[摘要]:軟土地基的多層建筑,當(dāng)采用天然地基淺基礎(chǔ)時(shí),一般地基承載力可以滿足要求,但沉降多數(shù)超過(guò)允許值。一幢3層辦公樓,當(dāng)采用筏板基礎(chǔ)時(shí),計(jì)算基礎(chǔ)中點(diǎn)沉降達(dá)254.4mm,當(dāng)基礎(chǔ)下設(shè)置少量減沉樁后其沉降減至135.6mm,表明多層建筑采用減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)可以減少房屋沉降,同時(shí)工程基礎(chǔ)造價(jià)與樁基礎(chǔ)比較節(jié)省約33%。

　　[關(guān)鍵詞]　減沉樁;復(fù)合樁基;沉降計(jì)算

　　0　前言

　　舟山群島存在大面積的海積、沖海積和山前沖海積平原,地基土存在厚10～50m的高壓縮性、低強(qiáng)度、大孔隙比和高含水量的淤泥質(zhì)粘土層。在其頂部大多存在厚1～2m的粉質(zhì)粘土(俗稱硬殼層),當(dāng)量大面廣的多層住宅等建筑采用淺基礎(chǔ)時(shí)以該層為持力層,一般情況下地基承載力和軟弱下臥層承載力均能滿足要求。但由于軟土層太厚,將產(chǎn)生過(guò)大的沉降,不滿足使用要求,因此該地區(qū)1～6層建筑大部分均采用樁基礎(chǔ),且多數(shù)采用預(yù)應(yīng)力管樁,樁長(zhǎng)達(dá)40～60m,甚至某公園一單層廁所也打了6根直徑0.4m、樁長(zhǎng)30m的預(yù)應(yīng)力管樁[1],因此基礎(chǔ)造價(jià)相對(duì)較高。和常規(guī)樁基相比,減沉樁的復(fù)合樁基可以減小沉降和降低造價(jià),所以在上海、天津等軟土地區(qū)已有較多的應(yīng)用,但在舟山還未曾用過(guò)。某3層辦公樓減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工程在舟山是首例,可為這項(xiàng)技術(shù)的推廣使用積累經(jīng)驗(yàn)。

　　1、減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)工作機(jī)理

　　減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)是在軟土天然地基承載力基本滿足要求的情況下,為了減小建筑物沉降采用疏布樁(樁距>6d,d為樁徑)的復(fù)合樁基礎(chǔ),外荷載由樁和樁間土共同承擔(dān),樁的截面較小,樁間距較大,以保證樁間土的荷載分擔(dān)足夠大。隨著上部結(jié)構(gòu)荷載增加,荷載開(kāi)始主要由樁承擔(dān),樁、土間的變形以受基礎(chǔ)底壓力作用影響為主,受樁土相互作用影響次之,基礎(chǔ)底的樁和土沉降是相等的,而承載力的可靠度主要由淺基礎(chǔ)承載力作保證。

　　減沉樁設(shè)計(jì)為變形控制設(shè)計(jì)方法,主要對(duì)存在深厚軟土層的多層建筑的絕對(duì)沉降和整體傾斜、撓曲和結(jié)構(gòu)支點(diǎn)間的差異沉降進(jìn)行控制。減沉樁的工作機(jī)理很復(fù)雜,其受力性狀與常規(guī)樁距的樁基礎(chǔ)有明顯的不同,對(duì)此目前還研究得不夠,尤其現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)資料不多,學(xué)術(shù)上有不同的觀點(diǎn),爭(zhēng)論焦點(diǎn)之一是在正常使用條件下,減沉樁是在承載力特征值還是在極限承載力下工作或在兩者之間工作。本文[2]通過(guò)減沉樁模型試驗(yàn)和有限元分析認(rèn)為,樁在80%～90%的單樁極限承載力下工作;文[3],[4]建議樁承載力按0.9Qu設(shè)計(jì)(Qu為單樁極限承載力),按單樁極限承載力設(shè)計(jì)復(fù)合樁基可為充分發(fā)揮承臺(tái)底地基土的直接承載作用創(chuàng)造條件;文[5]認(rèn)為,當(dāng)淺基礎(chǔ)(承臺(tái))產(chǎn)生一定沉降時(shí),樁能充分發(fā)揮并始終保持其全部極限承載力,即有足夠的“韌性”;文[6]提出上海地區(qū)可令樁發(fā)揮極限承載力的樁與承臺(tái)摩擦樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)建議;上海規(guī)范[7]規(guī)定,復(fù)合樁基、樁和土共同作用,當(dāng)荷載達(dá)群樁極限狀態(tài)時(shí),荷載全部由樁承擔(dān),地基土不承受荷載,當(dāng)荷載超過(guò)極限承載力時(shí),超過(guò)的部分由基底地基土承擔(dān)。文中工程減沉樁復(fù)合樁基設(shè)計(jì)采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)[8]中的設(shè)計(jì)方法,基底附加壓力按總荷載扣除單樁承載力特征值進(jìn)行計(jì)算。

