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        考慮樁土共同作用的樁筏基礎(chǔ)的分析

        2016-05-14 22:34:58劉平湘
        建筑建材裝飾 2016年5期

        劉平湘

        摘要:文章對(duì)采用樁土共同作用的樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算分析,說(shuō)明采用該基礎(chǔ)型式的可行性及經(jīng)濟(jì)性。

        關(guān)鍵詞:樁土共同作用;樁筏基礎(chǔ);沉降差

        中圖分類號(hào):TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674—3024(2016)05—117—02

        1項(xiàng)目概況

        振寧·星光廣場(chǎng)綜合樓項(xiàng)目位于南寧市江南區(qū)亭洪路58號(hào),東面為星光大道,南面與亭洪路相接,西面與規(guī)劃路相接。建筑地下三層,為平戰(zhàn)結(jié)合小汽車停車庫(kù);地上34層,1層為酒店大堂,2~5層為多功能廳、餐廳或宴會(huì)廳,6~11層、13~23、25層為辦公,26~32層為酒店,12、24層為避難層。房屋高度13 1.50m,建筑面積60022.45 m2。結(jié)構(gòu)體系采用框架一核心筒結(jié)構(gòu),核心筒與外框架柱的間距為11.85米/12.77米,主樓26層和30層角部有局部托柱轉(zhuǎn)換,二層有高度為9.5m的躍層柱。

        2基本地質(zhì)條件(摘自勘察報(bào)告)

        根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》,本工程場(chǎng)地上覆土層為第四系人工填土、黏土和圓礫層,下伏基巖為古近系泥巖,泥巖性狀、特征如下所述:

        (1)泥巖④1:灰色,青色,強(qiáng)風(fēng)化,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層厚狀構(gòu)造,局部夾煤層,為古近系巖層,屬極軟巖,巖體較完整,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。層頂埋深2.20~27.40m,揭露厚度4.10~3.20m,平均厚度14.87m。場(chǎng)地范圍內(nèi)均有所揭露。屬低壓縮性土。

        該層做標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)29次,實(shí)測(cè)擊數(shù)N=50~68擊,標(biāo)貫修正技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為42.9擊;取巖樣17件,壓縮系數(shù)α1-2=0.054~0.131MPa-1,均值0.081MPa-1。

        (2)泥巖④2:灰色,青色,中風(fēng)化,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層厚狀構(gòu)造,局部夾煤層,為古近系巖層,屬極軟巖,巖體較完整,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。層頂埋深22.40~33.60m。該層取6組巖樣進(jìn)行飽和單軸抗壓試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)值為0.41Mpa。場(chǎng)地范圍內(nèi)均有所揭露,未揭穿,入完整巖最大深度為17.1m。屬低壓縮性土。

        根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》,泥巖④1層的地基承載力特征值為fak=380kPa,根據(jù)本項(xiàng)目淺層平板載荷試驗(yàn),泥巖④1層的地基承載力特征值可提高至fak=525kPa。

        3基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的比較選擇

        (1)地質(zhì)勘察報(bào)告建議該棟樓的基礎(chǔ)型式采用樁基礎(chǔ),且甲方要求出圖的時(shí)間較緊,沒(méi)有時(shí)間考慮別的基礎(chǔ)方案,因此,經(jīng)與甲方溝通后,前期只能先按地勘報(bào)告的建議,框架部分和核心筒部分均采用旋挖成孔灌注樁方案設(shè)計(jì)出圖(該樁基方案的造價(jià)較大),出圖后再另行進(jìn)行基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        (2)提交施工圖后,甲方組織有關(guān)參建各方召開(kāi)了針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的專題技術(shù)討論會(huì)議,提出了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化要求。為此,設(shè)計(jì)提出了以下三個(gè)優(yōu)化方案:

        方案一:主樓采用整體筏板基礎(chǔ),核心筒及相鄰范圍采用CFG樁進(jìn)行地基處理;

        方案二:外框柱下采用天然地基上的柱下獨(dú)立基礎(chǔ),核心筒部分采用地基處理后復(fù)合地基上的筏板基礎(chǔ);

