復合地基軟弱下臥層強度驗算方法

PAGEPAGE7復合地基軟弱下臥層強度驗算方法分析摘要：復合地基是被現(xiàn)代建筑廣泛應(yīng)用的一種地基處理手段，根據(jù)規(guī)范：當在受力層范圍內(nèi)仍存在軟弱下臥層時，應(yīng)對下臥層的強度進行驗算。怎樣驗算S如何確定復合地基的基底附加壓力擴散模型，規(guī)范中并沒有明確。通過分析不同類型復合地基加固機理及荷載傳遞性質(zhì)，表明作者在此問題上的認識與觀點。關(guān)鍵詞：復合地基軟弱下臥層強度驗算方法分析復合地基是指部分土體被增強或被置換而形成增強體，由增強體和周圍地基土共同承擔荷載的地基。隨著地基處理設(shè)計水平的提高、施工工藝的改進和設(shè)備的更新，復合地基處理的方法越來越多，處理的適用范圍也越來越廣，目前我國復合地基已應(yīng)用于35層建筑的地基處理。復合地基以其施工工藝簡單、工期短、投資少、適應(yīng)性強等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。但由于復合地基的種類較多，組成增強體的材料不同，復合地基的作用機理、強度及變形規(guī)律存在較大差異，對其仍存在研究不夠、理論滯后于實踐的問題。本文通過分析不同類型復合地基加固機理及荷載傳遞性質(zhì)，提出不同類型復合地基軟弱下臥層強度驗算的一點認識與觀點，供分析參考。1問題的提出根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002），經(jīng)處理后的地基，當在受力層范圍內(nèi)仍存在軟弱下臥層時，尚應(yīng)驗算下臥層的地基承載力，即下臥層強度應(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。而在實際工作中，對軟弱下臥層進行強度驗算時，如何計算下臥層頂面處的附加壓力值，規(guī)范中并未給出復合地基的應(yīng)力擴散模型。復合地基擴散模型的選擇決定了軟弱下臥層強度是否滿足軟弱下臥層頂面所受的壓力值，也決定了復合地基增強體的入土深度，因而也決定了復合地基增強體施工工藝的可能性。以水泥土攪拌樁復合地基為例：根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002），水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值在初步設(shè)計時可按照下式估算：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度相對較低，大多數(shù)情況下單樁承載力由樁身材料強度控制，復合地基承載力不因樁長的增加而提高，存在著一個臨界樁長。因此，當兩式的值比較接近時，水泥土攪拌樁的入土深度比較經(jīng)濟。在實際工程運用中，按照⑴⑵⑶式確定的復合地基承載力在滿足強度要求的情況下，如果在受力層內(nèi)仍存在軟弱下臥層時，尚應(yīng)驗算軟弱下臥層的地基承載力。此時，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?shù)厮嗤翑嚢铇兜脑O(shè)備能力是否能達到估算的入土深度。因此，如何選擇合理的復合地基擴散模型是確保復合地基安全、經(jīng)濟的關(guān)鍵。2復合地基擴散模型分析復合地基的類型較多，按豎向增強體的性質(zhì)可分類如下（表1）：表1豎向增強體（樁）復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散模型是復合地基設(shè)計中一個重要問題。然而，由于復合土體的復雜性，在工程應(yīng)用中很難用一個普遍適用的數(shù)學模型來概括不同種類復合地基的擴散模型。作者根據(jù)組成復合地基增強體的材料、復合地基的加固機理以及荷載傳遞的性質(zhì)，在確保復合地基的安全、經(jīng)濟性以及所選用的地基擴散模型盡可能使復合土體在受力作用時與實際接近的前提下，提出不同類型復合地基在驗算軟弱下臥層強度時的擴散模型如下：2.1復合地基擴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、砂石等無膠凝性材料）組成的樁體，這類樁的特點是樁體材料無凝聚力，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。對地基的加固機理主要是擠密、排水減壓或置換作用等，樁的承載力取決于樁材的內(nèi)摩擦角和樁周土對樁身的側(cè)向約束力，而呈現(xiàn)出與樁長無關(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)，導致樁體發(fā)生側(cè)向變形，它也是散體材料樁復合地基變形的主要原因。根據(jù)散體材料樁復合地基加固機理及荷載的傳遞性質(zhì)，作者認為：⑴對散體材料樁復合地基，可以把樁長范圍內(nèi)的復合土層當成模量已增大的自然土層，參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002）中地基壓力擴散角的概念先求出軟弱下臥層頂面處的附加壓力，然后采用公式驗算軟弱下臥層強度是否滿足要求。