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刚性桩复合地基设计和施工要点

2015-07-13 379 0

1概述
　　软土地区建造多层及高层建筑，采用天然地基通常难以同时满足承载力与变形的双重要求。一般采用造价较高的桩基础，尽管桩基础具有承载能力高、应力传递路径明确、地基变形小的优点，但其浪费整个或绝大部分天然地基承载力的缺点也是工程设计人员所不愿意看到的。这样，复合地基应用的现实性和合理性就凸现出来，其主要优点有：
　　1）充分利用土的天然承载作用，桩土共同受力，提高地基承载力和减少沉降。
　　2）充分利用由于地下空间建筑地下室、基坑开挖卸荷建造建筑物对地基土的应力补偿作用。
　　3）保护桩身的稳定，并进一步固结软弱土层；防止桩顶与底板脱开，避免负摩擦力。
　　4）充分利用原有的土层结构条件，灵活、合理地选择桩端持力层。
　　5）经济、合理地降低造价。近年来，复合地基日益在岩土工程设计、施工中得到广泛应用和推广，对于多层建筑，则广泛地采用散体材料桩（碎石桩、砂桩等）、柔性桩（灰土桩、石灰桩、水泥土桩等）复合地基处理软土地基，取得了满意的效果，积累了丰富的设计、施工经验，特别是对柔性桩复合地基的研究有了比较成熟的设计计算及理论分析方法。但是由于散体材料桩、柔性桩复合地基对地基承载力的提高幅度有限，难以满足亚高层及高层建筑对承载力及变形的要求。而刚性桩复合地基具有承载力提高幅度可调范围大、变形模量高、桩体质量及耐久性有保障等优点，故可用于亚高层及高层建筑。本文拟通过对刚性桩复合地基承载机理、设计计算及施工中一些问题的探讨为设计和进一步研究提供借鉴和参考。
　　2刚性桩复合地基受力机理的基本阐述
　　桩体复合地基是在天然地基中置入竖向加筋体共同承受上部荷载并协调变形的人工地基。除散体材料桩如碎石桩、砂桩外，桩体复合地基根据增强体的性质又可分为柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。对于桩体刚性和柔性的区分，国内尚未形成统一的定量的公式或结论。但是由于桩体刚性和柔性的差异所形成的复合地基的承载特性、荷载传递的深度、扩散的范围等方面的差异已得到岩土工程界的普遍认同。刚性桩复合地基的桩体通常是以水泥为主要胶结材料，如低标号混凝土桩、水泥砂浆压力灌浆形成的树根桩、高压旋喷桩等，具有较高的强度，其强度等级一般在10-20MPa，初始受荷时，桩身上部产生垂直应力和弹性变形，并沿桩身向下部传递，在桩侧四周逐步产生摩阻力，但是由于桩间软弱土从初始状态也开始受荷并产生压缩固结变形，同时由于桩体强度较高，桩体自身的压缩量小，在桩身上部桩身与周围土体的相对位移较小，因而其自身垂直应力下移的传递过程非常迅速，桩侧摩阻力基本上是自下而上产生的。
　　通过分析可以看出，在加载初期桩顶及桩间土应力随着荷载的增大而增大，但二者应力相差不大，而从总体来说，地基土分担的荷载比例较大。随着施工进程的发展，上部荷载增大，由于桩与桩间土压缩模量的差异且桩间土的压缩固结变形的增大，荷载逐渐向桩上转移，出现应力向桩上集中的过程，桩顶应力急剧增大，而桩间土上的压力增长幅度较小。随着荷载的进一步增大，桩端附近产生塑性区并使桩对下卧层（或垫层）产生塑性刺入变形，从而使桩顶上的应力趋于稳定。随着时间的发展及桩间土的进一步固结，基底反力在桩土之间继续作一定的调整。在该工程设计中由于桩的承载力的安全系数较高，因而基本上没有反映增加荷载主要由土体来承担的过程段。笔者认为，对应于有限元计算的结果而言，如果上部荷载继续增加，则伴随着桩的刺入变形的发展，增加的荷载主要由桩间土承担，并且桩上的荷载也有部分向桩间土上转移，从而使桩土应力比有减小的趋势。上述过程同时也反映了桩基与复合地基的主要区别：即桩基是由桩来承担和传递上部荷载，而复合地基是由桩和桩间土共同承载。
