復(fù)合地基軟弱下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算方法

PAGEPAGE7復(fù)合地基軟弱下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算方法分析摘要：復(fù)合地基是被現(xiàn)代建筑廣泛應(yīng)用的一種地基處理手段，根據(jù)規(guī)范：當(dāng)在受力層范圍內(nèi)仍存在軟弱下臥層時(shí)，應(yīng)對(duì)下臥層的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。怎樣驗(yàn)算S如何確定復(fù)合地基的基底附加壓力擴(kuò)散模型，規(guī)范中并沒(méi)有明確。通過(guò)分析不同類型復(fù)合地基加固機(jī)理及荷載傳遞性質(zhì)，表明作者在此問(wèn)題上的認(rèn)識(shí)與觀點(diǎn)。關(guān)鍵詞：復(fù)合地基軟弱下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算方法分析復(fù)合地基是指部分土體被增強(qiáng)或被置換而形成增強(qiáng)體，由增強(qiáng)體和周圍地基土共同承擔(dān)荷載的地基。隨著地基處理設(shè)計(jì)水平的提高、施工工藝的改進(jìn)和設(shè)備的更新，復(fù)合地基處理的方法越來(lái)越多，處理的適用范圍也越來(lái)越廣，目前我國(guó)復(fù)合地基已應(yīng)用于35層建筑的地基處理。復(fù)合地基以其施工工藝簡(jiǎn)單、工期短、投資少、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但由于復(fù)合地基的種類較多，組成增強(qiáng)體的材料不同，復(fù)合地基的作用機(jī)理、強(qiáng)度及變形規(guī)律存在較大差異，對(duì)其仍存在研究不夠、理論滯后于實(shí)踐的問(wèn)題。本文通過(guò)分析不同類型復(fù)合地基加固機(jī)理及荷載傳遞性質(zhì)，提出不同類型復(fù)合地基軟弱下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)與觀點(diǎn)，供分析參考。1問(wèn)題的提出根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002），經(jīng)處理后的地基，當(dāng)在受力層范圍內(nèi)仍存在軟弱下臥層時(shí)，尚應(yīng)驗(yàn)算下臥層的地基承載力，即下臥層強(qiáng)度應(yīng)滿足公式：—軟弱下臥層頂面處的附加壓力值；—軟弱下臥層頂面處的自重應(yīng)力值；—軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后地基承載力特征值。而在實(shí)際工作中，對(duì)軟弱下臥層進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，如何計(jì)算下臥層頂面處的附加壓力值，規(guī)范中并未給出復(fù)合地基的應(yīng)力擴(kuò)散模型。復(fù)合地基擴(kuò)散模型的選擇決定了軟弱下臥層強(qiáng)度是否滿足軟弱下臥層頂面所受的壓力值，也決定了復(fù)合地基增強(qiáng)體的入土深度，因而也決定了復(fù)合地基增強(qiáng)體施工工藝的可能性。以水泥土攪拌樁復(fù)合地基為例：根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002），水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值在初步設(shè)計(jì)時(shí)可按照下式估算：⑴單樁豎向承載力特征值可按下式確定：⑵⑶⑵式為樁身材料強(qiáng)度所確定的單樁承載力，⑶式為樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力，取兩式中的小值作為豎向單樁承載力特征值。由于水泥土樁的樁身強(qiáng)度相對(duì)較低，大多數(shù)情況下單樁承載力由樁身材料強(qiáng)度控制，復(fù)合地基承載力不因樁長(zhǎng)的增加而提高，存在著一個(gè)臨界樁長(zhǎng)。因此，當(dāng)兩式的值比較接近時(shí)，水泥土攪拌樁的入土深度比較經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際工程運(yùn)用中，按照⑴⑵⑶式確定的復(fù)合地基承載力在滿足強(qiáng)度要求的情況下，如果在受力層內(nèi)仍存在軟弱下臥層時(shí)，尚應(yīng)驗(yàn)算軟弱下臥層的地基承載力。此時(shí)，軟弱下臥層頂面處所受的應(yīng)力控制了水泥土攪拌樁的入土深度，也決定了當(dāng)?shù)厮嗤翑嚢铇兜脑O(shè)備能力是否能達(dá)到估算的入土深度。因此，如何選擇合理的復(fù)合地基擴(kuò)散模型是確保復(fù)合地基安全、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。