軟土中群樁的現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)研究

軟土中群樁的現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)研究

0減沉復(fù)合疏樁基在天然土壤負(fù)荷滿足或差異較小時(shí)，采用稀疏摩擦樁，降低沉降，提高樁超載。當(dāng)樁超載和單元之間的壓力（相應(yīng)的負(fù)荷范圍）減小時(shí)，采用共稀釋樁和單元間土壤的組合負(fù)荷（相應(yīng)的臺(tái)區(qū)面積減?。?。它被稱為減少沉降和復(fù)合擴(kuò)散樁基基或沉降的復(fù)合樁基。上海地區(qū)自20世紀(jì)80年代末由黃紹銘等倡導(dǎo)推廣應(yīng)用這種基礎(chǔ)形式以來(lái)，目前已成功建成數(shù)百萬(wàn)平米多層建筑，溫州、天津等地也相繼應(yīng)用，并積累了一定經(jīng)驗(yàn)。該種基礎(chǔ)形式由Zeevaert于1973年提出，其后Burland在第九屆國(guó)際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會(huì)議的綜合報(bào)告中也曾提及。上述論文中均未涉及具體的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，但提到這種樁應(yīng)具備足夠的“韌性”，即當(dāng)沉降增至很大（s>10～20cm）時(shí)，其樁身受壓承載力仍能確保土提供的支承阻力能發(fā)揮至極限。這就要求樁身承載力具有較高的可靠性，樁端持力層不能太剛硬，容許樁端發(fā)生較大刺入變形。關(guān)于減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法目前尚不統(tǒng)一，主要原因是對(duì)這種樁基在工作荷載下樁–土–承臺(tái)的相互作用機(jī)理、承臺(tái)和樁的荷載分擔(dān)、沉降性狀等的研究還相對(duì)滯后。就設(shè)計(jì)框架而言，大體可分為兩大類：(1)按簡(jiǎn)化模式求沉降–樁數(shù)曲線，確定樁數(shù)，然后計(jì)算樁基承載力和沉降，如《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》；(2)以承載力控制為先導(dǎo)，沉降量計(jì)算為后續(xù)。顯然，兩類方法都應(yīng)滿足承載力和變形兩類極限狀態(tài)。本文以軟土地基大型模型試驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的承載力和沉降變形特性進(jìn)行分析，提出減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、沉降計(jì)算模式，最后以實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證。1軟土組合稀疏土的支撐和沉降特性1.1樁距及土壓力測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)地地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，承載力特征值fak=40kPa；樁為Ф100mm鋼管，樁長(zhǎng)4.5m,l/d=45；先鉆Ф80mm孔，然后靜壓沉樁；樁距sa=3d,4d,6d，樁數(shù)n=3×3,4×4；每組群樁有對(duì)應(yīng)單樁試驗(yàn)。試驗(yàn)樁由5段無(wú)縫鋼管組成，接頭處設(shè)置荷載傳感器，側(cè)定樁頂、樁端、樁身荷載；承臺(tái)底埋設(shè)壓力盒測(cè)定土壓力；采用SONDEX沉降儀結(jié)合予埋于樁間土中蛇形管測(cè)試分層沉降。1.2不同樁距群樁樁阻特性從圖1,2看出，軟土中群樁的平均極限側(cè)阻力平均值隨樁距增大而增大，極限端阻力平均值隨樁距增大而減小。也就是說(shuō)，承臺(tái)–樁–土相互作用對(duì)側(cè)阻力產(chǎn)生削弱效應(yīng)，對(duì)端阻產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)。樁距6d條件下，這種群樁效應(yīng)仍然存在，但主要表現(xiàn)為發(fā)揮側(cè)阻和端阻極限值所對(duì)應(yīng)的位移加大，其側(cè)阻極限值接近于單樁，端阻極限值仍高于單樁。由圖3所示，不同樁距群樁的p–s和相應(yīng)單樁nq–s（群樁樁數(shù)n=16）曲線可見(jiàn)，樁距sa=6d群樁的極限承載力pu>16qu，但群樁效應(yīng)導(dǎo)致沉降遠(yuǎn)大于單樁，其pu–s轉(zhuǎn)化為緩變型。這種性狀變化對(duì)復(fù)合疏樁基礎(chǔ)工程而言是有利的，上述側(cè)阻和端阻的群樁效應(yīng)說(shuō)明疏樁基礎(chǔ)的承載力可取單樁承載力之和確定。