　　3桩型的选择及其与柔性桩复合地基的综合应用
　　对于不同的土层结构以及具体性质不同的软弱土层，桩型的选择及其与柔性桩复合地基的综合应用也是设计人员进行概念设计的重要内容。就各种复合地基而言，碎石等散体材料形成的复合地基如前所述不仅其承载力提高幅度极为有限，而且其一般也仅适用于淤泥质粉土、可塑的粘土等类型的软弱土层，而对于处于流塑或软塑状态的软土而言，因其在施工过程中要么不能成桩，要么能够成桩但局部有挤断、挤歪等现象，同时其在承载过程中固结历时长，淤泥易进人散体材料中间，这些因素都影响了散体材料桩复合地基的处理效果。
　　4复合地基承载力公式分析
　　复合地基承载力的确定，比较可靠的方法是采用单桩或多桩复合地基原位载荷试验如果所采用的桩型为挤土桩，如沉管灌注桩，则在成桩的过程中邻桩在界面处易被挤断；而如果软弱土层较为深厚，即使桩身的强度较高，也会在土中形成歪桩，这样不仅得不到设计需要的承载力，而且桩的同向偏斜易造成建筑物的不均匀沉降，这样的工程教训已为数不少。有鉴于此，提出刚性桩和柔性桩复合地基的综合应用。
　　5 刚性桩复合地基的变形计算
　　对于刚性桩复合地基的变形计算，鉴于其受力的复杂性及众多的影响因素，至今为止尚无一种计算方法能够涵盖各种因素的影响作用。从工程应用的迫切需要来讲，笔者认为首先要从结合工程实测数据和一定的承载受荷机理的基础上找出沉降计算中的主要量，舍弃次要量，从精确和简便的双重要求建立计算公式。用于桩土复合地基中，即用布氏解求由桩间土受荷作用产生的土中的附加压应力，用明氏解求桩荷载作用产生的土中附加应力，然后再把两者叠加得：
　　= +
　　然后再按所求得的土体中的附加应力分层计算各土层的沉降。
　　6 考虑逆作法施工桩基在刚性桩复合地基施工中的应用
　　在加载初期提高桩间土的应力水平，降低桩土应力比，使桩与桩间土更好地共同工作，会最终提高复合地基的承载力，减少沉降量和增加基础的安全度。因此笔者认为在桩间软土不是很差的情况下，可以优先考虑逆作法施工桩基来进行刚性桩复合地基的施工。逆作法施工桩基即不同于正常的由下向上的施工方法，改变了以往传统的先打桩后建房的施工工艺。其具体做法就是首先将除桩以外的基础其他部分按设计要求施工，而在搅捣基础底板时按施工图预留桩位孔，再根据加固土层的土质情况及压桩所需的反力继续施工上部建筑到预定层次，在原预留桩位孔处用液压打桩机（或采用锚杆静压桩）将预制桩段逐段压人土中至压桩反力和压桩深度达到预定要求，并同时施工上部结构。在上述的施工过程中，由于桩间土的预压作用，能够增强后补桩的桩周摩阻力和桩端介质的围压，同时补桩作用又对桩间土有挤密作用。因此能够发挥桩土之间的共同作用。而该做法的另一个优点是将补桩工期穿插到上部结构施工的工期中，从而不占决定工期，大大加快了施工进度。
　　就现实而言，对于多层建筑采用考虑上部结构施工承载作用的桩筏复合地基采用逆作施工法已经取得了较多的经验。上海电子商厦（施工三层进行补桩）和上海冶金专科学校教学实验大楼（八层框架结构，施工三层后压桩）采用该施工法均取得了理想的效果，值得在工程实践中进一步推广应用。
　　7 参考文献
　　【1】龚晓南.复合桩基和复合地基理论.地基处理，1999，10（l）：3-15
　　【2】陈义侃.桩土复合基础的设计与试验研究.建筑结构，1996，（7）：10-14
　　【3】中国建筑科学研究院.JGJ79一一91建筑地基处理技术规范.北京：中国计划出版社，1992，23-24

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