2復(fù)合地基擴(kuò)散模型分析復(fù)合地基的類型較多，按豎向增強(qiáng)體的性質(zhì)可分類如下（表1）：表1豎向增強(qiáng)體（樁）復(fù)合地基分類按樁體剛度分類按成樁材料分類舉例柔性樁散體材料樁砂（石）樁、碎石樁半剛性水泥土類樁水泥攪拌樁、高噴射注漿樁剛性樁混凝土類樁CFG樁、素混凝土樁合理選擇地基擴(kuò)散模型是復(fù)合地基設(shè)計(jì)中一個(gè)重要問(wèn)題。然而，由于復(fù)合土體的復(fù)雜性，在工程應(yīng)用中很難用一個(gè)普遍適用的數(shù)學(xué)模型來(lái)概括不同種類復(fù)合地基的擴(kuò)散模型。作者根據(jù)組成復(fù)合地基增強(qiáng)體的材料、復(fù)合地基的加固機(jī)理以及荷載傳遞的性質(zhì)，在確保復(fù)合地基的安全、經(jīng)濟(jì)性以及所選用的地基擴(kuò)散模型盡可能使復(fù)合土體在受力作用時(shí)與實(shí)際接近的前提下，提出不同類型復(fù)合地基在驗(yàn)算軟弱下臥層強(qiáng)度時(shí)的擴(kuò)散模型如下：2.1復(fù)合地基擴(kuò)散模型分析散體材料樁系指樁身材料是由顆粒材料（如碎石、砂石等無(wú)膠凝性材料）組成的樁體，這類樁的特點(diǎn)是樁體材料無(wú)凝聚力，或凝聚力較小，只有依靠樁周土體的圍箍作用才能形成樁體。這類樁最可能的破壞形式為樁體的鼓脹破壞。對(duì)地基的加固機(jī)理主要是擠密、排水減壓或置換作用等，樁的承載力取決于樁材的內(nèi)摩擦角和樁周土對(duì)樁身的側(cè)向約束力，而呈現(xiàn)出與樁長(zhǎng)無(wú)關(guān)的特征。受荷后，樁身的主要受力區(qū)集中在樁頂附近樁徑范圍內(nèi)，導(dǎo)致樁體發(fā)生側(cè)向變形，它也是散體材料樁復(fù)合地基變形的主要原因。根據(jù)散體材料樁復(fù)合地基加固機(jī)理及荷載的傳遞性質(zhì)，作者認(rèn)為：⑴對(duì)散體材料樁復(fù)合地基，可以把樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的復(fù)合土層當(dāng)成模量已增大的自然土層，參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）中地基壓力擴(kuò)散角的概念先求出軟弱下臥層頂面處的附加壓力，然后采用公式驗(yàn)算軟弱下臥層強(qiáng)度是否滿足要求。地基壓力擴(kuò)散角可按復(fù)合土層壓縮模量與軟弱下臥層壓縮模量的比值取值（表2）：表2地基壓力擴(kuò)散角Z/b0.250.5360230510025010200300注：1為復(fù)合土層壓縮模量；為軟弱下臥層壓縮模量2Z/b＜0.25時(shí)取=00；Z/b＞0.5時(shí)取值不變由于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）中壓力擴(kuò)散角的概念是建立在土體半無(wú)限直線理論的基礎(chǔ)上，而地基處理的范圍是有限的，因此，散體材料樁復(fù)合地基在參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）中地基壓力擴(kuò)散角的概念對(duì)軟弱下臥層進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，按照模量比值確定的地基壓力擴(kuò)散角的取值不宜使擴(kuò)散后的復(fù)合地基底部面積超出復(fù)合地基的加固范圍。⑵當(dāng)Es1/Es2＜3時(shí)，表明復(fù)合土體的壓縮模量與軟弱下臥層土體的壓縮量差別不是太大，在對(duì)軟弱下臥層進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論來(lái)確定下臥層頂面所受的附加壓力，即：—軟弱下臥層頂面所受的附加壓力a—根據(jù)基礎(chǔ)底面尺寸、下臥層埋深確定的附加應(yīng)力系數(shù)；—基礎(chǔ)底面處的附加壓力。2.2混凝土類樁復(fù)合地基混凝土類樁完全不同于散體材料樁，其樁身具有較高的強(qiáng)度和粘結(jié)力，屬剛性樁。復(fù)合地基承載力一般取決于樁周及樁端土的強(qiáng)度。⑴混凝土類樁復(fù)合地基的加固機(jī)理主要有兩方面：樁體作用：在荷載作用下，混凝土樁的壓縮性明顯比其周圍土體小，因此，基礎(chǔ)傳給復(fù)合地基的附加應(yīng)力隨地基的變形逐漸集中到樁體上，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，復(fù)合地基中的混凝土樁起到了樁體作用。褥墊層作用：由級(jí)配砂石、碎石等散體材料組成的褥墊層，在復(fù)合地基中保證了樁、土的共同作用，并減少了基礎(chǔ)底部的應(yīng)力集中。⑵荷載傳遞：與散體材料樁相比，混凝土類樁的承載力主要來(lái)自全樁長(zhǎng)的摩阻力及樁端阻力，樁越長(zhǎng)則承載力越高；由于混凝土類樁的強(qiáng)度和剛度較大，受荷后，應(yīng)力的傳遞可能會(huì)到達(dá)基礎(chǔ)底面以下較深的土體中。