1.3承臺(tái)與平板平均土反力–沉降關(guān)系圖4所示為不同樁距承臺(tái)（樁距sa=3d、4d、6d，樁數(shù)n=4×4，承臺(tái)面積A=1.2m×1.2m,1.5m×1.5m,2.1m×2.1m）和平板（A=1.5m×1.5m）載荷試驗(yàn)的平均土反力–沉降關(guān)系。從中看出，承臺(tái)與平板平均土反力–沉降曲線型態(tài)不同，前者隨沉降增大而增強(qiáng)，后者隨沉降增大而逐漸屈服。這種現(xiàn)象隨樁距增大而更趨明顯，這對(duì)發(fā)揮疏樁基礎(chǔ)樁間土的荷載分擔(dān)作用是有利的。另外，圖4還表明，大樁距（sa=6d）的承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)ηc最大值（對(duì)應(yīng)于s=40mm）僅為0.5左右，遠(yuǎn)低于一般黏性土、粉土承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)ηc=0.7～0.9。這可能由于軟土靈敏度大且受到擾動(dòng)，以及澆注承臺(tái)前沉樁引起的超孔隙水壓力尚未消散所致。1.4樁間土沉降變形根據(jù)分層沉降測(cè)試結(jié)果，將大、小樁距樁間土、樁底平面以下土的分層沉降表示于圖5。從中看出，對(duì)于小樁距（3d）群樁，在工作荷載（p=pu/2=205kN）下，樁間土基本無(wú)壓縮變形，即樁、土呈整體沉降；超過(guò)該荷載后，樁端以上約1/3樁長(zhǎng)范圍內(nèi)樁間土出現(xiàn)壓縮，并隨荷載增大而增大；對(duì)于大樁距（6d）群樁，在工作荷載（p=pu/2=320kN）下，樁間土的壓縮引起的沉降占90%以上。2滿足承載力和變形兩種極限狀態(tài)顯然，減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)是以減小沉降為目標(biāo)，但同時(shí)在調(diào)整承臺(tái)面積后，應(yīng)滿足承載力和變形兩種極限狀態(tài)。由于沉降計(jì)算需在承臺(tái)面積和樁數(shù)確定條件下進(jìn)行，故先行按承載力公式確定承臺(tái)面積和樁數(shù)，然后計(jì)算沉降，計(jì)算結(jié)果不符合要求再調(diào)整樁數(shù)。2.1基樁承載力特征值復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的極限承載力可為由式（1）左右邊除以樁數(shù)和安全系數(shù)k=2，得復(fù)合基樁承載力特征值：式（1）、（2）中，n為樁數(shù)，uq為單樁極限承載力，ηc為承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)，fu為軟土地基極限承載力，fak為地基承載力特征值，aR為單樁承載力特征值，Ra=qu/2,A為承臺(tái)總面積，cA為單一基樁對(duì)應(yīng)的承臺(tái)面積。2.2承臺(tái)承載力的確定減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)通常將承臺(tái)設(shè)計(jì)為條形，面積控制系數(shù)取ξ≥0.60（筏形承臺(tái)ξ=1.0），由此得承臺(tái)總面積：復(fù)合樁基承載力應(yīng)滿足：由此得樁數(shù)：式（3），(5）中，kF,kG分別為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下作用于承臺(tái)頂面的豎向力和承臺(tái)及其上土重標(biāo)準(zhǔn)值。32.復(fù)合稀疏基本設(shè)計(jì)步驟：沉降計(jì)算3.1復(fù)合疏樁基礎(chǔ)樁間土的壓縮和沉降鑒于復(fù)合樁基承臺(tái)底樁、土沉降協(xié)調(diào)，由圖5可以看出，大樁距條件下，樁基沉降計(jì)算可取兩種模型：(1)如同常規(guī)樁基那樣，計(jì)算樁端以下土的壓縮量；(2)計(jì)算樁間土的沉降。對(duì)于前者要涉及樁端塑性刺入，在理論上難以解決，而復(fù)合疏樁基礎(chǔ)樁間土的壓縮占總沉降量的絕大部分，故采用計(jì)算樁間土的壓縮沉降模型。樁間土的沉降為承臺(tái)底附加壓力壓縮量ss與樁土相互作用增沉量ssp之和。