随着对复合地基理论认识的提高以及实践经验的积累,学术界提出了由两种不同类型(或同种类型而长度差别较大)的桩与土组成的三元组合型复合基础理论。多桩型复合地基是采用两种及两种以上不同材料增强体,或采用同一材料、不同长度增强体加固形成的复合地基,可达到比单一工法节省工程造价,缩短工期,提高地基承载力,减少复合地基的变形或消除地基液化、地基土湿陷性等不良工程问题,目前已在建筑物的地基处理中得以应用,并取得了较好的社会效益和经济效益。随着施工技术、工艺的进步和地基处理实践经验的不断积累,使把刚性长短桩复合地基应用于高层建筑中成为可能。
1刚性长短桩复合地基及其工作机理
长短桩复合地基按照桩体材料性质的不同可以分为:散体桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基[1]。散体桩复合地基,桩身材料没有粘结强度,桩体的极限承载力主要取决于桩侧土体所能提供的最大侧阻力,即承载力主要靠桩周土约束的侧向变形提供,一般情况下被处理的地基土抵抗变形的能力小,对桩的约束力也很小,因此随着荷载的增加,桩的侧向变形也逐点增大,地基将发生较大的沉降。柔性桩复合地基中的桩体虽有粘结强度,但桩体强度不高,这些不利因素使柔性桩复合地基的强度也受到限制。刚性桩复合地基中的加强桩体强度高,刚性桩中的荷载沿桩身全长传递到更深的土层,这成为高强复合地基及大大提高承载力的关键,同时刚与柔及长与短的不同桩型的有机组合是经济性得到优化。
刚性长短桩复合地基相对于等长桩复合地基,由于长短桩体的间隔布置,使得复合地基桩端受力由“面”变成“层”,增加了桩体与软弱下卧层的接触面积,分散了桩底应力作用。充分发挥了土体的“拱形”效应;同时,在短桩以下加固区域的同一水平面上,桩体间距相对增大,有利于发挥土体的承载力。刚性长短桩复合地基很好的克服了利用常规理论设计弊端,充分利用桩间土的承载力,有效的控制了地基沉降,减少了施工成本和缩短施工周期。
刚性长短桩复合地基[3]中,因长桩和短桩的间隔设置,在复合地基中形成三个不同作用的工作区域,即以提高承载力为主的长、短桩联合工作区(1区)、以减少沉降为目的的长桩工作区(2区)、承受桩体荷载的持力层(3区)、三区共同作用,以提高浅层地基承载力、减少地基沉降、形成良好的长短桩复合地基。其作用机理如图1所示
长短桩复合地基中,长桩的主要作用是提高承载力、控制整体沉降量。它将荷载通过桩身向地基深处传递,减少压缩层变形,以此来控制建筑物的沉降,很好的避免了常规桩型设计的一些缺陷,也更符合外荷作用下的地基应力场和位移场的特性。同时对柔性桩起到“护桩”作用,并与短桩一起拟制地基周围土体的隆起,在1区深度范围内,桩体间将具有较明显的“挟持”和“遮挡”效应。桩间土体和桩体共同沉降;而在2区的长桩,由于土体和桩体不能同时沉降,其桩尖对桩端土体有相当的刺入量。长桩多采用刚性桩,如素混凝土桩、管桩等。而短桩主要是对上部土体进行处理,减少浅部的应力集中并促使应力向下传递,提高承载力,加固桩间土,增强桩体的摩擦力,消除上部土体引起的不均匀沉降,短桩可采用柔性桩或刚性桩。
根据变刚度协调原理[4],由于上部荷载的的附加应力随着深度的增加因应力扩散而减小,需要的桩土刚度相应也减少。这样刚性长桩和短桩组成的复合地基的刚度随深度增加而降低的分布模式符合附加应力在地基中对土刚度的要求,所以刚性长短桩复合地基不仅能够充分发挥桩体的承载能力,同时能积极调动桩间土不同深度的土体共同参与工作。这是该种复合地基承载能力显著提高,成为高强度复合地基,同时经济性也具有优势,是应用于高层建筑的原因所在。
2刚性长短桩复合地基设计
目前,工程中对单一桩型复合地基的设计计算方法相对比较成熟,但对如何计算两种及两种以上桩型的多桩型复合地基承载力和变形还处于研究阶段,笔者试图通过本文对刚性长短桩复合地基承载力和变形计算进行初步探索。
2.1复合地基承载力计算方法
刚性长短桩复合地基的承载力主要取决于天然地基土及各类桩体的承载力工程特性(置换率及桩、土的强度和刚度)。具体方法目前分为面积加权法和间接叠加法;根据工程试验对比,两种方法计算结果基本一致。
2.1.1面积加权法
刚性长短桩复合地基承载力的计算思路、途径与单一桩的复合地基基本一直,根据《建筑低级处理技术规范》(JGJ79-2012)。利用面积加权原理可导出刚性长短桩复合地基承载力的计算公式为:
式中:m1、m2分别为桩1、桩2的面积置换率;λ1、λ2分别为桩1、桩2的单桩承载力发挥系数;Ra1、Ra2分别为桩1、桩2的单桩承载力特征值(KN);Ap1、Ap2分别为桩1、桩2的截面面积(m2);β桩间土承载力发挥系数;无地区经验时可取0.9~1.0;fsk处理后复合地基桩间土承载力特征值(kPa)。
2.1.2间接叠加法
参照等长桩复合地基承载力计算的方法,计算长短桩复合地基的承载力,将短桩与桩间土组成的复合地基视为长桩复合地基的“桩间土”,通过两次复合计算长短桩复合地基的承载力[5]。