⑶擴(kuò)散模型分析：根據(jù)混凝土類樁復(fù)合地基加固機(jī)理及荷載傳遞性質(zhì)，混凝土類樁的單樁承載力是由樁周土和樁端土的承載力所決定，復(fù)合地基的承載力由樁和樁間土共同承擔(dān)，因此，可將樁與樁間土視為一個(gè)假想的實(shí)體基礎(chǔ)，按群樁作用原理進(jìn)行下臥層地基強(qiáng)度驗(yàn)算。擴(kuò)散模型可按兩種方法考慮：首先基底壓力擴(kuò)散角a取樁身范圍內(nèi)各土層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值φ的1/4，同時(shí)在假想基礎(chǔ)底面至軟弱下臥層頂面之間進(jìn)行二次擴(kuò)散（圖1）。假想實(shí)體基礎(chǔ)底面土的附加壓力為：式中：f—假想實(shí)體基礎(chǔ)底面處的附加壓力；P0—群樁頂面所受的附加壓力；L—混凝土樁的樁長(zhǎng)；a0—矩形實(shí)體基礎(chǔ)長(zhǎng)；b0—矩形實(shí)體基礎(chǔ)寬。其次考慮假想實(shí)體基礎(chǔ)側(cè)面與土的摩擦力，計(jì)算出假想實(shí)體基礎(chǔ)底面處土的附加壓力，同時(shí)在假想實(shí)體基礎(chǔ)底面至軟弱下臥層頂面之間進(jìn)行二次擴(kuò)散（圖2）。假想實(shí)體基礎(chǔ)底面處的附加壓力為：式中：f—假想實(shí)體基礎(chǔ)底面處的附加壓力；P0—群樁頂面處所受附加壓力；L—混凝土樁的樁長(zhǎng)；—樁身長(zhǎng)度范圍內(nèi)土的加權(quán)平均重度。根據(jù)以上兩種方法求出實(shí)體基礎(chǔ)底面處的附加壓力f后，再根據(jù)樁端以下土層的壓縮模量與軟弱下臥層模量的比值進(jìn)行二次擴(kuò)散，計(jì)算出軟弱下臥層頂面處所受的附加壓力，采用公式驗(yàn)算軟弱下臥層強(qiáng)度是否滿足要求。2.3水泥土類樁復(fù)合地基目前水泥土類樁復(fù)合地基主要有高壓噴射注漿樁復(fù)合地基和水泥土攪拌樁復(fù)合地基，其豎向增強(qiáng)體的強(qiáng)度和樁身材料粘結(jié)力介于散體材料樁和混凝土樁之間。⑴高壓噴射注漿樁：由于高壓噴射注漿樁一般情況下需要較大的水泥摻量，單樁具有較高的樁身強(qiáng)度和較大的粘結(jié)力，特別是在砂性土中，其樁身強(qiáng)度接近于剛性樁，復(fù)合地基的承載力主要由單樁承載力決定，因此，高壓噴射注漿樁復(fù)合地基在對(duì)受力層范圍內(nèi)軟弱下臥層進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，可參照混凝土類樁復(fù)合地基的擴(kuò)散模型。⑵水泥土攪拌樁：根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料表明：對(duì)水泥土攪拌樁復(fù)合地基，當(dāng)水泥摻入比а≤10%時(shí)，復(fù)合地基承載力與樁長(zhǎng)無(wú)關(guān)，呈散體材料樁的特征；當(dāng)水泥摻入比а≥20%時(shí)，復(fù)合地基承載力隨樁長(zhǎng)的增加而提高；在水泥摻入比介于10%—20%時(shí)，水泥摻量的增減對(duì)單樁承載力的影響十分顯著。因此，水泥土攪拌樁復(fù)合地基在對(duì)受力層范圍內(nèi)軟弱下臥層進(jìn)強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)水泥的摻入量來(lái)具體確定：①當(dāng)水泥摻入比а≤10%時(shí)，可參照散體材料樁復(fù)合地基的擴(kuò)散模型；②當(dāng)水泥摻入比а≥20%，可參照混凝土類樁復(fù)合地基的擴(kuò)散模型；③當(dāng)水泥摻入比а=10%—20%時(shí)，宜根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)估算水泥土的強(qiáng)度來(lái)確定其擴(kuò)散模型或根據(jù)所加固土的類型確定水泥土攪拌樁復(fù)合地基的擴(kuò)散模型；加固砂性土地基時(shí)，可參照混凝土類樁復(fù)合地基擴(kuò)散模型；加固粘性土地基時(shí)，可參照散體材料樁復(fù)合地基擴(kuò)散模型。3結(jié)論通過(guò)上述分析，對(duì)復(fù)合地基軟弱下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算得出如下結(jié)論：⑴對(duì)散體材料樁復(fù)合地基，可以把樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的復(fù)合土層當(dāng)成模量已增大的自然土層，參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）中地基壓力擴(kuò)散角的概念對(duì)軟弱下臥層強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算；⑵