地基壓力擴散角可按復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地基壓力擴散角Z/b0.250.5360230510025010200300注：1為復合土層壓縮模量；為軟弱下臥層壓縮模量2Z/b＜0.25時取=00；Z/b＞0.5時取值不變由于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002）中壓力擴散角的概念是建立在土體半無限直線理論的基礎(chǔ)上，而地基處理的范圍是有限的，因此，散體材料樁復合地基在參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002）中地基壓力擴散角的概念對軟弱下臥層進行強度驗算時，按照模量比值確定的地基壓力擴散角的取值不宜使擴散后的復合地基底部面積超出復合地基的加固范圍。⑵當Es1/Es2＜3時，表明復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，在對軟弱下臥層進行強度驗算時，可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論來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度和粘結(jié)力，屬剛性樁。復合地基承載力一般取決于樁周及樁端土的強度。⑴混凝土類樁復合地基的加固機理主要有兩方面：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，復合地基中的混凝土樁起到了樁體作用。褥墊層作用：由級配砂石、碎石等散體材料組成的褥墊層，在復合地基中保證了樁、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自全樁長的摩阻力及樁端阻力，樁越長則承載力越高；由于混凝土類樁的強度和剛度較大，受荷后，應(yīng)力的傳遞可能會到達基礎(chǔ)底面以下較深的土體中。⑶擴散模型分析：根據(jù)混凝土類樁復合地基加固機理及荷載傳遞性質(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，復合地基的承載力由樁和樁間土共同承擔，因此，可將樁與樁間土視為一個假想的實體基礎(chǔ)，按群樁作用原理進行下臥層地基強度驗算。擴散模型可按兩種方法考慮：首先基底壓力擴散角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，同時在假想基礎(chǔ)底面至軟弱下臥層頂面之間進行二次擴散（圖1）。假想實體基礎(chǔ)底面土的附加壓力為：式中：f—假想實體基礎(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；a0—矩形實體基礎(chǔ)長；b0—矩形實體基礎(chǔ)寬。其次考慮假想實體基礎(chǔ)側(cè)面與土的摩擦力，計算出假想實體基礎(chǔ)底面處土的附加壓力，同時在假想實體基礎(chǔ)底面至軟弱下臥層頂面之間進行二次擴散（圖2）。假想實體基礎(chǔ)底面處的附加壓力為：式中：f—假想實體基礎(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；—樁身長度范圍內(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行二次擴散，計算出軟弱下臥層頂面處所受的附加壓力，采用公式驗算軟弱下臥層強度是否滿足要求。2.3水泥土類樁復合地基目前水泥土類樁復合地基主要有高壓噴射注漿樁復合地基和水泥土攪拌樁復合地基，其豎向增強體的強度和樁身材料粘結(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度和較大的粘結(jié)力，特別是在砂性土中，其樁身強度接近于剛性樁，復合地基的承載力主要由單樁承載力決定，因此，高壓噴射注漿樁復合地基在對受力層范圍內(nèi)軟弱下臥層進行強度驗算時，可參照混凝土類樁復合地基的擴散模型。⑵水泥土攪拌樁：根據(jù)相關(guān)實驗資料表明：對水泥土攪拌樁復合地基，當水泥摻入比а≤10%時，復合地基承載力與樁長無關(guān)，呈散體材料樁的特征；當水泥摻入比а≥20%時，復合地基承載力隨樁長的增加而提高；在水泥摻入比介于10%—20%時，水泥摻量的增減對單樁承載力的影響十分顯著。因此，水泥土攪拌樁復合地基在對受力層范圍內(nèi)軟弱下臥層進強度驗算時，應(yīng)根據(jù)水泥的摻入量來具體確定：①當水泥摻入比а≤10%時，可參照散體材料樁復合地基的擴散模型；②當水泥摻入比а≥20%，可參照混凝土類樁復合地基的擴散模型；③當水泥摻入比а=10%—20%時，宜根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗估算水泥土的強度來確定其擴散模型或根據(jù)所加固土的類型確定水泥土攪拌樁復合地基的擴散模型；加固砂性土地基時，可參照混凝土類樁復合地基擴散模型；加固粘性土地基時，可參照散體材料樁復合地基擴散模型。3結(jié)論通過上述分析，對復合地基軟弱下臥層強度驗算得出如下結(jié)論：⑴對散體材料樁復合地基，可以把樁長范圍內(nèi)的復合土層當成模量已增大的自然土層，參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002）中地基壓力擴散角的概念對軟弱下臥層強度進行驗算；⑵