刚性桩复合地基若干问题的思考

2020-06-08 08:58  来源:岩土网  阅读:5973
刚性桩复合地基以能充分利用天然地基的承载力、沉降小、承载力可靠等优点而得到广泛的应用。但对于一些复杂条件下复合地基的承载力和沉降计算问题还没有很好的解决。为更好的促进复合地基设计理论的发展与进步,这里发表杨光华教授的观点和解决的方法,以供参考!

刚性桩复合地基若干问题的思考

杨光华

(广东省水利水电科学研究院,广东省岩土工程技术研究中心)

一、前言

刚性桩复合地基以能充分利用天然地基的承载力、沉降小、承载力可靠等优点而得到广泛的应用。但是在实际工程中,也遇到了一些复杂而目前规范还没有解决好的问题。这里对工程中遇到的几个问题做一些探讨,提出解决的方法,以供参考。

刚性桩复合地基设计主要解决的是两个问题:复合地基承载力和沉降。

刚性桩复合地基的承载力计算公式为:

        (1) 1

m为置换率

 图片未命名为单桩承载力特征值

A为单桩截面积

图片未命名为桩间土承载力发挥系数,一般图片未命名

 图片未命名为桩间土承载力特征值

刚性桩复合地基的沉降计算目前主要有两套方法:

一是等效模量法:

(2) (2)

(3) (3)

即对各层土的压缩模量乘以一个放大系数图片未命名,作为复合区各土层的压缩模量,然后采用传统的分层总和法计算其沉降,再用经验系数0.15~1.0乘以计算值进行修正。这是应用较广的国家建筑地基处理规范的方法。

另一种方法是计算桩的沉降,作为加固区的沉降,加上桩底以下土层的沉降。但该法关键是如何计算桩的沉降。这一类方法有广东省建筑地基处理规范、国家复合地基规范等,其中国家复合地基规范用桩身压缩模量乘以经验系数作为加固区的沉降,但很难给出合理的经验系数值,因为其包含了桩顶和桩底的刺入变形,倒不如广东规范更易操作。

二、若干问题的思考

刚性桩复合地基设计的核心就在于承载力的确定和沉降计算。现有规范方法一般是对均匀地基的,实际工程中的地基则多数是由多层土组成的,实践中发现规范方法对于多层土地基情况还需要进一步的研究。

1.分层地基时,桩间土承载力取哪一层土的承载力

如图1所示。基础底部有较薄的软土层,复合地基承载力计算时,公式(1)的桩间土承载力图片未命名取软土层的承载力似乎也说的过去,虽然可能是偏保守,但结果是偏安全的。但若像图2那样,在深部有一个软弱夹层时,桩间土的承载力是否也取最软的软弱夹层的承载力呢?如果这样,似乎是太偏保守了。但是若取基础底硬土层的承载力,似乎又是偏不安全的。

图1及图2

2.复合地基承载力低于天然地基承载力?

由于复合地基承载力计算时对埋深作用没有天然地基考虑得多,对于一些较硬地基,可能存在按复合地基计算得到的承载力会低于原天然地基承载力的情况。

例如:一个6m宽,基础埋深5m,如图3所示。地基参数按图片未命名图片未命名计算,土重度按图片未命名计算,按天然地基计算其修正承载力特征值为:

图片未命名            4

其特征值按3米宽基础、0.5米埋深情况计算确定为:

图片未命名          5

若采用A[email protected]的螺旋桩作为刚性桩,设单桩的承载力特征值为500kN,按国家地基处理规范,刚性桩复合地基对桩间土承载力计算时考虑深度修正系数为1.0,则复合地基承载力为(取图片未命名=1.0):

图片未命名  6

其值小于式(4)得到的天然地基承载力,似乎不合理。当然也可能原天然地基承载力特征值这种方法取值偏小,但即使原天然地基承载力特征值取到图片未命名,已经是很高了,按照复合地基方法计算其承载力:

图片未命名 7

也还是小于天然地基的修正承载力,这应该还是值得思考的问题。

图片未命名

3.端承为主时等效模量法计算沉降偏大

遇到一些软土水闸地基处理采用刚性桩复合地基时,沉降计算偏大的问题。如图4所示,假设淤泥质土承载力特征值图片未命名,压缩模量图片未命名,厚20m,水闸地基要求复合地基承载力160kPa,刚性桩穿透软土层进入下卧硬土层,则等效模量提高系数为图片未命名,等效模量图片未命名,沉降修正系数图片未命名,水闸底板宽按24m计算,近似按压缩计算,应力分布系数取图片未命名,则复合地基沉降

图片未命名              8

图片未命名

图4 端承效应对沉降计算的影响

一般水闸规范限定最大沉降量为15cm,则显然沉降超限。但实际是否会有这样大的沉降呢?实际上沉降不会超过10cm。通常单桩极限承载力对应沉降控制为4cm,特征值时最大沉降即使按2-3cm,褥垫层沉降按1~2cm,桩底下土层沉降很小。因此,实际上这种情况下沉降应最多为5cm左右,不会超过10cm。而按等效模量法计算是明显偏大的, 如果软土层厚度更大,沉降还会更大。同样存在一些桩端进入较好土层的刚性桩复合地基的情况,如广东也常使用管桩复合地基,当管桩进入一些全、强风化泥岩地基后,则其沉降是很小的。但如果用等效模量法计算复合地基的沉降,一般可能会是偏大较多的。

4.软弱下卧层问题

在实践中,也会遇到一些软弱下卧层的问题,如在岩溶地区,经常在岩面附近有一层较软弱土层,而其上面可能是较好的硬土层,如图5所示。某工程在采用刚性桩复合地基时就遇到这种情况,刚性桩没有穿透这一下卧软层,而检测时,无论复合地基载荷试验或单桩载荷试验均合格,但实际基础时,房子沉降较大,由于土层厚度不均匀,还造成了倾斜,在这种情况下,复合地基承载力的确定或检测就要更加小心了。

图5

三、发展桩土共同作用的刚性桩复合地基计算方法

  规范的承载力与沉降计算方法主要是建立在均匀地基上,基础底地基与桩底地基相同,但实际工程中更多的不是这种理想地基,而是分层地基,且通常桩底地基会好于基础底地基,当然也会存在软弱下卧层地基等,因此,应该建立适合于复杂地基条件的刚性桩复合地基的承载力与沉降计算方法。

刚性桩复合地基的实质是桩土共同作用分担上部荷载,而考虑共同作用时必须进行沉降变形的协同作用计算。可以把桩、土简化为两个相对独立的系统,如图6,图7所示,桩和天然地基的沉降可以采用笔者的切线模量法计算。当然两者也是存在相互影响的,只是为了简化而作这样的假设。

图6及图7

这样可以独立计算桩的沉降(含褥垫层),得到桩的荷载与沉降关系的N-S曲线,以及天然地基下基础的沉降与荷载关系的P-S曲线,如图8所示。相同沉降下,可以由荷载沉降曲线得到地基和桩的抗力pN,桩与地基的抗力之和则为复合地基的抗力或承载力,图片未命名 n为基础下有n根刚性桩, A为基础面积。这样就可得到桩、土共同承担荷载的复合地基的图片未命名曲线,如图8所示。由复合地基的图片未命名曲线,则可以按强度和沉降控制确定合理的复合地基承载力。

图片未命名

1.软硬互层复合地基承载力问题的解决

如上图1、图2的软硬互层地基。显然,软土在浅部的图1P-S曲线S1和软土在深部的图2P-S曲线S2不同,如图9所示,相同沉降下的地基抗力不同,这样由图8方法所得的复合地基承载力就不同了,从而可以体现地基承载力的发挥不同,解决这种软弱分层复合地基的承载力问题。