式中:fsp,k1为长短桩复合地基承载力特征值,(kPa);fsp,k2为短桩复合地基承载力特征值,(kPa);α1、α2为桩间土承载力提高系数;fak为天然地基承载力特征值,(kPa)。
2.2复合地基变形计算方法
长短桩复合地基变形计算在理论上可将复合地基的变形分为复合土层变形与下卧层变形,分别计算后相加得到。变形计算采用复合模量法,计算时采用的复合土层分层除与天然地基相同外,刚性长、短桩桩端位置也要作为复合土层分层边界,从而将加固区分为1、2两部分(见图1)。复合土层和下卧层土体内的应力分布采用各向同性均质的直线变形体理论,复合地基最终变形量可按下式计算:
S=
式中:分别为加固区1、2范围土层分层数;沉降计算深度范围内土层总的分层数;p0为相应于作用的准永久组合时的基础底面处的附加压力,(kPa);基础底面的第i层土的压缩模量,(MPa);、基础底面至第i层、第i-1层土底面的距离,(m);、基础底面计算点第i层、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数;、分别为加固区1、2土层压缩模量提高系数(,);沉降计算修正系数。
3工程实例
某工程[6]高层住宅为地下2层地上33层的剪力墙结构,群楼采用框架结构,筏形基础,基础埋深-7.2m。基底以下地基土工程地质情况如表2所示。考虑场地岩土工程地质条件、周围环境、施工工艺,经过方案论证,本工程采用刚性长短桩复合地基方案:短桩采用直径500mm泥浆护壁素混凝土钻孔灌注桩,有效桩长12.00m,以细砂5层作为桩端持力层,桩身混凝土强度等级C25;长桩采用直径400mm的水泥粉煤灰碎石桩,有效桩长16.5m,以细砂7层作为桩端持力层,混合料强度等级C25;采用正方形布桩,桩间距1.25m;设计要求处理后的复合地基承载力特征值fak=480kPa。
表2地基土物理力学指标
土层编号 土层
厚度
/m 桩侧阻力
特征值
qsik/kpa 桩端阻力
特征值
qpa/kpa 压缩
模量
Es/MPa 承载力
特征值
fak/kpa
1粉土
2粉质黏土
2-1粉土
3粉土
4粉砂
5细砂
6粉土
7细砂
8粉质黏土
9粉质黏土
10粉质黏土
11粉质黏土
12粉质黏土 2.10
1.50
1.20
2.50
3.20
3.30
4.50
5.60
9.90
9.00
5.10
6.90
7.00 23
18
28
27
32
36
32
38
33
33
33
33
33
450
450
500
480
500
500
500
500 13.3
4.6
7.1
16.0
24.0
26.0
20.0
28.0
12.4
12.4
13.5
13.1
13.9 180
120
120
230
280
300
280
310
310
320
340
330
350
复合地基承载力验算:
根据现场单桩静载荷试验结果:R1=690KN(长桩),R2=600KN(短桩)。从已知条件分析可得:m2、m2;;;==1.0;m1=0.04,m2=0.064;fsk=fak=180kPa(第1层粉土)。
(1)按面积加权法计算复合地基承载力特征值fspk=536.17kPa。
(2)将天然地基与短桩组成的复合地基视为长桩复合地基的“桩间土”等效桩间土承载力特征值fsp,k2=341.28kPa;长短桩复合地基承载力特征值fsp,k1=525.40kpa。
根据以上两种方法计算的长短桩复合地基承载力特征值在不做深度修正情况下皆满足设计要求。
复合地基变形验算:
复合地基沉降计算深度,按《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011的方法确定,本工程计算深度59.8m,按照本文复合地基沉降的计算方法,长短桩复合地基沉降量预测值为37.08mm,变形满足实际要求。
该楼主体结构封顶时的复合土层沉降量约为12mm~15mm,该建筑已投如使用。根据工程所在地区的一般结构封顶时的沉降量已完成最终沉降量的50%~60%,据此结果推算最终沉降量应为20mm~30mm,小于沉降预测值37.08mm。
4结语
我国长短桩复合地基处理技术的新进展,从传统的桩基础到长短桩复合地基的运用,体现了我国桩基础处理地基的能力和水平的提高。随着技术进步和对地基处理要求的提高,地基处理方法趋向多样性。复合地基设计不仅是根据承载力和变形确定设计参数,而且在设计时必须综合考虑建筑物对变形的适应能力地基土的特点及施工等诸多因素。根据场地岩土工程地质条件采用刚性长短桩复合地基处理高层建筑地基方案并选择合理的施工工艺是一种经济有效的地基处理方法,值得研究和推广。
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