素混凝土桩复合地基承载力和沉降量计算研究

素混凝土桩复合地基承载力和沉降量计算研究 素混凝土桩复合地基承载力和沉降量计算 研究 素混凝土桩复合地基承载力和沉降量计算研究 王建明 (上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240) 摘要:从地基沉降和承载力两个方面分析了素混凝土桩复合地基的作用机理,在沉降计算中将地基加固区 沉降量和下卧层沉降量均按照分层总和法考虑,并结合石家庄某实际工程,从承载力和地基沉降量两个方面 对索混凝土桩复合地基的作用机理进行分析验证.结果明素混凝土桩复合地基可以大幅度提高基础承载 力,并且地基沉降较小,该研究对实际的地基处理具有一定指导意义. 关键词:复合地基;素混凝土桩;承载力;沉降量;作用机理 中图分类号:TU473.1文献标识码:A文章编号:1672-3953(2009)06—0023-05 最早的地基处理技术起源于2000a前,将灰 土,三合土或者石灰等夯实作为建筑物的垫层来使 用,长城的修建中采用过此类方法口].现代的地基 处理技术始于19世纪3O年代的欧洲;我国的地基 处理从20世纪7O年代开始发展到现在,有密实法, 置换法,复合地基,加筋法,灌浆法等L2].密实法会 使地基的承载力提高,但是压缩能力降低;置换法会 低的软粘土地 降低地基土的侧向约束能力,对强度 基不适用;加筋法适用于铁路,公路和水工建筑物的 地基处理;灌浆法适用于砂土地基,湿陷性黄土地 基;复合地基利用桩土共同承担荷载,同时具有密实 法和置换法的优点,具有比较广泛的应用空间,也是 目前较常采用的地基处理方法. 素混凝土桩复合地基[3.妇属于复合地基的一 种,它是由素混凝土组成的桩作为增强体,与天然地 基一起承载的地基形式.这种地基处理方式最早是 1972年由Davis和Poulos_l.提出的,后来很多学者 对这类复合地基作了大量研究.经过素混凝土桩处 理过的复合地基承载力可以大幅度提高,可以从加 固前的6O,260kPa提高到16O,550kPa;而且大 量的复合地基试验证明,素混凝土桩复合地基的沉 降量较小,一般在lO,40mm之间,并可以减小不 均匀沉降.同其他类型的桩基相比,造价可以节约 三分之一以上,工期可以缩短三分之一左右:所 以,素混凝土桩复合地基具有技术先进,经济合理等 优点. 工程 收稿日期:2009—09—14 作者简介:王建明(1973一),男,硕士研究生,专业为建筑与土木 1素混凝土桩复合地基作用机理研究 1.1素混凝土桩复合地基沉降计算 地基变形即地基沉降,是指地基在上部结构荷 载作用下地基岩土层被压缩产生的形变.沉降控制 在复合地基中非常重要,在很多工程中使用复合地 基就是用来减少沉降,厚软土地基地区建筑工程事 故多是由于地基沉降过大尤其是不均匀沉降过大所 引起的,如文献[13]中提到的粤安油库一期工程就 是因为沉降过大而引发的工程事故. 因为桩体复合地基是在天然地基中加入了各种 桩体,桩顶又铺设有褥垫层,其变形机理较为复杂, 所以素混凝土桩复合地基的沉降量计算很难做到准 确,本文采用地基加固区沉降量和下卧层沉降量分 别计算再组合的方法作为素混凝土桩复合地基的沉 降量. 1.1.1下卧层沉降计算 下卧层的沉降计算通常采用分层总和法计算, 即: 2A 52一芝,(1) J="l+l口 式中,7"/为加固区土层的分层数;n.为土层总的分 层数;E,为下卧层第J层土的压缩模量(MPa);h, 为下卧层第层土的分层厚度(m);?户为基底附 加应力P.在下卧层第J层土产生的平均附加应力 (MPa). 式(1)中的APes计算方法有压力扩散法,等效 实体法,改进的Geddes法等.应力扩散法中的扩 散角较难确定,改进的Geddes法计算复杂并且荷 载分担比及桩侧摩阻力分布不易准确确定,所以本 国防交通工程与技术囵2009第6期 ? 研究与设计?素混凝土桩复合地基承载力和沉降量计算研究王建明 文采用等效实体法计算. 该方法将复合地基加固区看作一个等效实体, 不考虑应力扩散的影响,作用在下卧层顶面上和基 础底面的荷载相同,在等效实体周围分布有均匀的 侧摩阻力-厂,如图1所示,其中h为加固区厚度,z为 地基压缩层厚度,b为荷载作用面宽度,P.为复合地 基上作用的荷载. 对于平面应变的情况,作用于下卧层顶面上的 附加应力P.为: 0Lr P.6一P.一半(2)U 等效实体周围分布的均匀侧摩阻力厂,根据当 地工程经验确定. 1.1.2加固区沉降计算 规定的第一类复合模量法将复合地基加固 区的桩体和土体均视为与天然地基分层相同的若干 层均质复合土体,不同的是压缩量都放大了倍,这样加固区和下卧层均可以采用分层总和法计算沉 降. 当荷载不大于复合地基承载力时,第一类复合 模量法计算沉降的公式为: "1A^ sl一?等(3)z=Iif- 式中,.