍以外布置土或灰土擠密樁,作為圍護樁,主要用來消除濕陷性,較布置剛性樁節(jié)省造價。115褥墊層褥墊層是保證樁土共同作

6、用的重要措施,厚度一般取1030cm,褥墊層材料可采用中粗砂、碎石、級配砂石等2。116復合地基承載力復合地基承載力的確定,比較可靠的方法是采用單樁或多樁復合地基載荷試驗實測,設(shè)計估算常采用承載力疊加計算法,即荷載大部分由土承擔,單樁承載力取標準值,考慮到安全因素,應按飽和狀態(tài)下的土性指標進行樁的側(cè)阻與端阻力的取值。濕陷性黃土經(jīng)擠密消除濕陷性后,樁間土的承載力會有較大幅度提高,樁間土強度提高系數(shù)將大于110,設(shè)計時一般仍按擠密前濕陷性土的承載力進行計算,富余的強度作為安全儲備。2剛性樁復合地基褥墊層的設(shè)置原則褥墊層是建筑科學研究院地基所在CFG樁成套技術(shù)中提出的,現(xiàn)已成為剛性樁復合地基的重要組

7、成部分。通常在基礎(chǔ)與樁頂之間設(shè)置一定厚度的柔性墊層。211有墊層條件下剛性樁復合地基承載性狀實測的樁土應力比n、地基土分擔荷載比s隨荷載變化的關(guān)系曲線見圖1和圖2。圖1荷載與樁土應力比曲線圖圖2sp/pu關(guān)系曲線圖在荷載作用初期,由于褥墊層的作用,樁土共同承受上部荷載,此時樁土應力比n值較小、地基土分擔荷載比s值較大。隨著荷載的進一步增加,樁頂逐漸向墊層剌入,樁的作用逐漸顯示出來,荷載向樁身集中,此時n值逐漸增大,s值逐漸減小。當荷載繼續(xù)增加到一定值(p/pu=015016)時,n值與s值分別出現(xiàn)峰值及低谷,此時樁的應力集中現(xiàn)象最顯著,樁已發(fā)揮了極限承載力的70%左右,它標志著樁對墊層的剌入量

8、已基本穩(wěn)定。隨著荷載的進一步增加,樁的剌入量增加很少,此時n值有所降低,s值有所增加,樁土變形已趨同步,樁間土分擔荷載增量大于樁分擔的荷載增量,樁的承載力充分發(fā)揮3。若再進一步增加荷載,由于復合地基中樁的荷載沉降(pps)曲線呈加工硬化型4,樁還可以承受較大的荷載增量,但其樁頂荷載增加量很小,荷載增量絕大部分均由樁間土分擔,直至達到樁間土的極限承載力,這時復合地基方告破壞。212無墊層條件下剛性樁復合地基承載性狀當基礎(chǔ)下不設(shè)褥墊層時,樁頂直接與基礎(chǔ)接觸。根據(jù)變形協(xié)調(diào)原則,樁與樁間土的變形應相同。由于樁的變形模量遠大于樁間土的變形模量,在垂直荷載作用下,當荷載小于樁的允許承載力時,基礎(chǔ)傳來的荷載

9、首先由模量較大的樁來承擔,樁間土承擔的荷載很少。隨著荷載的增加,當樁頂荷載超過其允許承載力時,樁端土將由彈性變形進入塑性變形階段,樁發(fā)生一定沉降,荷載逐漸轉(zhuǎn)移到土體。隨著荷載的進一步增加,樁的承載力發(fā)揮至極限,樁的沉降可能已達4060mm。由于沉降量較大,樁間土亦承擔了相當?shù)暮奢d增量,若再進一步增加荷載,由于復合地基中樁的荷載沉降(pps)曲線呈加工硬化型,故其仍可繼續(xù)承擔荷載,但其樁頂荷載增加量很小,荷載增量絕大部分均由樁間土分擔5。213褥墊層的設(shè)置原則剛性樁復合地基設(shè)與不設(shè)褥墊層,主要區(qū)別是樁間土承載力發(fā)揮的過程不同。當設(shè)置褥墊層時,樁間土一開始就承擔了較大比例的荷載,在正常使用狀態(tài)下,

