王廷磊

身份證410782198101144253

淺層地基土應(yīng)用的新途徑

王廷磊

身份證410782198101144253

通過考察對(duì)淺層地基土的強(qiáng)度和變形研究現(xiàn)狀及應(yīng)用方法，提出了既能夠利用淺部低強(qiáng)度地基土作為高層建筑基礎(chǔ)的持力層，又能夠反映土和工程結(jié)構(gòu)之間相互作用，同時(shí)具備簡(jiǎn)單、方便、經(jīng)濟(jì)、安全等特點(diǎn)的土層圍壓應(yīng)用。通過試驗(yàn)測(cè)試、工程實(shí)踐效果證明了這種應(yīng)用的合理性及有效性。

淺層土；工程結(jié)構(gòu)；圍壓應(yīng)用；地基

在千米厚度以上的松散沉積地層中進(jìn)行高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵莫過于解決合理地做好地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。隨著高層建筑的規(guī)劃建設(shè)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方式已經(jīng)難以對(duì)高層建筑地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)給出滿意的解釋和詮釋。這些建立在樁基和復(fù)合地基原理上的設(shè)計(jì)理論，特別是對(duì)于河湖相沉積的、呈薄層及互層狀的飽和粉土及粉質(zhì)黏土層，則是把基礎(chǔ)底板下一定厚度的、承載力小于130 kPa的該類土層用高強(qiáng)度、低變形量的樁基礎(chǔ)方法或以高強(qiáng)度加強(qiáng)體為主的復(fù)合地基加以處理,這無疑確保了高層建筑的安全,但是在經(jīng)濟(jì)、施工便利、簡(jiǎn)單等方面失去了優(yōu)越性。試驗(yàn)結(jié)果表明：土的強(qiáng)度并非定值，而是隨土圍壓力的增高有所增加；土的軸向變形則隨土的圍壓力增加而減弱。這里擬以三軸強(qiáng)度試驗(yàn)為原理，提出圍壓結(jié)構(gòu)的具體工程設(shè)計(jì)及思路，利用圍壓結(jié)構(gòu)將地基土分割為等面積、等體積土的大型三軸強(qiáng)度試驗(yàn)組合，使得圍壓結(jié)構(gòu)和土體形成新的共同工作的結(jié)構(gòu)地基，以解決高層建筑地基基礎(chǔ)中淺層軟土為高層建筑地基利用的現(xiàn)實(shí)問題。

1 高層建筑地基及設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1.1 高層建筑地基及設(shè)計(jì)歷史

高層建筑的空間和平面的拓展為地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論提供了新的研究課題和方向，同時(shí)也為土力學(xué)研究成果的工程實(shí)現(xiàn)提供了應(yīng)用空間。上世紀(jì)80年代初期，在大厚度松散土上建筑高層建筑,基本上以結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論為依據(jù)，提出了以樁內(nèi)全置換土為主的樁基和列成熟設(shè)計(jì)理論、施工工藝，檢測(cè)措施等。存在的不足：①雖然樁基系列具有明顯的安全性，但是由于舍棄淺層有一定承載能力、抗變形能力的軟弱土，無疑要求基礎(chǔ)的剛度、長度、整體強(qiáng)度加大，故直接導(dǎo)致基礎(chǔ)的工程造價(jià)飆升以及施工工藝的復(fù)雜化；②由于樁結(jié)構(gòu)體在地基土內(nèi)所占的面積比例為10%左右,卻承擔(dān)100%的建筑荷載作用，樁的應(yīng)用集中效應(yīng)明顯；③樁體表面與土的接觸面積有限，大多情況下樁的承載力由土的摩阻力和端阻力共同作用，而影響范圍之外的土并不能充分提供其強(qiáng)度試驗(yàn)和真三軸剪切試驗(yàn)。

