软土地基减沉桩设计工程实践

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软土地基减沉桩设计工程实践

内容摘要：软土地基减沉桩设计工程实践

　　[摘要]:软土地基的多层建筑,当采用天然地基浅基础时,一般地基承载力可以满足要求,但沉降多数超过允许值。一幢3层办公楼,当采用筏板基础时,计算基础中点沉降达254.4mm,当基础下设置少量减沉桩后其沉降减至135.6mm,表明多层建筑采用减沉复合疏桩基础可以减少房屋沉降,同时工程基础造价与桩基础比较节省约33%。

　　[关键词]　减沉桩;复合桩基;沉降计算

　　0　前言

　　舟山群岛存在大面积的海积、冲海积和山前冲海积平原,地基土存在厚10～50m的高压缩性、低强度、大孔隙比和高含水量的淤泥质粘土层。在其顶部大多存在厚1～2m的粉质粘土(俗称硬壳层),当量大面广的多层住宅等建筑采用浅基础时以该层为持力层,一般情况下地基承载力和软弱下卧层承载力均能满足要求。但由于软土层太厚,将产生过大的沉降,不满足使用要求,因此该地区1～6层建筑大部分均采用桩基础,且多数采用预应力管桩,桩长达40～60m,甚至某公园一单层厕所也打了6根直径0.4m、桩长30m的预应力管桩[1],因此基础造价相对较高。和常规桩基相比,减沉桩的复合桩基可以减小沉降和降低造价,所以在上海、天津等软土地区已有较多的应用,但在舟山还未曾用过。某3层办公楼减沉复合疏桩基础设计工程在舟山是首例,可为这项技术的推广使用积累经验。

　　1、减沉复合疏桩基础工作机理

　　减沉复合疏桩基础是在软土天然地基承载力基本满足要求的情况下,为了减小建筑物沉降采用疏布桩(桩距>6d,d为桩径)的复合桩基础,外荷载由桩和桩间土共同承担,桩的截面较小,桩间距较大,以保证桩间土的荷载分担足够大。随着上部结构荷载增加,荷载开始主要由桩承担,桩、土间的变形以受基础底压力作用影响为主,受桩土相互作用影响次之,基础底的桩和土沉降是相等的,而承载力的可靠度主要由浅基础承载力作保证。

　　减沉桩设计为变形控制设计方法,主要对存在深厚软土层的多层建筑的绝对沉降和整体倾斜、挠曲和结构支点间的差异沉降进行控制。减沉桩的工作机理很复杂,其受力性状与常规桩距的桩基础有明显的不同,对此目前还研究得不够,尤其现场足尺试验资料不多,学术上有不同的观点,争论焦点之一是在正常使用条件下,减沉桩是在承载力特征值还是在极限承载力下工作或在两者之间工作。本文[2]通过减沉桩模型试验和有限元分析认为,桩在80%～90%的单桩极限承载力下工作;文[3],[4]建议桩承载力按0.9Qu设计(Qu为单桩极限承载力),按单桩极限承载力设计复合桩基可为充分发挥承台底地基土的直接承载作用创造条件;文[5]认为,当浅基础(承台)产生一定沉降时,桩能充分发挥并始终保持其全部极限承载力,即有足够的“韧性”;文[6]提出上海地区可令桩发挥极限承载力的桩与承台摩擦桩基础的设计建议;上海规范[7]规定,复合桩基、桩和土共同作用,当荷载达群桩极限状态时,荷载全部由桩承担,地基土不承受荷载,当荷载超过极限承载力时,超过的部分由基底地基土承担。文中工程减沉桩复合桩基设计采用《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)[8]中的设计方法,基底附加压力按总荷载扣除单桩承载力特征值进行计算。

　　2　工程概况

　　六横沙浦一3层办公楼,建筑面积1600m2,框架结构,上部结构荷载效应基本组合设计值32442kN,基础埋深0.9m,地下水位0.9m,采用梁板式筏型基础,平面尺寸39.24m×17.4m,板厚250mm,纵向地基梁500mm×650mm和500mm×800mm,横向地基梁400mm×600mm,基础平面见图1,承台构造见图2。

　　工程所在场地土层分布较单一,共有3个岩土工程单元层和2个亚层,层①1为填土层,其他物理力学指标见表1。

　　3、天然地基沉降计算

　　(1)基底平均压力为:

　　pk=Fk+Gk

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

　　(2)软弱下卧层承载力按下式验算:

　　pz+pcz≤fazpz=lb(pk-pc)(b+2Ztanθ)(l+2Ztanθ)式中:pz为软弱下卧层顶面附加压力;pcz为软弱下卧层顶面自重压力,pcz=2413kPa;faz为经深度修正软弱下卧层承载力特征值,faz=6216kPa;pc为基础底面处自重压力,pc=1711kPa;Z为基础底面至软弱下卧层顶面距离,Z=018m;θ为扩散角,由ZPb=018P1714=0105,Es1

　　PEs2=811P212=317,故θ=0°。计算得:

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

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

　　(3)按分层总和法计算筏板基础沉降:

　　s=ψsΣn1p0Esi(zi.αi-zi-1.αi-1)式中:ψs为沉降计算经验系数,根据地基规范[13]由.Es=2146MPa查表得ψs=111;p0为荷载效应准永久组合的平均附加压力,p0=33kPa;Esi为基底下第i层土压缩模量;.αi,.αi-1为承台等效面积角点平均附加应力系数;zi,zi-1为承台底至第i,i-1层土底面距离。最终计算得出s=25414mm。

