[摘要]:軟土地基的多層建筑,當采用天然地基淺基礎時,一般地基承載力可以滿足要求,但沉降多數超過允許值。一幢3層辦公樓,當采用筏板基礎時,計算基礎中點沉降達254.4mm,當基礎下設置少量減沉樁后其沉降減至135.6mm,表明多層建筑采用減沉復合疏樁基礎可以減少房屋沉降,同時工程基礎造價與樁基礎比較節省約33%。

　　[關鍵詞]　減沉樁;復合樁基;沉降計算

　　0　前言

　　舟山群島存在大面積的海積、沖海積和山前沖海積平原,地基土存在厚10～50m的高壓縮性、低強度、大孔隙比和高含水量的淤泥質粘土層。在其頂部大多存在厚1～2m的粉質粘土(俗稱硬殼層),當量大面廣的多層住宅等建筑采用淺基礎時以該層為持力層,一般情況下地基承載力和軟弱下臥層承載力均能滿足要求。但由于軟土層太厚,將產生過大的沉降,不滿足使用要求,因此該地區1～6層建筑大部分均采用樁基礎,且多數采用預應力管樁,樁長達40～60m,甚至某公園一單層廁所也打了6根直徑0.4m、樁長30m的預應力管樁[1],因此基礎造價相對較高。和常規樁基相比,減沉樁的復合樁基可以減小沉降和降低造價,所以在上海、天津等軟土地區已有較多的應用,但在舟山還未曾用過。某3層辦公樓減沉復合疏樁基礎設計工程在舟山是首例,可為這項技術的推廣使用積累經驗。

　　1、減沉復合疏樁基礎工作機理

　　減沉復合疏樁基礎是在軟土天然地基承載力基本滿足要求的情況下,為了減小建筑物沉降采用疏布樁(樁距>6d,d為樁徑)的復合樁基礎,外荷載由樁和樁間土共同承擔,樁的截面較小,樁間距較大,以保證樁間土的荷載分擔足夠大。隨著上部結構荷載增加,荷載開始主要由樁承擔,樁、土間的變形以受基礎底壓力作用影響為主,受樁土相互作用影響次之,基礎底的樁和土沉降是相等的,而承載力的可靠度主要由淺基礎承載力作保證。

　　減沉樁設計為變形控制設計方法,主要對存在深厚軟土層的多層建筑的絕對沉降和整體傾斜、撓曲和結構支點間的差異沉降進行控制。減沉樁的工作機理很復雜,其受力性狀與常規樁距的樁基礎有明顯的不同,對此目前還研究得不夠,尤其現場足尺試驗資料不多,學術上有不同的觀點,爭論焦點之一是在正常使用條件下,減沉樁是在承載力特征值還是在極限承載力下工作或在兩者之間工作。本文[2]通過減沉樁模型試驗和有限元分析認為,樁在80%～90%的單樁極限承載力下工作;文[3],[4]建議樁承載力按0.9Qu設計(Qu為單樁極限承載力),按單樁極限承載力設計復合樁基可為充分發揮承臺底地基土的直接承載作用創造條件;文[5]認為,當淺基礎(承臺)產生一定沉降時,樁能充分發揮并始終保持其全部極限承載力,即有足夠的“韌性”;文[6]提出上海地區可令樁發揮極限承載力的樁與承臺摩擦樁基礎的設計建議;上海規范[7]規定,復合樁基、樁和土共同作用,當荷載達群樁極限狀態時,荷載全部由樁承擔,地基土不承受荷載,當荷載超過極限承載力時,超過的部分由基底地基土承擔。文中工程減沉樁復合樁基設計采用《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)[8]中的設計方法,基底附加壓力按總荷載扣除單樁承載力特征值進行計算。

　　2　工程概況

　　六橫沙浦一3層辦公樓,建筑面積1600m2,框架結構,上部結構荷載效應基本組合設計值32442kN,基礎埋深0.9m,地下水位0.9m,采用梁板式筏型基礎,平面尺寸39.24m×17.4m,板厚250mm,縱向地基梁500mm×650mm和500mm×800mm,橫向地基梁400mm×600mm,基礎平面見圖1,承臺構造見圖2。

　　工程所在場地土層分布較單一,共有3個巖土工程單元層和2個亞層,層①1為填土層,其他物理力學指標見表1。

　　3、天然地基沉降計算

　　(1)基底平均壓力為:

　　pk=Fk+Gk

　　A=32442P1135+68218×019×2068218=5312kPa

　　(2)軟弱下臥層承載力按下式驗算:

　　pz+pcz≤fazpz=lb(pk-pc)(b+2Ztanθ)(l+2Ztanθ)式中:pz為軟弱下臥層頂面附加壓力;pcz為軟弱下臥層頂面自重壓力,pcz=2413kPa;faz為經深度修正軟弱下臥層承載力特征值,faz=6216kPa;pc為基礎底面處自重壓力,pc=1711kPa;Z為基礎底面至軟弱下臥層頂面距離,Z=018m;θ為擴散角,由ZPb=018P1714=0105,Es1

　　PEs2=811P212=317,故θ=0°。計算得:

　　pz=39124×1714×(5312-1711)(1714+2×018×tan0°)(3914+2×018×tan0°)