为加固区土层的分层数;E为下卧层第i 层土的压缩模量(MPa);h为下卧层第i层土的分 层厚度(m);Ap为基底附加应力P.在下卧层第i 层土产生的平均附加应力(MPa);8为加固区第i 层土的压缩模量放大系数,为复合地基承载力特征 值和基础底面下天然地基承载力特征值之比,即8 一fs砖 {也' 1.1.3地基总沉降的计算 综合下卧层和加固区沉降计算公式,采用统一 的分层总和法,复合地基的总沉降量计算公式为: 所得应力与天然地基承载力之比,如图2所示(其中 0"p为桩顶应力,为桩间土表面应力,—ap). ???IIII??I{I 土蛀上 图1等效实体法图2桩土应力比 (2)采用规范方法口,承载力 d 一 +』9(1一m)(6)-JrP 式中,R2为单桩承载力;A为单桩截面面积;为桩 问土承载力折减系数. (3)上述计算方法都涉及到单桩承载力计算问 题,由于地质条件,工艺,桩径,桩长,桩端持力层的 条件等不一样,就很难用一种手段来很实际的反应 出桩的承载力.经过很多工程的实际测试结果分 析,如果采用一些计算参数的调整,会取得较实际的 结果.一般桩基的承载力计算公式如下: R:pZ+Apqp(7) 式中,q为桩周摩擦力,由地质提供;为桩的 周长;z为土的厚度;q为桩端地基承载力.对于素 混凝土桩来来说,q建议采用以下几种情况考虑: ?桩端土承载力在150,180kPa采用天然地基承 载力;?桩端土承载力在180kPa以上,且桩长大于 6m,采用深度修正值;?采用沉管挤密工艺,桩身 强度高,桩端为砂层等好的持力层时,可以取地质报 告提供的端承力. 下面本文通过实际工程,对素混凝土桩复合地 基的作用机理进行验证. 2工程实例 s—s.+s一+ : 筹+笔矗)(4)2.建筑概况 式中,为沉降计算经验系数. 1.2素混凝土桩复合地基承载力计算 (1)采用桩土应力法口],承载力 . 一 [1+rn(一1)3f,(5) 式中,m为面积置换率;f为天然地基承载力;n为 桩土应力比,指每平米复合地基内桩的应力与土的 应力之比.估算时可按单桩设计承载力除以截面积 本项目位于河北省石家庄市,属于国大都市温 泉花园项目,位于石家庄市东南.该建设项目为22 层高层,框架剪力墙结构,筏板基础,建筑基底坐在 ?层黄土状粉土或?层黄土状粉质黏土上,天然地 基承载力特征值分别为135kPa,其中3#楼(如图3 所示)设计要求地基承载力特征值为400kPa.由 于天然地基承载力不能满足要求,需对地基进行处 国防交通工程与技术_雷_2009第6期 事 H, ? 研究与设计?素混凝土桩复合地基承载力和沉降量计算研究王建明 理,本工程采用素砼压灌桩复合地基进行地基处理. 图33#楼平面图(单位:mil1) 2.2场地概况 根据岩土工程勘查报告,场地各层土的结构描 述如下:?层黄土状粉土,浅黄褐色,褐黄色,可见 氧化铁锈斑,局部砂感.该层底板埋深3.2,5.9 ITI,层厚0,4.7m.?层黄土状粉质黏土,黄褐色 , 浅黄褐色,含钙质结核及铁,锰氧化物,局部含钙 质结核较多.该层底板埋深6.3,9.8ITI,层厚0.4 , 4.3m.?层黄土状粉土,浅黄褐色,褐黄色,局 部砂感,干强度低,韧性低,摇震反应中等,稍湿, 湿,中密,密实.该层底板埋深9.6,14.0In,层厚 2.1,5.1m.?层粉质黏土,黄褐色,红褐色,含 钙质结核,局部钙质结核含量较大.该层底板埋深. 13.3,16.0m,层厚1.4,4.8ITI.?层粉土,浅黄 褐色,褐黄色,可见氧化铁锈斑,含钙质结核.该层 局部含钙质结核较多,呈钙质胶结状.该层层底埋 深17.7,21.1m,揭露层厚2.7,6.9m.?层粉 质黏土,黄褐色,红褐色,含钙质结核,局部钙质结 核含量较大,呈钙质胶结状,可见最大直径超过5 cm.该层层底埋深24.6,28.5m,揭露层厚5.9, 10.0m. 2.3作用机理研究 基底坐在?层黄土状粉质黏土,桩间土承载力 特征值^一130kPa,选桩端持力层为?层粉质黏 土. 2.3.1承载力计算 (1)单桩承载力的计算:R.一U乏z+A一 1.25612"1×(20kN/m.×2.9ITI+22kN/m×3.3rn +23kN/m.×0.7m+22kN/m×1.7m+20kN/ rn×2.25rn+6.15In×23kN/m.)+700kN/m× 0.1256rn一553kN. (2)桩身强度的计算:取R.=550kN,R?^ ? A/3,一3R./Ap一13.1MPa,因此可选用C20 混凝土. (3)复合地基置换率的计算:取m一7.0,厶 一--m)f~一+ 0.9×(1—7.0)×130kPa一415kPa?.一400 kPa,地基承载力满足设计要求. (4)复合地基软弱下卧层验算:P一400kPa+ 18.5kN/m.×(5.7—0.5)m一496.2kPa. 基底附加压力为:P.