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        載體樁設(shè)計(jì)過(guò)程中參數(shù)敏感性的模擬分析

        2023-08-05 06:16:28南通天一置業(yè)有限公司江蘇南通226001
        安徽建筑 2023年7期
        關(guān)鍵詞:樁基承載力設(shè)計(jì)

        邢 鋒 (南通天一置業(yè)有限公司,江蘇 南通 226001)

        1 研究背景

        隨著近年來(lái)我國(guó)城市更新與開發(fā)的速度越來(lái)越快,各種大規(guī)模的公建及住宅項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生,特別是各個(gè)城市在城市地標(biāo)建筑打造上不遺余力,建筑造型凸顯城市特色。工程規(guī)模不斷擴(kuò)大,樓面荷載不斷增加,傳統(tǒng)的天然地基方案顯然無(wú)法滿足該類型項(xiàng)目的需求,且地基變形及承載力達(dá)不到工程設(shè)計(jì)的要求。為了減小地基變形并增加承載性能,提出新的樁基或地基處理方案勢(shì)在必行。樁基礎(chǔ)即通過(guò)樁身將上部荷載傳遞至深層土體中,通過(guò)樁身與樁周土的摩擦力、樁端的端阻力形成抗力來(lái)承擔(dān)上部荷載。一般情況下,當(dāng)上部荷載較大或地質(zhì)條件較差時(shí),樁基方案是首選的基礎(chǔ)方案[1-2]。

        工程建設(shè)過(guò)程中,應(yīng)用較多的樁基有鉆孔灌注樁及預(yù)制混凝土管樁。鉆孔灌注樁適用于絕大部分的土層,基本不受地質(zhì)條件的影響,在我國(guó)是應(yīng)用最為廣泛的樁基型式之一,但鉆孔灌注樁施工成本高、周期長(zhǎng)、環(huán)境污染大,導(dǎo)致其往往非基礎(chǔ)工程的首選方案。在南通地區(qū),地質(zhì)條件以中軟土為主,上部較硬土層主要為中密~密實(shí)的粉砂土,因此本地區(qū)的基礎(chǔ)首選方案為預(yù)制混凝土管樁。預(yù)制混凝土管樁施工成本較灌注樁而言,成本底、施工速度快、可預(yù)制且環(huán)境污染小,在本地區(qū)應(yīng)用比較合適。但對(duì)開發(fā)商而言,如何有效較低施工成本成為其關(guān)心的首要問(wèn)題,上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化已接近極限,基礎(chǔ)方案的優(yōu)化成為當(dāng)前的主要議題,而載體樁的出現(xiàn)有效地解決了這一部分的問(wèn)題。

        載體樁是將樁基礎(chǔ)與地基處理結(jié)合起來(lái)形成的一種深層地基處理技術(shù),由樁身及載體兩部組成,樁身主要用來(lái)傳遞荷載,載體用來(lái)擴(kuò)散荷載,樁端持力層主要用來(lái)承擔(dān)荷載。相同長(zhǎng)度的載體樁與預(yù)制管樁,載體樁可提供更高的承載力并減小沉降以滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。在載體樁的設(shè)計(jì)過(guò)程中,一般只關(guān)注單樁承載力的大小,對(duì)樁徑、樁間距、載體尺寸及樁端持力層的研究較少[3],本文依托南通市某新建廠房的載體樁設(shè)計(jì),采用PLAXIS 軟件對(duì)不同樁徑、樁間距、載體尺寸及樁端持力層進(jìn)行建模計(jì)算,分析樁徑、樁間距、載體尺寸、樁端持力層對(duì)載體樁沉降的影響。

        2 研究概述

        2.1 載體樁概述

        載體樁由樁身及載體構(gòu)成,載體是經(jīng)重錘夯實(shí)形成的承載體,載體填料由混凝土、填料、壓實(shí)土和影響土體或者單獨(dú)由水泥砂拌合物構(gòu)成。通過(guò)重錘夯實(shí)土體,并填充干硬混凝土料,達(dá)到設(shè)計(jì)三擊貫入度的要求,使樁端形成加固體,由內(nèi)向外依次為干硬混凝土、填料、壓實(shí)土及影響土體,如圖1 所示。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果[4],在相同條件下,載體樁的承載力特質(zhì)值是同長(zhǎng)度、同樁徑灌注樁或管樁承載力的2~5倍[5]。