1.2 多層軟弱土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方式

到目前為止，對(duì)于淺層土的利用有三種設(shè)計(jì)方式：①沿襲結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和集中荷載方式發(fā)展下來的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。絕大多數(shù)軟弱地層中的基礎(chǔ)采用樁孔內(nèi)部分或全部的置換土并填充人工高強(qiáng)度材料，借此將上部荷載通過樁、土的端阻力等傳遞到土深部，借助于樁表面與土的摩擦力消散于土內(nèi)。②采用復(fù)合地基加固原理為依據(jù)的地基加固設(shè)計(jì)[1],利用率由原來的10%上升到20%[2]。這種設(shè)計(jì)方式源于三軸剪切試驗(yàn)對(duì)于土在受力過程中變形特性和破壞特點(diǎn)的微觀描述和認(rèn)識(shí)[3]及對(duì)土固結(jié)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。因此，出現(xiàn)了以樁側(cè)摩阻力和樁端阻力聯(lián)合貢獻(xiàn)于樁承載力的，在原位半置換土的粉噴樁、高壓施噴樁、深層攪拌樁等滲透性設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)雖然對(duì)淺層軟弱土的工程實(shí)踐產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用，但是廣泛地利用于高層建筑地基中的地基處理設(shè)計(jì)還在探索階段。③樁基礎(chǔ)和地基處理相結(jié)合的混合設(shè)計(jì)[5]。這種設(shè)計(jì)方式部分地實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、安全、高效的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，顯然受到現(xiàn)代土力學(xué)研究成果的影響，地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)又前進(jìn)了一步。

然而，這些地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)均忽略了三軸強(qiáng)度試驗(yàn)中的圍壓對(duì)于土強(qiáng)度和變形的控制作用，或只針對(duì)土的某些特殊性質(zhì)提出相應(yīng)的處理措施，更忽略了土中圍壓作用整體性改變土的力學(xué)屬性的圍壓結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)形式。

1.3 軟弱土層應(yīng)用新思路

新的圍壓結(jié)構(gòu)地基設(shè)計(jì)，無疑需要現(xiàn)代土力學(xué)中最新研究成果的支持，勢(shì)必可以為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)增添新的設(shè)計(jì)方法，改善長期以來柔土力學(xué)研究成果與工程實(shí)踐的脫節(jié)現(xiàn)象。因此，在探討淺軟弱土應(yīng)用于高層建筑，必須有如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

軟弱土不能直接作為地基。原因在于沒有考慮土中應(yīng)力場(chǎng)會(huì)隨著土中應(yīng)力狀態(tài)的改變而變化，更沒有考慮到軟弱土塑性變形方向大小與應(yīng)力場(chǎng)改變的關(guān)系，甚至一個(gè)公認(rèn)的三軸強(qiáng)度試驗(yàn)土圍壓力增加直接導(dǎo)致主應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變減少、抗剪強(qiáng)度增加的試驗(yàn)事實(shí)被忽略。

土是由固相顆?？紫叮ê瑵庀?、氣相、膠結(jié)物質(zhì)等）組構(gòu)，在通常的工程范圍內(nèi)，可以認(rèn)為巖礦顆粒、黏土圍粒構(gòu)成了固相顆粒的基本強(qiáng)度單元,并假設(shè)基本強(qiáng)度單元在通常的圍巖條件下不發(fā)生顆粒破壞。

三軸強(qiáng)度試驗(yàn)中，土的初始孔隙比對(duì)土的應(yīng)力應(yīng)變有很大的影響。初始孔隙比越小，圍壓力越大，最大主應(yīng)力越大。相同的土大于不同圍壓力（σ2= σ3=χ1）情況下，主應(yīng)力σ1不變。在σ1＞σ2=σ3條件下，峰值強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著圍壓力（σ2=σ3=χ2）的升高（即χ1＞χ2）而增加；主應(yīng)力對(duì)應(yīng)的變形ε1則隨著圍壓力（σ2=σ3=χ2）升高而減少。

松散土樣因孔隙比較大，應(yīng)力應(yīng)變曲線中沒有峰值應(yīng)力增加。但是在足夠圍壓力和最大主應(yīng)力的作用下，體積首先垂直壓縮并且壓縮變形的增加量的逐漸減少，而無側(cè)向變形的增量。