        方案三:外框柱下采用天然地基上的柱下獨(dú)立基礎(chǔ),核心筒部分采用樁土共同作用下的樁筏基礎(chǔ)。

        (3)對(duì)于方案一,根據(jù)建筑方案,本工程地下室底板面絕對(duì)標(biāo)高為67.7m,已經(jīng)位于泥巖④1層,經(jīng)過(guò)計(jì)算,外框部分的天然地基承載力無(wú)需地基處理即可滿足設(shè)計(jì)要求,而核心筒部分的地基反力達(dá)950 kPa。若采用地基處理,地基承載力特征值需由525 kPa處理至950 kPa。在工程實(shí)際中,因泥巖④1層處理后的地基承載力提高幅度較大,理論計(jì)算的置換率高,處理成本高,而且當(dāng)?shù)貨](méi)有類似的成功案例,因此不考慮該方案。

        (4)對(duì)于方案二,經(jīng)過(guò)計(jì)算,外框部分的天然地基承載力無(wú)需地基處理即可滿足設(shè)計(jì)要求,但核心筒部分的地基反力達(dá)1150 kPa,同樣因處理后的地基承載力提高幅度太大而不考慮該方案。

        (5)經(jīng)比較、分析,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),選擇方案三,即外框柱下采用天然地基上的柱下獨(dú)立基礎(chǔ),核心筒部分采用樁土共同作用下的樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案。

        4樁土共同作用的工程實(shí)用方法

        (1)樁土共同作用問(wèn)題一直受到巖土界同行的重視,是基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)中人們反復(fù)討論、反復(fù)爭(zhēng)論的一個(gè)熱點(diǎn)?;仡櫂锻凉餐饔玫难芯繗v程,初期的研究將思維局限于彈性理論,只是采用彈性變形協(xié)調(diào)的概念進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算,不去仔細(xì)考證這種理論和概念對(duì)我們所研究問(wèn)題的適用性。

        在經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀測(cè)、分析和了解樁基沉降發(fā)生、發(fā)展的實(shí)際過(guò)程的基礎(chǔ)上,拋棄樁土彈性變形協(xié)調(diào)概念,將樁土共同工作的實(shí)際過(guò)程簡(jiǎn)化為樁頂荷載未超過(guò)和超過(guò)樁的極限承載力兩個(gè)階段。在較小荷載下,主要由樁承受外加荷載,當(dāng)荷載超出單樁極限承載力時(shí),承臺(tái)下土的支撐力就變?yōu)橹饕摹?/p>

        (2)強(qiáng)度條件和變形條件雙控是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最基本的原則,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也不例外,可以以樁土共同作用的極限狀態(tài)作為基樁強(qiáng)度的驗(yàn)算條件,另一方面,必須用沉降計(jì)算的方法滿足樁基礎(chǔ)的沉降控制條件。在不考慮樁土共同作用的時(shí),用樁量較大,樁基沉降量較小??紤]了樁土共同作用工作以后,用較少的樁就可以滿足強(qiáng)度條件。強(qiáng)度條件比較容易滿足,這就使得沉降條件顯得更為嚴(yán)格,換句話說(shuō),常使沉降條件成為控制條件。

        在上海地區(qū),由于他們積累了大量實(shí)測(cè)的樁基長(zhǎng)期沉降觀測(cè)數(shù)據(jù),在常用的工程樁運(yùn)用范圍內(nèi)大大地提高了當(dāng)?shù)貥痘两涤?jì)算的精度。因此,在上海不僅可以以變形條件作為真正的控制條件,而且進(jìn)一步可直接用變形條件確定布樁總數(shù)量。

        上述的基本概念和工程設(shè)計(jì)實(shí)用方法都很簡(jiǎn)單,但在具體設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)該注意一下幾點(diǎn):

        (1)在具體的設(shè)計(jì)中,不可能一次就使得強(qiáng)度和變形兩個(gè)條件都恰好滿足。因此,一個(gè)好的設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)優(yōu)化的過(guò)程:第一步先確定樁端持力層,樁型和單樁極限承載力;第二步是假定基礎(chǔ)承臺(tái)底面尺寸;第三步計(jì)算沉降與樁數(shù)的關(guān)系曲線;第四步驗(yàn)算整體強(qiáng)度。根據(jù)第三、第四步的結(jié)果返回到第一、第二步進(jìn)行修正,再進(jìn)行第三、第四步的計(jì)算,如此循環(huán),以相對(duì)最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

