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        基于變形控制為原則的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法分析

        2021-07-19 10:17:44周弦
        商品與質(zhì)量 2021年26期
        關(guān)鍵詞:天盛樁基礎(chǔ)樁基

        周弦

        成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司武漢分公司 湖北武漢 430060

        按照變形條件進(jìn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì),可以減少樁基的數(shù)量,降低樁基施工成本,深受國(guó)內(nèi)外建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的重視。有學(xué)者提出,當(dāng)樁基的承載力足夠,但未發(fā)生形變時(shí),可以通過(guò)減少樁基數(shù)量降低其下降率。部分學(xué)者提出,在有限元分析的基礎(chǔ)上,構(gòu)建具有大垂直剛度的復(fù)合樁基可以有效地減少樁基的數(shù)量。Cooker通過(guò)對(duì)前人的總結(jié),認(rèn)為傳統(tǒng)樁基設(shè)計(jì)的安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3.0。其他學(xué)者提出徐變樁基的設(shè)計(jì)方法,并得到樁基下沉降程度的計(jì)算公式,對(duì)實(shí)際樁基的下沉率進(jìn)行有效估算。

        1 以變形控制為原則的樁基設(shè)計(jì)方法

        目前,以變形控制為原則的樁基設(shè)計(jì)方法主要包括,減少沉降量設(shè)計(jì)、復(fù)合樁基設(shè)計(jì)、疏樁基設(shè)計(jì)、變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)等,具體內(nèi)容如下:

        1.1 減少沉降量樁基設(shè)計(jì)

        減少沉降量樁基設(shè)計(jì)的理論為樁土相互作用理論,通過(guò)全面分析樁基-筏-土壤之間的系統(tǒng)作用力,得到樁基的減小沉降量方法。樁土相互作用理論認(rèn)為,樁基的數(shù)量、長(zhǎng)度要與其所處的土壤的性質(zhì)、沉降率和穩(wěn)定性密切相關(guān)。黃紹明認(rèn)為,樁基在軟土地區(qū)的基礎(chǔ)底面中存在臥土層,造成樁基的沉降量過(guò)大,所以要減少樁基的數(shù)量,以控制樁基的沉降率。其中,樁基的極限負(fù)荷計(jì)算公式為:

        其中,n作為樁基數(shù),λ為修正系數(shù),Psu為樁基側(cè)面的極限阻力,Psu頂端的極限阻力,Rd為承建臺(tái)的極限承載力,F(xiàn)為承載臺(tái)面積[1]。

        樁基的沉降計(jì)算需要考慮到兩方面因素,一方面,外荷負(fù)載要小于單個(gè)樁基極限承載力之和。假設(shè)荷載全部由各個(gè)樁基承擔(dān),需要對(duì)承載臺(tái)的承載作用進(jìn)行分析,并利用Geddes方法來(lái)計(jì)算樁基在土中的應(yīng)力。利用樁基應(yīng)力的自然沉降方法,計(jì)算承載臺(tái)在土中的應(yīng)力,在對(duì)兩者進(jìn)行和運(yùn)算,以求得各個(gè)分層的沉降應(yīng)力總和。另外,基礎(chǔ)沉降應(yīng)該分為兩部分,一部分為莊群,其主要是承擔(dān)荷載引起的基礎(chǔ)沉降力,另一部分為承載臺(tái)分擔(dān)的沉降力,主要是承載臺(tái)負(fù)荷引起的地基沉降。

        1.2 復(fù)合樁基設(shè)計(jì)

        復(fù)合樁基是指按照大的樁基距離進(jìn)行稀疏布置,其承載臺(tái)的樁基群的摩擦力小于承載樁摩擦力,與承載底部的土體共同構(gòu)成樁基基礎(chǔ)。樁基之間的單樁基只有進(jìn)入非線性段后,才能發(fā)揮相應(yīng)的承載作用。當(dāng)各個(gè)樁基達(dá)到極限時(shí),樁基的極限承載率與土體的承載負(fù)荷之間的比例固定,并以三折線形式的單樁P-S曲線為特點(diǎn),反映樁基群中各樁基的非線性性狀。通過(guò)分析非線性性狀,可以計(jì)算樁基的可行性和安全性,并與單樁負(fù)荷水平Pu進(jìn)行比較,判斷漿機(jī)是否符合相應(yīng)的要求。復(fù)合樁基與其底部的附加壓力聯(lián)合作用,會(huì)產(chǎn)生疊加附加應(yīng)力場(chǎng),通過(guò)對(duì)該數(shù)值的評(píng)估和估算,可以判斷樁基的安全性。復(fù)合樁基沉降估算方法如下:

        其中,Sr為彈性半空間上的剛性板沉降估值,E0樁基下面土體的變形模量,P0將基底層的附加壓力。

        1.3 稀疏樁基設(shè)計(jì)