　　2　工程概況

　　六橫沙浦一3層辦公樓,建筑面積1600m2,框架結(jié)構(gòu),上部結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值32442kN,基礎(chǔ)埋深0.9m,地下水位0.9m,采用梁板式筏型基礎(chǔ),平面尺寸39.24m×17.4m,板厚250mm,縱向地基梁500mm×650mm和500mm×800mm,橫向地基梁400mm×600mm,基礎(chǔ)平面見(jiàn)圖1,承臺(tái)構(gòu)造見(jiàn)圖2。

　　工程所在場(chǎng)地土層分布較單一,共有3個(gè)巖土工程單元層和2個(gè)亞層,層①1為填土層,其他物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

　　3、天然地基沉降計(jì)算

　　(1)基底平均壓力為:

　　pk=Fk+Gk

　　A=32442P1135+68218×019×2068218=5312kPa

　　(2)軟弱下臥層承載力按下式驗(yàn)算:

　　pz+pcz≤fazpz=lb(pk-pc)(b+2Ztanθ)(l+2Ztanθ)式中:pz為軟弱下臥層頂面附加壓力;pcz為軟弱下臥層頂面自重壓力,pcz=2413kPa;faz為經(jīng)深度修正軟弱下臥層承載力特征值,faz=6216kPa;pc為基礎(chǔ)底面處自重壓力,pc=1711kPa;Z為基礎(chǔ)底面至軟弱下臥層頂面距離,Z=018m;θ為擴(kuò)散角,由ZPb=018P1714=0105,Es1

　　PEs2=811P212=317,故θ=0°。計(jì)算得:

　　pz=39124×1714×(5312-1711)(1714+2×018×tan0°)(3914+2×018×tan0°)

　　=3611kPapz+pcz=3611+2413=6014kPa≤faz=6216kPa滿足要求。

　　(3)按分層總和法計(jì)算筏板基礎(chǔ)沉降:

　　s=ψsΣn1p0Esi(zi.αi-zi-1.αi-1)式中:ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù),根據(jù)地基規(guī)范[13]由.Es=2146MPa查表得ψs=111;p0為荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合的平均附加壓力,p0=33kPa;Esi為基底下第i層土壓縮模量;.αi,.αi-1為承臺(tái)等效面積角點(diǎn)平均附加應(yīng)力系數(shù);zi,zi-1為承臺(tái)底至第i,i-1層土底面距離。最終計(jì)算得出s=25414mm。

　　4、減沉樁復(fù)合疏樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和沉降計(jì)算

　　由上述計(jì)算結(jié)果可知,采用天然地基的筏板基礎(chǔ)的基底壓力和軟弱下臥層承載力驗(yàn)算均滿足要求,但沉降s=254.4mm,已超過(guò)各地規(guī)范[7,9,12]規(guī)定的地基變形容許值:上海規(guī)范[7]規(guī)定,多層框架結(jié)構(gòu)天然地基筏板基礎(chǔ)中心點(diǎn)容許沉降為15～20cm;天津規(guī)范[9]規(guī)定,多層建筑容許沉降值為10～15cm;北京規(guī)范[12]規(guī)定,多層建筑框架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期最大容許沉降量為3～12cm。

　　為減少筏基沉降,采用減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ),即在每一根柱下各布設(shè)一根預(yù)制樁,樁截面250×250,樁長(zhǎng)21m,樁端持力層為層③含角礫粉質(zhì)粘土,總樁數(shù)44根。

　　根據(jù)表1中的參數(shù),單樁承載力特征值為:

　　Ra=uqsiaLi+qpaAp=376.5kN

　　減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)底板中點(diǎn)最終沉降由兩部分組成:一是基礎(chǔ)底面土在附加壓力作用下的壓縮變形的沉降ss,二是樁對(duì)土影響產(chǎn)生的沉降ssp。

　　s=ψ(ss+ssp)(1)

　　式中ψ為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù),無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)ψ取1.0。