對(duì)于無偏向荷載作用的軟弱地基土，控制土的側(cè)向變形要比限制垂直沉降意義更大。大量測(cè)試資料表明，地基土的側(cè)向變形是沉降、差異變形、傾斜的決定性因素。

1.4 圍巖結(jié)構(gòu)地基的設(shè)計(jì)

充分反映土所特有的屬性，即隨時(shí)間和環(huán)境產(chǎn)生的“結(jié)構(gòu)變形結(jié)構(gòu)破壞循環(huán)”。首先建立具有針對(duì)性的、“以土結(jié)構(gòu)破壞過程機(jī)理分析—量化評(píng)價(jià)”為宗旨工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念。其次在對(duì)設(shè)計(jì)更具針對(duì)性、系統(tǒng)性、有效性及經(jīng)濟(jì)合理的要求下、對(duì)現(xiàn)有的各種地基設(shè)計(jì)選擇適宜的圍壓結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地基土和圍壓結(jié)構(gòu)共同作用的要求。

對(duì)軟弱土側(cè)向變形穩(wěn)定性實(shí)施工程控制，即限制土的側(cè)向變形,并通過與土緊密結(jié)合的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

用系統(tǒng)分析原理對(duì)土和圍壓結(jié)構(gòu)之間的相互作用進(jìn)行分析，把圍壓結(jié)構(gòu)視為土中新結(jié)構(gòu)體系。

以室內(nèi)土三軸剪切試驗(yàn)原理為指導(dǎo)，輔以原位靜荷載試驗(yàn)對(duì)圍壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行足尺寸的觀場(chǎng)研究，分別進(jìn)行軟土中無側(cè)限圍壓結(jié)構(gòu)、存測(cè)限圍壓結(jié)構(gòu)和土結(jié)構(gòu)共同作用的試驗(yàn)，把獲得的數(shù)條試驗(yàn)壓縮曲線作為研究的根據(jù)。

圍壓結(jié)構(gòu)地基的計(jì)算式指導(dǎo)：視圍壓在結(jié)構(gòu)地基為均勻、各向同性的彈性體，結(jié)構(gòu)地基的分層與原天然地基土相同，依據(jù)彈性理論，極限平衡理論、有效應(yīng)力原理進(jìn)行地基的承載力特征值、壓縮衡量結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等計(jì)算式指導(dǎo)。

2 結(jié)論

把當(dāng)代土力學(xué)研究成果應(yīng)用到地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中是研究的最終目標(biāo)。將土變形及強(qiáng)度過程屬性作為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的思路顯然比一味地采用高強(qiáng)度、深部硬土作為地基更加重要。淺層土作為高層建筑地基雖然有缺陷，但是采用圍壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，淺層土可直接作為地基滿足建筑要求，同時(shí)減少地基基礎(chǔ)的加固和處理的深度。

圍壓工程設(shè)計(jì)必須對(duì)淺層土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、土與工程結(jié)構(gòu)之間相互作用進(jìn)行全面分析和合理認(rèn)識(shí)后進(jìn)行。

圍巖結(jié)構(gòu)并非單純的原位水泥攪拌樁一種，而是以其結(jié)構(gòu)深度與土層相匹配、與土結(jié)合程度高、經(jīng)濟(jì)、安全、易行為標(biāo)準(zhǔn)選用。這方面繼續(xù)探索的空間相當(dāng)寬廣，可在任何形狀的基礎(chǔ)、任意深度的軟土層中使用。

淺土層作為地基的設(shè)計(jì)方法很多，但滿足高層建筑要求的設(shè)計(jì)方法還沒有系統(tǒng)化。本文把圍壓增加土強(qiáng)度效應(yīng)與工程結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合一起，用簡(jiǎn)單的方法解決了困擾的、復(fù)雜的問題，探索意義顯著。

[1]曾國熙，盧肇鈞,等.地基處理手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1993：339-442.

[2]陳仲頤,葉書麟,等.基礎(chǔ)工程學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1993：90-116.

[3]閆明禮，王名山,等.多樁型復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討[J]. 2003,5(3)：352-355.