一P—P一496.2kPa一 5.7m×18.5kN/m.一390.75kPa. 下卧层顶面处土的自重压力为:P==:一18.5 kN/m.×22.7m=420kPa. 下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征 值为:一^+珊y(—O.5)=170kPa+1.6× 18.5kN/m.×(22.7—0.5)rll==:827.1kPa>P+ P一390.75kPa+420kPa=810.75kPa. 由以上计算可见,下卧层承载力满足要求. 经过计算,布置347根Q400mm,有效桩长l7. 0in,置换率为7.0的素混凝土桩,可以满足承载 力的要求. 2.3.2沉降量计算 复合地基压缩模量如表1所示. 表1复合地基压缩模量 地层地层鼍厚度篓薯 m合量 加伺区沉降为:8=一=6.36. s1一 nlA E Poih 390.75kPa一 6.36×6.5MPa 39o.75kPa一 国防交通工程与技术固2009第6期 ? 研究与设计?素混凝土桩复合地基承载力和沉降量计算研究王建明 390.75kPa一 390.75kPa一 一0.055m. O.5m 6.36Jn1+1C目 下卧层沉降为:.一?学一s× 一 0.35m. 素混凝土桩复合地基总沉降量为:S—S+S一 0.2×(0.055m+0.35m)一0.081m. 2.4现场实测结果分析 本文采用慢速维持荷载法,以地锚作反力,手动 2000kN油压千斤顶加荷,油压表量测荷载,两块 百分表量测沉降变形,分8级逐级加荷,每级相对稳 定标准,观测时间间隔按规范进行.取出其中3根 (95#,231#,295#)不同位置的桩,分别测量,试验 所用载荷板面积为1.79m,最大荷载为800kPa. 单桩静载试验结果如表2. 表2单桩复合地基静载试验结果 荷载时间 /kPa/rain 95#沉降/mm231#沉降/mm295#沉降/mr. 本级累计本级累计本级累计 从表1可以看出:95#单桩的承载力可以达到 800kN,并可以继续增加;沉降量也随着荷载增加 逐渐增大,最高达到14.82mm.231#单桩的承载 力可以达到800kN,并可以继续增加;沉降量也随 着荷载增加逐渐增大,最高达到15mm.295#单桩 的承载力可以达到800kN,并可以继续增加;沉降量 也随着荷载增加逐渐增大,最高达到15.71mm. 图4为3根单桩的荷载一位移曲线,经过对比 可以得出:?3根桩随着荷载增加,沉降增大,并且 沉降量的增加有一定的非线性;?3根桩在沉降过 程中有一定的交叉性,这说明3根桩的质量基本相 似.?其中296#桩的沉降量最大约15.71mm,比 其它两根桩的沉降大6%和4.7~4o.?实际试验结果 满足规范沉降要求,并且单桩承载力满足使用要求. 荷载P/kPa ? 世 图43根单桩复合地基P-S曲线 3结束语 截止到目前,经过素混凝土桩处理过的地基承 载力和沉降均满足要求,经济和技术效果良好. 参考文献 [1]胡志,王贤能.素混凝土桩复合地基承载特性分析 [J1.重庆建筑大学,2004,26(3):46—50 [2]黄骁.CFG桩在地基处理中的应用研究[D].吉林:吉 林大学,2004 [3]孟非,熊巨华.素混凝土桩复合地基的工程实践EJ]. 四JiI建筑科学研究,2004,30(2):53—55 E41张慧海,郑建国.素混凝土桩复合地基两种成桩工艺对 比分析EJI.岩土工程技术,2003(4):237—239 E53胡志.素混凝土桩复合地基试验研究及变形稳定性分 析[D].重庆:重庆大学,2004 [6]高明军,左威龙.素混凝土桩复合地基在深厚软土地基 处理中的应用[J].河海大学:自然科学版,2008,36 (1):67—70 [7]王凤池,翟华.素混凝土桩复合地基在水平荷载作用 下的工作性能EJ].沈阳建筑大学:自然科学版, 2008,24(4):533—536 E83姜规模,李丰.素混凝土桩复合地基在西安地基处理 工程中的应用[J1.城市勘测,2008(1):144—146 E91万罡.素混凝土桩复合地基在郑州某超高层建筑中的 应用[J].西部探矿工程,2005(111):50—51 Elo]t学军.素混凝土桩和石灰桩联合处理软弱地基的设 计与工程应用[J].长江大学:自然版,2007(4): 1O7—1O8 [?]肖荣,张祖培.素砼桩复合地基在某工程中的应用 [J].基础工程,2002,5(8):20—21(下转第34页) 国防交通工程与技术囵2009第6期 %昙8??n 54923792 93589577 0i1222 %?蝎? L 32780802 9O888969 O;1122 髂的? .;M 34241576 82579266 O1111222 ??????m MH 级别一12345678 . 研究与设计?