　　4、减沉桩复合疏桩基础设计和沉降计算

　　由上述计算结果可知,采用天然地基的筏板基础的基底压力和软弱下卧层承载力验算均满足要求,但沉降s=254.4mm,已超过各地规范[7,9,12]规定的地基变形容许值:上海规范[7]规定,多层框架结构天然地基筏板基础中心点容许沉降为15～20cm;天津规范[9]规定,多层建筑容许沉降值为10～15cm;北京规范[12]规定,多层建筑框架结构长期最大容许沉降量为3～12cm。

　　为减少筏基沉降,采用减沉复合疏桩基础,即在每一根柱下各布设一根预制桩,桩截面250×250,桩长21m,桩端持力层为层③含角砾粉质粘土,总桩数44根。

　　根据表1中的参数,单桩承载力特征值为:

　　Ra=uqsiaLi+qpaAp=376.5kN

　　减沉复合疏桩基础底板中点最终沉降由两部分组成:一是基础底面土在附加压力作用下的压缩变形的沉降ss,二是桩对土影响产生的沉降ssp。

　　s=ψ(ss+ssp)(1)

　　式中ψ为沉降计算经验系数,无当地经验ψ取1.0。

　　由于基础底面桩和土的沉降是相等的,式(1)是通过计算桩间土沉降的方法计算基底中点最终沉降量。

　　4.1基底地基土附加压力产生的沉降ss

　　基底地基土附加压力产生的沉降ss,是按Bouissinesg解计算土中附加应力,由单向压缩分层总和法计算:

　　ss=Σui=1p0Esi(zi.αi-zi-1.αi-1)(2)　　承台等效宽度为:

　　Bc=BAcPL(3)

　　式中:Ac为承台底净面积;B,L分别为承台基础平面的宽度和长度。经计算Ac=680m2,B=17.4m,L=39.24m,Bc=11.56m。

　　根据荷载效应准永久组合计算假想天然地基平均附加压力p0

　　p0=ηp(F-nRa)/Ac(4)

　　式中:ηp为基桩刺入变形影响系数,取1.2;F为荷载效应准永久组合荷载值,F=33918kN;n为桩数,n=44。计算得出p0=30.6kPa。

　　基底附加压力作用下的沉降计算见表2。

　　注:L/B=2.3。

　　满足σz=011σc确定的沉降计算深度zn=15m,由基底地基土附加压力作用下产生的筏板基础中点沉降ss=131.3mm。

　　4.2桩对土影响产生的沉降ssp

　　因减沉桩端阻力相对较小,同时l/d=84(d为桩径),单桩沉降受桩端持力层性状影响不大,所以忽略端阻力对基底地基土沉降的影响,仅考虑桩侧阻力引起桩周土的沉降。按剪切位移传递法计算,当软土层桩侧剪切位移影响半径按8d考虑时,可得到ssp的简化公式:

　　ssp=280.qsu.Esi×d(SdPd)2(5)

　　式中:.qsu,.Es分别为桩身范围内按厚度加权极限侧阻力和平均压缩模量;d为桩身直径,方桩d=1.25b(b为单桩截面边长);Sd/d为等效距径比,方桩Sd/d=0.886A/(nb)。经计算.qsu=2318kPa,.Es=2179MPa,SdPd=14,ssp=318mm。

　　故减沉复合疏桩筏基中点沉降为:

　　s=ψ(ss+ssp)=1.0×(131.8+3.8)=135.6mm所以减沉复合疏桩筏基比筏板天然地基中点沉降(254.4mm)减小47%,且沉降值满足规范要求。

　　5、结论

　　(1)计算的基础中点沉降比天然地基沉降减小47%,说明设计少量减沉桩可使沉降满足规范要求。从结构封顶后的沉降观测知,其最大沉降量为45mm,预计最终沉降达128mm左右(假设封顶后沉降完成35%),当沉降速率0.01mm/d为沉降基本稳定标准时[10],预计沉降稳定时间不超过10年[11]。而不远处类似土层的框架结构,采用十字交叉梁条形基础,结构封顶后的最大沉降达105mm。

　　(2)该办公楼周边有多层住宅楼,道路下有自来水管线,当采用常规的预应力管桩或预制方桩时,无论是锤击法或静压法沉桩都将产生挤土效应,挤土范围达1～1.5倍桩长,所以要设置应力释放孔等减少挤土效应,同时设置测斜孔监测深层土体位移来控制打桩速率,就会增加工程造价。而减沉桩桩间距很大,达15.2d～16.4d,大大减少了挤土效应,甚至可不用考虑桩施工的挤土效应。

　　(3)该工程与采用常规桩基比较,采用减沉复合桩基可减少桩数30%,降低造价35%(含防挤土措施和监测费用)。

　　参考文献：

　　[1]东港海滨公园预应力管桩检验报告[R].浙江宏宇勘察设计有限公司,2004.

　　[2]郑刚,顾晓鲁.减沉桩承载机理的试验及计算分析[C]PP中国土木工程学会桩基学术委员会第2届年会论文集.北京:中国建材出版社,1994.

　　[3]宰金珉.复合桩基工作性质分析[C]PP中国建筑学会地基基础学术委员会论文集.太原:山西高校联合出版社,1992.

　　[4]宰金珉.复合桩基设计的新方法[C]PP第七届土力学及基础工程学术会议论文集.北京:中国建筑工业出版社,1994.

　　[5]黄绍铭,高大钊.软土地基与地下工程(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

　　[6]童翊湘.上海桩基础的使用经验和设计方法[J].华东电力设计院院刊,1979.

　　[7]上海市工程建设标准.DGJ08—11—1999地基基础设计规范[S].

　　[8]JGJ94—2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.

　　[9]天津市工程建设标准.DB29—20—2002岩土工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

　　[10]JGJP8—2007建筑变形测量规范[S].