图9

2.承载力的深度修正问题

采用桩、土共同作用时,复合地基中桩间土的抗力发挥则依据变形协调确定,桩间土的承载力(抗力)的强度可以按天然地基考虑埋深来复核。用图8方法得到复合地基的P~S曲线和天然地基的P~S曲线如图10所示。当桩间土要发挥到通常天然地基考虑埋深影响的承载力时,可能需要较大的变形图片未命名如图10所示,而此时,复合地基承载力由土抗力加桩的抗力,也会大于天然地基的抗力(承载力)。因此复合地基的承载力不是把桩、土承载力特征值简单的叠加,需要考虑变形的因素,桩和土达到所谓承载力特征值时所需沉降变形是不同的。另一方面,在相同的荷载下,复合地基的沉降小于天然地基的沉降,从沉降的角度,复合地基承载力也大于天然地基承载力。

                 图10

如以上二.2.的案例,如取土的变形模量图片未命名,则天然地基在其修正特征值荷载下按半无限弹性体估计其沉降为:

(9)     9

但若按复合地基,刚性桩发挥到特征值时沉降一般为2cm左右,考虑褥垫层的沉降,即使复合地基沉降达4cm,按沉降比确定天然地基承载力的发挥,发挥抗力:

(10)      10

近似为天然地基修正承载力特征值的一半。此时,对应的复合地基承载力为桩和土的抗力之和:

图片未命名              

大于相同沉降4cm下天然地基承载力334kPa。因此,从沉降控制角度,复合地基承载力必然大于天然地基的承载力。而天然地基承载力要达到其修正特征值时,沉降会到8.1cm,这时对应复合地基承载力也是土的抗力(修正特征值)加上桩的抗力,也会大于天然地基的修正承载力特征值,见图10。因此,复合地基承载力不只按(1)式简单叠加确定,应要考虑变形的影响才更合理。

实际上地基的承载力无论是天然地基或是复合地基,都应根据强度和变形双控确定。如果按图8的方法确定复合地基的P~S曲线,然后由P~S曲线按强度和变形双控确定,就可以避免天然地基承载力大于复合地基承载力的问题。

3.刚性桩复合地基的沉降计算问题

由以上的分析可见,对于桩端土的承载力高于基础底土的承载力时,按(2)式的等效模量法计算沉降可能会偏大。两者承载力相差越大,差异越大。为避免这种情况,刚性桩复合地基的沉降用计算桩的沉降方法更合理。而刚性桩复合地基的沉降由加固区沉降S1和加固区下部沉降S2之和组成,S=S1+S2。S1用计算桩的沉降方法计算:

图片未命名 (11)

褥垫层压缩沉降:       (12)      12

桩的压缩沉降:      图片未命名   13

桩底沉降:      图片未命名  14

图片未命名为桩顶压应力,图片未命名为桩底压应力,图片未命名为褥垫层变形模量,h为褥垫层厚度,l为桩长,Ec为桩身弹性模量,D为桩的直径,Eb为桩底土变形模量,图片未命名图片未命名为桩底土的泊松比。

这种方法对于桩底置于较硬的岩土层时较为合理。

四:结语

1.刚性桩复合地基是一种较好并得到较广泛应用的地基处理方式。

2.目前刚性桩复合地基的承载力和沉降计算主要是针对均匀地基的情况,对于分层复杂地基条件应用时需要进一步发展完善。

3.采用桩、土共同作用方法,通过变形协调的方法来计算刚性桩复合地基的承载力和沉降,是解决复杂地基复合地基设计的有效途径。

主要参考文献

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全部评论(1)

  • tangtanghao发表于 06月10日 09:19这家伙很懒,没有个性签名!
  • 学习!学习!
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杨光华

杨光华+加关注被关注:355访问量:108987
博士教授注册岩土工程师
TA的评论分类经验心得(4)行业观察(1)热点解读(0)岩土杂谈(0)
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