运用层次分析法确定战时铁路桥梁抢修方法研究史宣琳等 参考文献 [1]王志遂.浮渡技术在桥梁保障中的应用[J].国防交通工 程与技术,2003,1(2):3-4 [2]朱敏,许智艳,陈列.某高墩大跨桥梁保障设计 研究[J].国防交通工程与技术,2004,2(4):12—15 [3]陈发智,陈国安.铁路桥梁保障系统综合保障能力研究 [J].国防交通,1994(4):49 E4]杜纲.管理数学基础——理论与应用[M].天津:天津 大学出版社,2003 AHP-basedResearchintotheChoiceof TechniquesforRailroadBridgesin ush-.repair artime ShiXuanlin,YueCailin,ChenXinglan (TechnicalTrainingBrigade,Unit63785,Weinan714000,China) Abstract:Brieflyintroducedinthepaperarefiverush—repairtechniquesforrailwaybridgesinwartime:the rush—repairofmainbridges,therush—buildingofmake—shiftbridgesandtemporaryrailways,andtherush— assemblingofpontoonbridges,ferriesanddeep—waterfloatingpiers.TheapplicationoftheAHPtothe choiceofrush—repairtechniquesforrailwaybridgesinwartimeisexemplified,whichisofcertainpractica— bilityandoperability. Keywords:railwaybridge;rush—repair;pontoonbridge;ferry;deep— waterfloatingpier;AHP (上接第26页) [12]DavisEH,PoulosHG.Theanalysisofpiledraftsystems [J].AustraliaGeotechniqueJournal,1972(2):21—27 [13]ZhaoMinhua.Studyingonthebuckingofpiles[c]// Proc.ICSEC.Beijing:CSTAM,1990:440—445 [14]中国建筑科学研究院.JGJ79--2oo2建筑地基处理技术 规范[s].北京:中国建筑工业出版社,2002:40—44 StudyoftheCalculationoftheLoadingCapacityand DisplacementofCompositeFoundationofPlainConcretePiles WangJianming (Shipping,MarineandArchitecturalEngineeringCollegeofShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China) Abstract:Theworkingmechanismoftheplainconcretepilecompositefoundationisanalyzedfromtwoas— pectsinthepaper:foundationsettlementandloadingcapacity.Thelayer— wisesummationmethodisadopt— edtoanalyzethefoundationdeformationinthereinforcedareaandunderthereinforcedarea.Besides,the workingmechanismoftheplainconcretepilecompositefoundationistestedwithanactualprojectinShiji— azhuang.Thetestresultsshowthattheplainconcretepilecompositefoundationcangreatlyincreasethe loadingcapacityofthefoundationanddecreasethesettlement.Theresearchmayserveasausefulrefer— enceforfoundationtreatment. Keywords:compositefoundation;plainconcretepile;loadingcapacity;amountofsettlement;working mechanism 国防交通工程与技术口2009第6期 RW