        圖1 載體樁構(gòu)成示例圖

        深層土體的夯實(shí)擠密過(guò)程是載體樁技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn),當(dāng)上部荷載通過(guò)樁身傳遞至被加固載體時(shí),由于載體主要由混凝土、夯實(shí)料及擠密土層組成,壓縮模量由內(nèi)向外依次遞減,應(yīng)力逐漸擴(kuò)散并減少。當(dāng)傳遞至持力層時(shí),應(yīng)力小于持力層地基承載力,從而滿足地基承載力的要求,應(yīng)力擴(kuò)散原理是載體樁的受力機(jī)理。

        2.2 模擬方案概述

        載體樁是一種較新的樁基技術(shù),且近些年來(lái)開發(fā)出了越來(lái)越多的新技術(shù)。載體樁承載力設(shè)計(jì)時(shí)主要關(guān)注方向分為兩個(gè)方面,即經(jīng)深度修正后的持力層承載力特征值和等效計(jì)算面積[6]。

        深度修正后的持力層特征值主要涉及到載體樁的設(shè)計(jì)深度及持力層,而等效計(jì)算面積主要受三擊貫入度及持力層土性的影響,總結(jié)起來(lái)就是載體深度、三擊貫入度及持力層三個(gè)方面為載體樁承載力設(shè)計(jì)的主要影響因素,而對(duì)設(shè)計(jì)樁徑、載體尺寸、樁間距的關(guān)注較少。在承載力滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí),沉降量是主要的關(guān)注對(duì)象,基于此,研究在相同上部荷載作用下樁基沉降對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性是非常有必要的。筆者采用PLAXIS軟件對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模分析,模型試驗(yàn)對(duì)比方案如表1所示。

        表1 模型試驗(yàn)對(duì)比方案

        3 參數(shù)敏感性的模擬分析

        載體樁的樁徑、載體尺寸、樁間距及樁長(zhǎng)的影響往往是樁基設(shè)計(jì)過(guò)程中容易忽略的問(wèn)題。筆者以南通市某工業(yè)廠房載體樁設(shè)計(jì)過(guò)程為例,采用PLAXIS軟件進(jìn)行建模,分別模擬各設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性,場(chǎng)地內(nèi)的各土層的物理力學(xué)參數(shù)及PLAXIS程序材料參數(shù)見表2。

        表2 場(chǎng)地內(nèi)的各土層的物理力學(xué)參數(shù)及PLAXIS程序材料參數(shù)

        根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告的推薦,本工程擬采用層6(粉砂)作為載體樁樁端持力層,單樁承載力特征值Ra=1200 kN,主要考慮兩個(gè)方面,首先,層6(粉砂)承載力特質(zhì)值大,是較為合適的持力層;其次,深度適中,層6 頂標(biāo)高位于自然底面下11.0~12.0 m,層厚大于3.0 m,機(jī)械施工較方便。為對(duì)比不同持力層對(duì)載體樁沉降的敏感性,筆者認(rèn)為場(chǎng)地內(nèi)層5(粉砂夾砂質(zhì)粉土)亦為較為合適的載體樁持力層。

        3.1 樁徑的影響

        其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變,以層6(粉砂)為樁端持力層,建立載體樁樁徑分別為400 mm 及500 mm 的模型,并在樁頂上部施加點(diǎn)荷載來(lái)模擬樁基承載力特征值,Ra=1200 kN。Y 方向的位移云圖及位移等值線如圖2所示。

        圖2 樁徑400及500mm時(shí)Y方向的位移云圖及位移等值線

        根據(jù)PLAXIS 計(jì)算結(jié)果可得,樁徑400mm 時(shí)樁端處Y 方向最大位移為2.884 mm,而樁徑500 mm 時(shí)樁端處Y方向最大位移為2.616 mm。故樁徑對(duì)載體樁位移影響較小,基本可以忽略樁徑的影響,但對(duì)于單樁承載力較大的載體樁,宜根據(jù)荷載要求采用相應(yīng)的樁徑。

        3.2 載體尺寸的影響

        根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)于樁徑300~500 mm 的載體樁,載體施工填量約為900塊磚,干混凝土填量體積約為1.8 m3。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的研究成果,按照規(guī)范計(jì)算及理想體積不變?cè)瓌t,載體樁載體的尺寸一般為0.8~1.20 m。載體直徑0.8 m、1.0 m 及1.2 m 的Y 方向位移云圖及位移等值線如圖3所示。

        圖3 載體直徑0.8m、1.0m及1.2m的Y方向位移云圖及位移等值線

        根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示,載體直徑對(duì)載體樁的沉降量有一定的影響,直徑為0.8 m、1.0 m 及1.2 m 的載體對(duì)應(yīng)的沉降分別為3.025 mm、2.815 mm 及2.773 mm,載體直徑越小,沉降量越大。采用1stOpt 軟件對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行線性及非線性擬合,載體直徑(d,單位m)與沉降量(S,單位mm)基本上呈冪指數(shù)關(guān)系,即S=2.86×d-0.22(R2=0.92)。