　　由于基礎(chǔ)底面樁和土的沉降是相等的,式(1)是通過(guò)計(jì)算樁間土沉降的方法計(jì)算基底中點(diǎn)最終沉降量。

　　4.1基底地基土附加壓力產(chǎn)生的沉降ss

　　基底地基土附加壓力產(chǎn)生的沉降ss,是按Bouissinesg解計(jì)算土中附加應(yīng)力,由單向壓縮分層總和法計(jì)算:

　　ss=Σui=1p0Esi(zi.αi-zi-1.αi-1)(2)　　承臺(tái)等效寬度為:

　　Bc=BAcPL(3)

　　式中:Ac為承臺(tái)底凈面積;B,L分別為承臺(tái)基礎(chǔ)平面的寬度和長(zhǎng)度。經(jīng)計(jì)算Ac=680m2,B=17.4m,L=39.24m,Bc=11.56m。

　　根據(jù)荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合計(jì)算假想天然地基平均附加壓力p0

　　p0=ηp(F-nRa)/Ac(4)

　　式中:ηp為基樁刺入變形影響系數(shù),取1.2;F為荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合荷載值,F=33918kN;n為樁數(shù),n=44。計(jì)算得出p0=30.6kPa。

　　基底附加壓力作用下的沉降計(jì)算見(jiàn)表2。

　　注:L/B=2.3。

　　滿足σz=011σc確定的沉降計(jì)算深度zn=15m,由基底地基土附加壓力作用下產(chǎn)生的筏板基礎(chǔ)中點(diǎn)沉降ss=131.3mm。

　　4.2樁對(duì)土影響產(chǎn)生的沉降ssp

　　因減沉樁端阻力相對(duì)較小,同時(shí)l/d=84(d為樁徑),單樁沉降受樁端持力層性狀影響不大,所以忽略端阻力對(duì)基底地基土沉降的影響,僅考慮樁側(cè)阻力引起樁周土的沉降。按剪切位移傳遞法計(jì)算,當(dāng)軟土層樁側(cè)剪切位移影響半徑按8d考慮時(shí),可得到ssp的簡(jiǎn)化公式:

　　ssp=280.qsu.Esi×d(SdPd)2(5)

　　式中:.qsu,.Es分別為樁身范圍內(nèi)按厚度加權(quán)極限側(cè)阻力和平均壓縮模量;d為樁身直徑,方樁d=1.25b(b為單樁截面邊長(zhǎng));Sd/d為等效距徑比,方樁Sd/d=0.886A/(nb)。經(jīng)計(jì)算.qsu=2318kPa,.Es=2179MPa,SdPd=14,ssp=318mm。

　　故減沉復(fù)合疏樁筏基中點(diǎn)沉降為:

　　s=ψ(ss+ssp)=1.0×(131.8+3.8)=135.6mm所以減沉復(fù)合疏樁筏基比筏板天然地基中點(diǎn)沉降(254.4mm)減小47%,且沉降值滿足規(guī)范要求。

　　5、結(jié)論

　　(1)計(jì)算的基礎(chǔ)中點(diǎn)沉降比天然地基沉降減小47%,說(shuō)明設(shè)計(jì)少量減沉樁可使沉降滿足規(guī)范要求。從結(jié)構(gòu)封頂后的沉降觀測(cè)知,其最大沉降量為45mm,預(yù)計(jì)最終沉降達(dá)128mm左右(假設(shè)封頂后沉降完成35%),當(dāng)沉降速率0.01mm/d為沉降基本穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)[10],預(yù)計(jì)沉降穩(wěn)定時(shí)間不超過(guò)10年[11]。而不遠(yuǎn)處類似土層的框架結(jié)構(gòu),采用十字交叉梁條形基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)封頂后的最大沉降達(dá)105mm。

　　(2)該辦公樓周邊有多層住宅樓,道路下有自來(lái)水管線,當(dāng)采用常規(guī)的預(yù)應(yīng)力管樁或預(yù)制方樁時(shí),無(wú)論是錘擊法或靜壓法沉樁都將產(chǎn)生擠土效應(yīng),擠土范圍達(dá)1～1.5倍樁長(zhǎng),所以要設(shè)置應(yīng)力釋放孔等減少擠土效應(yīng),同時(shí)設(shè)置測(cè)斜孔監(jiān)測(cè)深層土體位移來(lái)控制打樁速率,就會(huì)增加工程造價(jià)。而減沉樁樁間距很大,達(dá)15.2d～16.4d,大大減少了擠土效應(yīng),甚至可不用考慮樁施工的擠土效應(yīng)。

　　(3)該工程與采用常規(guī)樁基比較,采用減沉復(fù)合樁基可減少樁數(shù)30%,降低造價(jià)35%(含防擠土措施和監(jiān)測(cè)費(fèi)用)。

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