        (2)由于實(shí)際的樁土共同作用工作可簡(jiǎn)化為兩個(gè)階段。第一階段由樁單獨(dú)承受上部荷載,待到樁的荷載達(dá)到極限承載力時(shí)進(jìn)入第二階段,樁向土中刺,這時(shí)土才真正參加共同工作。隨著荷載的增加,各樁都先后達(dá)到極限承載力,樁的沉降明顯增大,基礎(chǔ)的沉降由承臺(tái)下的土地所控制,計(jì)算這時(shí)的基礎(chǔ)沉降量,其計(jì)算點(diǎn)必須選擇在樁與樁之間的土上,基礎(chǔ)沉降應(yīng)等于承臺(tái)底面以下土體的總壓縮量。

        (3)以上所述的都是沉降穩(wěn)定以后的最終狀態(tài),所計(jì)算的沉降也是最終沉降量,在長(zhǎng)期的沉降發(fā)展過(guò)程中,各不同時(shí)刻的樁土共同作用與我們估算的最終狀態(tài)是有所不同的,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是樁與樁之間的土體隨著時(shí)間還會(huì)發(fā)生緩慢變形。在加載初期,樁土的荷載分擔(dān)可認(rèn)為基本上按照樁或土的瞬時(shí)剛度分配,土面上會(huì)受到一定的力。但以后的變化就不一樣了,樁身的壓縮基本上可以認(rèn)為非常接近彈性,而樁問(wèn)的土體在通過(guò)摩擦阻力傳來(lái)的應(yīng)力作用下會(huì)繼續(xù)壓縮。樁問(wèn)土的壓縮量是比較大的,可以估算出來(lái),大約幾公分到二十公分。在樁側(cè)樁與土接觸面上樁與土質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移不斷變化的,因此在具體設(shè)計(jì)時(shí),必須要考慮到在沉降的發(fā)展過(guò)程中,這些受力的變化所造成的最不利的影響。

        (4)本工程樁筏基礎(chǔ)的筏板底部土層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖④1層,樁端持力層為中風(fēng)化泥巖④2層,由于強(qiáng)風(fēng)化泥巖④1層、中風(fēng)化泥巖④2層均為極軟巖,在本地的設(shè)計(jì)行業(yè)中均不認(rèn)為此泥巖為巖石,只要樁基下持力層存在沉降,則樁間土就可以起到作用。因此,為了充分利用筏板底泥巖的承載力,樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)考慮樁土共同作用的方案,其中樁承擔(dān)上部約70%的荷載,樁間土承擔(dān)上部約30%的荷載。同時(shí),為減小樁長(zhǎng),采用樁端后注漿工藝。該基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案取得了良好的經(jīng)濟(jì)性效果。

        5本212程沉降分析

        (1)根據(jù)PKPM計(jì)算結(jié)果,核心筒部分的沉降約為61mm,外框架柱獨(dú)立基礎(chǔ)最大沉降量為72mm,沉降差11mm。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)表5.5.4,允許沉降差為0.0021=0.002×11850=23.7mm>11mm,計(jì)算沉降差滿足規(guī)范要求。

        (2)臨近場(chǎng)地沉降計(jì)算及觀測(cè)結(jié)果。同地塊1#住宅樓31層,建筑高度99.9米,剪力墻結(jié)構(gòu),筏板基礎(chǔ),地基持力層為泥巖④1層,目前已經(jīng)施工至27層(內(nèi)隔墻未砌筑)。PKPM計(jì)算的沉降量約為80mm,目前觀測(cè)沉降量約為8mm。

        從以上理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果并綜合其它項(xiàng)目的數(shù)據(jù)看,程序理論計(jì)算的沉降量與實(shí)際沉降量有較大出入,實(shí)際沉降量要小于理論計(jì)算值,基礎(chǔ)沉降差滿足規(guī)范的要求。

        6本工程控制沉降差的其他方法

        我們還可以通過(guò)采取以下有效措施控制核心筒與外框之間的沉降差:

        (1)適當(dāng)加大外框柱下獨(dú)基尺寸;

        (2)底板底靠近筏板、獨(dú)基位置因放坡開(kāi)挖被挖除的部分采用素混凝土回填,保證底板底地基土的承載力;

        (3)主樓范圍內(nèi)的底板加厚至h=400mm;

        (4)基礎(chǔ)與防水底板之間留施工縫,分開(kāi)施工。

        7結(jié)論

        根據(jù)以上分析,本工程核心筒部分采用考慮樁土共同作用的樁筏基礎(chǔ)、外框部分采用獨(dú)立基礎(chǔ)的基礎(chǔ)型式,沉降差滿足規(guī)范的要求,也是相對(duì)經(jīng)濟(jì)、合理的。

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