復(fù)合疏樁基礎(chǔ)中點(diǎn)沉降為(1)基樁沉降變化影響式（5）中承臺(tái)底土反力產(chǎn)生的沉降為式（6）～（8）中：zi,zi-1為基底至第i層、第i-1層土底面的距離（見(jiàn)圖6）；為基底至第i層、第i-1層土層底范圍內(nèi)的角點(diǎn)平均附加應(yīng)力系數(shù)；根據(jù)承臺(tái)等效面積的計(jì)算分塊矩形長(zhǎng)寬比a/b及深寬比zi/b=2zi/Bc，由有關(guān)規(guī)范附錄表確定；取承臺(tái)等效寬度,A為承臺(tái)總面積，B,L為建筑物基礎(chǔ)外緣平面的寬度和長(zhǎng)度；引入承臺(tái)總等效寬度和長(zhǎng)度的目的在于簡(jiǎn)化承臺(tái)荷載相互影響的計(jì)算；Esi為基底以下第i層土的壓縮模量，應(yīng)取自重壓力至自重壓力與附加壓力段的模量值；m為地基沉降計(jì)算深度范圍的土層數(shù)；沉降計(jì)算深度按σz=0.1σc確定（σz為附加應(yīng)力，，其中p0j為1/4分塊平均附加壓力，aj為j分塊角點(diǎn)下附加應(yīng)力系數(shù)）；0p為按荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久值組合計(jì)算的假想天然地基平均附加壓力；F為荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合下作用于基底的總附加荷載；ηp為考慮基樁刺入變形對(duì)承臺(tái)土反力的影響系數(shù)；按樁端持力層土質(zhì)確定，砂土為1.0，粉土為1.15，黏性土為1.30；ψ為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)，可取1.0。樁–土相互影響，由于摩擦型樁的端阻力很小，僅考慮側(cè)阻力的影響。由剪切位移法，離樁中心線r處的豎向位移為式中，τ0為樁側(cè)阻力平均值，0r為樁半徑，sG為土的剪切模量Gs=E0/2(1+v)，v為泊松比，軟土取v=0.4,0E為土的變形模量，,sE為土的壓縮模量，mr為樁側(cè)土剪切位移最大半徑，軟土mr=8d(d為樁直徑）。將式（9）積分得樁側(cè)碟形位移體積：由于有一定剛度的承臺(tái)對(duì)土位移起均化作用，故樁土相互作用引起的承臺(tái)平均沉降，可將樁側(cè)位移體積除以碟形沉降面積π(rm2-r02)求得，當(dāng)mr大于等效樁距時(shí)，引入近似重疊系數(shù)，且令，則考慮到rm=8d>>r0，且v=0.4，式（11）可簡(jiǎn)化為式中，d為樁徑，方形樁d=1.25b(b為方形樁截面邊長(zhǎng)），為等效距徑比，對(duì)于圓形樁，，方形樁，。一般地，，樁側(cè),d=0.4m。由式（11）得3.2沉降計(jì)算方法的文本驗(yàn)證對(duì)收集到的14項(xiàng)減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)工程實(shí)測(cè)沉降與按本文方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比列于表1。結(jié)果表明，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合程度較好。4樁身承載力驗(yàn)算減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)自加載起，存在樁頂荷載與樁間土荷載一定程度的轉(zhuǎn)換，故樁身滿足承載要求至關(guān)重要。樁身受壓承載力驗(yàn)算式為式中N為荷載效應(yīng)基本組合下的樁頂軸向壓力設(shè)計(jì)值；ψc為基樁成樁工藝系數(shù)，預(yù)制樁ψc=0.85，泥漿護(hù)壁灌注樁ψc=0.8;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Aps為樁身橫截面面積；fy′為縱向主筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，sA′為縱向主筋截面面積；當(dāng)樁頂以下5d范圍內(nèi)箍筋未加密時(shí)，不宜計(jì)入縱筋的承壓作用。5復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的特性(1）軟土地基復(fù)合樁基的平均側(cè)阻力因群樁效應(yīng)而削弱，平均端阻力因群樁效應(yīng)而增強(qiáng)。當(dāng)樁距增大到6d時(shí)，其側(cè)阻力極限值趨近于單樁，端阻力極限值仍高于單樁，但發(fā)揮至極限值所需沉降均大于單樁。(2）軟土地基群樁承臺(tái)土抗力發(fā)揮值隨樁距增大而增大，但在6d樁距條件下仍受樁的影響，其承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)ηc僅為50%左右，低于一般黏性土、粉土和砂土。承臺(tái)土抗力與平板不同，呈現(xiàn)沉降硬化現(xiàn)象。(3）減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的極限承載力可取各單樁極限承載力之和，再加上樁間土極限承載力乘以承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)。(4）軟土復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的沉降變形性狀明顯不同于小樁距群樁，后者在工作荷載下，樁、土基本呈整體沉降；復(fù)合疏樁基礎(chǔ)受荷后即出現(xiàn)樁間土壓縮