10、建筑物荷載主要由樁和樁間土共同承擔;而不設(shè)褥墊層時,基礎(chǔ)直接與樁和樁間土接觸,建筑物荷載先由樁來承擔,隨著時間的增加,樁發(fā)生一定的沉降,荷載逐漸向土體轉(zhuǎn)移,類似于在樁基中發(fā)揮樁間土的承載能力而形成的“復合樁基”的設(shè)計思想。顯然,若不考慮樁與樁間土的相互作用及群樁效應,有、無墊層復合地基的極限承載力均為樁與樁間土極限承載力之和,而褥墊層只能調(diào)整復合地基應力的分布,并不能提高復合地基的極限承載力。有墊層剛性樁復合地基承載力設(shè)計原則169首先將土的承載力用足,不夠部分由樁來承擔,其安全儲備在于樁。無墊層復合地基是先充分發(fā)揮樁的承載力,其余荷載由樁間土來承擔,以樁間土強度作為安全儲備,設(shè)計思想是用樁來

11、補償、改善天然地基,充分利用樁的承載力來減少樁數(shù),在這種情況下,樁可充分發(fā)揮并能繼續(xù)保持其全部極限承載力。此時,樁不是單純地用作承重,還主要用于控制沉降。無墊層復合地基形成的條件是樁是摩擦樁或是端承作用較小的端承磨擦樁,考慮樁與樁間土共同承受荷載,若為端承樁,由于基礎(chǔ)下無墊層,樁的沉降很小,樁上的荷載向土上轉(zhuǎn)移數(shù)量很小,樁間土難以直接承受荷載,難以形成復合地基。所以樁、基礎(chǔ)共同作用是有條件的:地基土不發(fā)生因自重固結(jié)、濕陷、震陷等原因產(chǎn)生的與承臺脫空現(xiàn)象;樁屬非端承樁,樁端有一定的刺入變形。由于樁的承載力在無墊層復合地基中起決定性作用,必須考慮群樁效應,為充分發(fā)揮樁的承載力,樁的間距以大樁距最有

12、利(46d)。此時,樁可設(shè)計成能承受極限荷載的構(gòu)件,樁發(fā)揮極限承載力之后,再由基礎(chǔ)分擔設(shè)計荷載的剩余部分。在工程應用中,以提高承載力為主要目的的剛性樁復合地基,為充分發(fā)揮樁間土的承載力,應在樁頂與基礎(chǔ)之間設(shè)置褥墊層。對于以減少沉降為主要目的的剛性樁復合地基,樁頂與基礎(chǔ)之間不宜設(shè)褥墊層,盡可能大地發(fā)揮樁的承載力。在這種情況下,由于樁實際承擔的荷載很大,樁間土承載力的發(fā)揮有賴于樁的沉降變形。因此,要考慮樁頂上的壓力達到樁的極限承載力時不至造成樁體強度破壞,此時可相應地提高樁頂?shù)捻艔姸?或在樁頂設(shè)置短鋼筋籠,形成鋼筋砼樁復合地基;另外,樁對基礎(chǔ)也會產(chǎn)生應力集中,還應對基礎(chǔ)進行抗沖切驗算。無墊層條件下

13、剛性樁復合地基是先充分發(fā)揮樁的承載力,荷載再向土體轉(zhuǎn)移,從樁土共同承擔荷載的受力機理來說,應該算是另一70種形式的剛性樁復合地基。由于樁體與基礎(chǔ)無聯(lián)結(jié),顯然又不屬于樁基礎(chǔ)的范疇,但其受力機理又與復合樁基比較類同,可以認為是介于復合地基與樁基礎(chǔ)之間的一種剛性樁復合地基。3剛性樁復合地基承載力的修正剛性樁復合地基用于高層和超高層建筑時,一般有較大的基礎(chǔ)埋深,即有更大的邊荷載,邊荷載對復合地基承載力及變形有多大影響,如何合理地對其承載力進行修正,對復合地基的設(shè)計有重要意義。311復合地基中樁的承載性狀復合地基中,樁間土表面作用著樁間土應力s,樁間土應力s在不同深度產(chǎn)生的附加應力,使樁周正應力有較大的