        稀疏樁基設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是在軟土層上,不僅要最大程度地發(fā)揮單個(gè)樁基的承載力作用,并達(dá)到控制下成立的目的,而且要充分發(fā)揮樁基所在土層的自然承載力作用,達(dá)到稀疏化樁基的目的。在樁基的整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中,由于樁基距離之間比較大,所以樁基對(duì)土的加強(qiáng)作用并不明顯。另外,稀疏的樁基礎(chǔ)會(huì)降低樁基群的聯(lián)合作用,使得樁基出現(xiàn)擾動(dòng)、土體抗剪強(qiáng)度降低。在工程實(shí)踐過(guò)程中表明,稀疏樁基礎(chǔ)的稀疏率達(dá)到最佳基土樁容量時(shí),建筑物的沉降量會(huì)逐漸降低,所以合理的樁基稀疏率會(huì)降低建筑的成交量,其計(jì)算公式如下:

        其中,nc為傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的樁基總數(shù),ns為稀疏樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的樁基總數(shù)。依據(jù)樁基礎(chǔ)的極限狀態(tài),可以得到單個(gè)樁基的極限承載力,其計(jì)算公式如下:

        其中,fimax為各個(gè)土層的極限摩擦力,Rmax為單個(gè)樁基的土層極限承載力。

        1.4 變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)

        變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)是通過(guò)增減樁基的直徑、長(zhǎng)度、數(shù)量和材料,以及改變樁機(jī)的布置方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基圖體剛度的分布調(diào)整。變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)可以加大土體的承載力,減少樁基沉降率,使得樁基的差異沉降率符合實(shí)際要求。變剛度調(diào)頻設(shè)計(jì)主要是通過(guò)上部結(jié)構(gòu)、承載臺(tái)、樁基土的共同作用發(fā)揮承載作用的目的,其計(jì)算方程為:

        2 不同變形控制為原則的樁基設(shè)計(jì)方法比較

        利用上述公式和方法,對(duì)基于變形控制為原則的樁基設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較,找出其中的優(yōu)劣和適用條件,為實(shí)際的樁基施工提供理論基礎(chǔ),具體內(nèi)容如下。

        通過(guò)上述表現(xiàn)的特點(diǎn)對(duì)比,找出基于變形控制為原則的樁基設(shè)計(jì)方法的適用范圍,為后期的樁基施工提供借鑒和幫助。上述不同方法的沉降率不同,其結(jié)果如圖1。

        圖1 天盛購(gòu)物中心樁基施工圖0

        通過(guò)上述分析可知,復(fù)合樁基的變化情況較大,稀疏樁基、變剛度樁基、減少沉降樁基的沉降率均隨著沉降時(shí)間而增加,整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

        3 實(shí)際案例分析

        以天盛購(gòu)物中心工程為例,對(duì)其樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。該施工樓為復(fù)合樁基設(shè)計(jì),采用CFG樁,樁基之間的跨度為7.2米×7.2米,最大負(fù)荷為4900kN。

        天盛購(gòu)物中心采用框架結(jié)構(gòu),樁基礎(chǔ)采用獨(dú)立灌注方式,并與下部樁土進(jìn)行聯(lián)合,構(gòu)成樁基礎(chǔ)平臺(tái)。該建筑土層構(gòu)成為:上層軟座狀粘土與粉質(zhì)粘土混合,厚度為8-9m,樁土的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載率為100-1220kPa;下部為軟塑狀淤泥質(zhì)粉土,厚度為30米,承載力為80-90kPa。本工程結(jié)合上述的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法,對(duì)比相應(yīng)的數(shù)據(jù)找出最適合的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

        通過(guò)上述參數(shù)的對(duì)比得到不同樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法的數(shù)值,并以此數(shù)值為基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)仿真,結(jié)果如圖2所示。

        圖2 天盛購(gòu)物中心的三種樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

        通過(guò)上述分析可知,建筑工程不適合采用復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì),適合采用稀疏樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。稀疏樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不僅可以減少樁機(jī)的用量,為工程施工節(jié)約成本。同時(shí),稀疏樁基礎(chǔ)可以降低天盛購(gòu)物中心的沉降率,為施工單位帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)效益。

        4 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,基于變形控制為原則的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法較多,每個(gè)方法具有各自的優(yōu)點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的適用范圍。針對(duì)實(shí)際的土層情況對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行合理設(shè)計(jì),不僅可以為施工單位帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益,而且可以減少建筑的沉降率。目前,基于變形控制為原則的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于東南沿海城市,并取得了較好的施工效果。從本文的實(shí)際施工案例可知,基于變形控制為原則的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法可以最大程度地發(fā)揮單個(gè)樁基礎(chǔ)的承載力,形成樁基礎(chǔ)、土層、樁基礎(chǔ)群之間的聯(lián)合承載作用,充分發(fā)揮組成天然的承載力,有效降低樁基礎(chǔ)的下降率。本文通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)仿真發(fā)現(xiàn):針對(duì)不同的土層情況、建筑施工高度,采用適宜的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法,可以為施工單位帶來(lái)可觀的應(yīng)用之處。另外,樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法中仍然存在不足,需要進(jìn)一步的實(shí)際案例驗(yàn)證以及進(jìn)行相關(guān)理論的分析。在未來(lái)的研究過(guò)程中,將以此為突破點(diǎn),積累更多的施工經(jīng)驗(yàn)和案例,對(duì)其理論和適用范圍進(jìn)行完善。

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