        3.3 樁間距的影響

        根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)[8]對(duì)沉管夯擴(kuò)或鉆孔擠擴(kuò)樁而言,在飽和非黏性土中,當(dāng)排數(shù)不少于3排且樁數(shù)不少于9 根的摩擦型樁基時(shí),基樁的最小中心距應(yīng)大于2.2D(擴(kuò)大端設(shè)計(jì)直徑)和4.0d(圓樁設(shè)計(jì)直徑或方樁設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)),其他情況時(shí)應(yīng)大于2.0D 和3.5d。對(duì)本文內(nèi)樁基設(shè)計(jì)而言,承臺(tái)下樁基數(shù)量為3~4 根,顯然應(yīng)滿足基樁的最小中心距大于2×1.0=2.0 m 和3.5×0.45=1.575 m。因此,為模擬樁間距對(duì)載體樁的影響,分別建立樁間距2.0 m及3.0 m 的計(jì)算模型。Y 方向位移云圖及位移等值線如圖4所示。

        圖4 樁間距2.0m及3.0m時(shí)Y方向位移云圖及位移等值線

        根據(jù)圖4 可知,當(dāng)樁間距為2.0 m時(shí),載體底最大位移為3.508 mm;當(dāng)樁間距為3.0 m 時(shí),載體底最大位移為3.188 mm;樁間距越小,載體樁沉降量越大。對(duì)比相同情況下(樁徑450 mm、載體直徑1.0 m)單樁沉降量2.815 mm,在周邊樁基的附加應(yīng)力疊加影響下,樁基沉降量增大。因此,確?;鶚蹲钚≈行木酀M足規(guī)范要求是十分必要的。

        3.4 持力層(樁長(zhǎng))的影響

        對(duì)比不同持力層(樁長(zhǎng))情況下載體樁的沉降量,在本工程中選擇層5(粉砂夾砂質(zhì)粉土)作為備選持力層,經(jīng)試算,載體樁單樁承載力特征值為950 kN。Ra=950 kN 時(shí),不同持力層載體樁Y 方向位移云圖及位移等值線如圖5所示。

        圖5 不同持力層載體樁Y方向位移云圖及位移等值線

        根據(jù)模擬結(jié)果顯示,當(dāng)以層6(粉砂)作為載體樁樁端持力層時(shí),載體底沉降量最大為1.938 mm;當(dāng)以層5(粉砂夾砂質(zhì)粉土)作為載體樁樁端持力層時(shí),載體底沉降量最大為2.235 mm;持力層為粉砂夾砂質(zhì)粉土?xí)r沉降量更大。且從Y方向的位移云圖可以發(fā)現(xiàn),短樁對(duì)周邊土層的擾動(dòng)較長(zhǎng)樁范圍更大。由于層5埋深較淺,且樁端持力層承載力較層6而言較弱,雖然也是較為理想的載體樁樁端持力層,但針對(duì)單樁承載力較高的載體樁而言,建議持力層選擇為埋深較深、土層承載力高且厚度大的土層。此時(shí),在相同荷載作用下可有效控制樁底沉降量。其次,考慮到城市中心地下空間的開發(fā)利用,若周邊地塊開挖降水,降水引起的附加應(yīng)力對(duì)已完工的載體樁沉降亦有一定的影響,當(dāng)載體埋深較深時(shí),可減小降水引起的附加應(yīng)力對(duì)載體樁的影響。

        4 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)某工業(yè)廠房載體樁的設(shè)計(jì)工作,采用PLAXIS軟件建立樁土相互作用的模型,通過(guò)改變載體樁設(shè)計(jì)過(guò)程中的參數(shù),對(duì)樁徑、載體尺寸、樁間距及持力層進(jìn)行了模擬計(jì)算,分析各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)載體樁沉降的影響,得出如下結(jié)論:

        ①樁徑對(duì)載體樁的沉降影響較小,但對(duì)于高單樁承載力特征值的載體樁而言,建議采用相適宜的樁徑;

        ②載體尺寸對(duì)沉降有一定的影響,相同條件下,載體尺寸越小,沉降量越大,載體尺寸與沉降量呈冪指數(shù)關(guān)系;

        ③在周邊樁基附件應(yīng)力疊加效用的作用下,樁間距越小,載體樁沉降量越大,且在載體樁設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)滿足基樁最小中心距的要求;

        ④樁長(zhǎng)越長(zhǎng)、載體處持力層承載力越高,對(duì)控制載體樁沉降有益,載體樁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇深度適中、承載力高的土層作為樁端持力層。

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