14、增量,在樁側(cè)土中產(chǎn)生附加應力,樁身受到一個正向壓力增量,樁側(cè)阻力也相應增大,導致樁的側(cè)阻增加。樁間土應力產(chǎn)生的附加應力增量,也使樁端處垂直應力加大,形成樁端邊載效應,減少主應力差,增加樁的端阻力。312復合地基中土的承載性狀試驗表明,邊荷載對剛性樁復合地基樁間土承載力的提高十分明顯,主要原因是邊荷載的作用抑制了基礎(chǔ)外側(cè)土體向上隆起的趨勢,樁間土的側(cè)向變形受到限制,從而使土的垂直變形減少。另一方面由于復合地基中樁的存在,使樁間土的變形受到樁的約束,側(cè)向變形受到制約,從而也使土的垂直變形減少。這樣,在邊荷載與復合地基中樁的共同作用下,其承載力及模量較天然地基土有十分明顯的提高。313樁土荷載分擔比

15、在有邊荷載條件下,由于樁間土承載力及變形模量的提高,使樁土應力比降低,樁的荷載分擔比也有所降低,而樁間土的荷載分擔比增高,樁需要在更高的總荷載下才能發(fā)揮其承載力,其樁體作用的安全系數(shù)較無邊荷載時有所提高。經(jīng)過以上分析可以發(fā)現(xiàn),復合地基中樁承載力較自由單樁有大幅度提高,但邊荷載對復合地基中樁承載力的影響不大,主要是通過提高樁間土的承載力來提高復合地基的承載力。鑒于邊荷載對復合地基承載力的影響,對復合地基承載力應進行修正,現(xiàn)階段工程技術(shù)人員采用多種方法進行承載力修正,總結(jié)起來有三種方法:建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ7991)法這是目前應用最廣的方法,即沿用復合地基承載力修正的通常作法,不作寬度修正

16、,深度修正系數(shù)取110。建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GBJ789)法有專家認為行業(yè)標準(JGJ7991)規(guī)定的復合地基承載力修正系數(shù)過于保守,建議按加固前天然地基土的性狀選取6,依據(jù)國家標準(GBJ789)表51113取值。先修正再復合計算法也有人先對樁間土承載力進行深寬修正,求得設(shè)計值后,用樁間土設(shè)計值計算復合地基承載力。314工程算例某工程地基土層為粘土fk=150kPa,e=0175,I1=0148,0=1615kN/m3,基礎(chǔ)埋深為415m,采用CFG樁復合地基,樁徑400mm,置換率m=614%,單樁承載力標準值Rk=150kN。(本例僅考慮承載力的深度修正)復合地基承載力標準值為:(取1

17、,取019)fsp,k=mRk/Ap+(1-m)fk=20218,kPa(2)JGJ7991規(guī)范法:f=fsp,k+0(415-015)=26818,kPa(3)GBJ789規(guī)范法:(d取116)f=fsp,k+d0(415-015)=30814,kPa(4)先對天然地基進行承載力修正,再計算復合地基承載力:fv=fk+d0(415-015)=25516,kPa(5)f=mRk/Ap+(1-m)fv=29117,kPa(6)上述三種方法得到的結(jié)果各異,最大相差3916kPa。行業(yè)標準(JGJ7991)規(guī)定的深寬修正系數(shù)是如何確定的,沒有說明,可能是由于需要加固的地基土,多屬淤泥、淤泥質(zhì)土及人工

18、填土等軟弱土,這類土一般寬度修正系數(shù)取零,埋深的修正系數(shù)取110。為承擔高層、超高層以及重型建筑物的巨大荷載,實際工程中更多地將具有較高承載力的良好地基與剛性樁組成復合地基,進一步提高地基的承載能力,而對于這類土質(zhì),深度修正系數(shù)取110,可能在很大程度上低估其承載力,造成浪費。方法與方法對比后可以發(fā)現(xiàn),方法僅少了對樁所占面積的土承載力的修正,由于剛性樁的置換率一般較小(小于10%),考慮到樁間土的承載力較天然地基土的承載力修正值高及樁體的安全系數(shù)也有提高,該方法對承載力設(shè)計值的估算,應該還是比較保守的。由于復合地基中樁對樁間土變形的遏制,樁間土的承載力(設(shè)計值)顯然大于天然地基土的承載力(設(shè)計值),方法綜合考慮了邊載荷對地基穩(wěn)定性及復合地基承載力的影響,采用天然地基土的承載力修正方法進行復合地基承載力修正,能夠保證足夠的安全系數(shù)。綜上所述,對強度較高的土(天然地基規(guī)范給出的深度修正系數(shù)較高),常規(guī)的復合地171基承載力修正方法,可能