　　=3611kPapz+pcz=3611+2413=6014kPa≤faz=6216kPa滿足要求。

　　(3)按分層總和法計算筏板基礎沉降:

　　s=ψsΣn1p0Esi(zi.αi-zi-1.αi-1)式中:ψs為沉降計算經驗系數,根據地基規范[13]由.Es=2146MPa查表得ψs=111;p0為荷載效應準永久組合的平均附加壓力,p0=33kPa;Esi為基底下第i層土壓縮模量;.αi,.αi-1為承臺等效面積角點平均附加應力系數;zi,zi-1為承臺底至第i,i-1層土底面距離。最終計算得出s=25414mm。

　　4、減沉樁復合疏樁基礎設計和沉降計算

　　由上述計算結果可知,采用天然地基的筏板基礎的基底壓力和軟弱下臥層承載力驗算均滿足要求,但沉降s=254.4mm,已超過各地規范[7,9,12]規定的地基變形容許值:上海規范[7]規定,多層框架結構天然地基筏板基礎中心點容許沉降為15～20cm;天津規范[9]規定,多層建筑容許沉降值為10～15cm;北京規范[12]規定,多層建筑框架結構長期最大容許沉降量為3～12cm。

　　為減少筏基沉降,采用減沉復合疏樁基礎,即在每一根柱下各布設一根預制樁,樁截面250×250,樁長21m,樁端持力層為層③含角礫粉質粘土,總樁數44根。

　　根據表1中的參數,單樁承載力特征值為:

　　Ra=uqsiaLi+qpaAp=376.5kN

　　減沉復合疏樁基礎底板中點最終沉降由兩部分組成:一是基礎底面土在附加壓力作用下的壓縮變形的沉降ss,二是樁對土影響產生的沉降ssp。

　　s=ψ(ss+ssp)(1)

　　式中ψ為沉降計算經驗系數,無當地經驗ψ取1.0。

　　由于基礎底面樁和土的沉降是相等的,式(1)是通過計算樁間土沉降的方法計算基底中點最終沉降量。

　　4.1基底地基土附加壓力產生的沉降ss

　　基底地基土附加壓力產生的沉降ss,是按Bouissinesg解計算土中附加應力,由單向壓縮分層總和法計算:

　　ss=Σui=1p0Esi(zi.αi-zi-1.αi-1)(2)　　承臺等效寬度為:

　　Bc=BAcPL(3)

　　式中:Ac為承臺底凈面積;B,L分別為承臺基礎平面的寬度和長度。經計算Ac=680m2,B=17.4m,L=39.24m,Bc=11.56m。

　　根據荷載效應準永久組合計算假想天然地基平均附加壓力p0

　　p0=ηp(F-nRa)/Ac(4)

　　式中:ηp為基樁刺入變形影響系數,取1.2;F為荷載效應準永久組合荷載值,F=33918kN;n為樁數,n=44。計算得出p0=30.6kPa。

　　基底附加壓力作用下的沉降計算見表2。

　　注:L/B=2.3。

　　滿足σz=011σc確定的沉降計算深度zn=15m,由基底地基土附加壓力作用下產生的筏板基礎中點沉降ss=131.3mm。

　　4.2樁對土影響產生的沉降ssp

　　因減沉樁端阻力相對較小,同時l/d=84(d為樁徑),單樁沉降受樁端持力層性狀影響不大,所以忽略端阻力對基底地基土沉降的影響,僅考慮樁側阻力引起樁周土的沉降。按剪切位移傳遞法計算,當軟土層樁側剪切位移影響半徑按8d考慮時,可得到ssp的簡化公式:

　　ssp=280.qsu.Esi×d(SdPd)2(5)

　　式中:.qsu,.Es分別為樁身范圍內按厚度加權極限側阻力和平均壓縮模量;d為樁身直徑,方樁d=1.25b(b為單樁截面邊長);Sd/d為等效距徑比,方樁Sd/d=0.886A/(nb)。經計算.qsu=2318kPa,.Es=2179MPa,SdPd=14,ssp=318mm。

　　故減沉復合疏樁筏基中點沉降為:

　　s=ψ(ss+ssp)=1.0×(131.8+3.8)=135.6mm所以減沉復合疏樁筏基比筏板天然地基中點沉降(254.4mm)減小47%,且沉降值滿足規范要求。

　　5、結論

　　(1)計算的基礎中點沉降比天然地基沉降減小47%,說明設計少量減沉樁可使沉降滿足規范要求。從結構封頂后的沉降觀測知,其最大沉降量為45mm,預計最終沉降達128mm左右(假設封頂后沉降完成35%),當沉降速率0.01mm/d為沉降基本穩定標準時[10],預計沉降穩定時間不超過10年[11]。而不遠處類似土層的框架結構,采用十字交叉梁條形基礎,結構封頂后的最大沉降達105mm。

　　(2)該辦公樓周邊有多層住宅樓,道路下有自來水管線,當采用常規的預應力管樁或預制方樁時,無論是錘擊法或靜壓法沉樁都將產生擠土效應,擠土范圍達1～1.5倍樁長,所以要設置應力釋放孔等減少擠土效應,同時設置測斜孔監測深層土體位移來控制打樁速率,就會增加工程造價。而減沉樁樁間距很大,達15.2d～16.4d,大大減少了擠土效應,甚至可不用考慮樁施工的擠土效應。

　　(3)該工程與采用常規樁基比較,采用減沉復合樁基可減少樁數30%,降低造價35%(含防擠土措施和監測費用)。

　　參考文獻：

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　　[11]陳皓彬.軟土地基建筑物沉降分析與計算[C]PP建筑地基研究文集.福州:福建省地圖出版社,2005.

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　　[13]GB50007—2002建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.56