界土彈簧理論估算軟土地區(qū)樁筏基礎(chǔ)沉降初探

吳霞曦

0 引言

在東南沿海地區(qū)和其他一些軟土地區(qū)，高層建筑地基處理費用高，常占工程總造價的10%～20%。由于地質(zhì)、水文等地下狀況的復(fù)雜性，導(dǎo)致地基基礎(chǔ)的計算較上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且更具不確定性。由于高層建筑在軟土地區(qū)基本采用樁筏基礎(chǔ)形式，本文以此為研究對象，盡量從簡明實用角度提出計算模型與計算方法，并輔以實例核驗。

1 計算模型

本文選擇樁的終沉狀態(tài)作為研究時點，采用彈性理論研究方法。在終沉狀態(tài)點，樁基沉降考慮由樁自身的壓縮變形、樁底以下土層壓縮變形及樁間土壓縮變形組成。由于樁身壓縮量通常很小，在計算中忽略處理。本文將計算深度以下土體看作一無限剛整體，筏基與上部結(jié)構(gòu)作為一個無限剛的整體，樁、土的沉降在這兩個無限剛塊體之間發(fā)生。

據(jù)前，我們認(rèn)為全部樁的下沉值s是由樁周土的下沉值ss和樁底計算深度以內(nèi)土的下沉值sp兩部分組成。全部樁周臨界土及樁下土的作用虛擬成在樁周界面處兩個上下相疊的彈簧，樁筏則作為一個剛性體嵌扣在這兩個彈簧中，且樁與周邊彈簧保持接觸(因此本文稱彈簧為界土彈簧)。對樁間(周)土，我們將之簡化為另一個彈簧。本文確定采用的基本計算模型如圖1所示。

圖1 樁基礎(chǔ)計算模型

2 壓縮土層計算深度

土中應(yīng)力擴(kuò)散作用的一般規(guī)律是越往遠(yuǎn)處，應(yīng)力越小，其擴(kuò)散方式可以按照各向同性均質(zhì)直線變形體為考慮作用范圍以某一斜率向下擴(kuò)張。一般認(rèn)為，附加應(yīng)力的深度影響一般在板短邊尺寸的40倍以外時趨近于0。據(jù)地質(zhì)勘探要求，一般性勘探孔應(yīng)深入預(yù)計樁端平面以下3倍～5倍樁身設(shè)計直徑，且不得小于3 m;對大直徑樁，不得小于5 m。如按40倍板短邊深度作為計算深度，由于勘探深度并不能達(dá)到，土性不能完全確定。本文為簡化計算，在計算樁基礎(chǔ)沉降時，考慮持力層不允許出現(xiàn)較大的整體沉降，認(rèn)為持力層底部可作為計算深度的底端(當(dāng)持力層厚度較大時，取到樁底下5 m深度處)。壓縮土的計算厚度按下式確定:

樁底以下的土層計算厚度:

樁間土的計算厚度為:

其中，l為樁長，m;d為樁徑，m。

3 樁間土的沉降計算

我們將樁間土受荷面看作為連續(xù)且承受均布荷載的平面。其沉降值取有效附加應(yīng)力按彈性方法表達(dá)如下:

其中，ps為樁間土所分擔(dān)的荷載;γ為樁頂以上原土的重度;d0為樁頂以上原土的深度;As為樁間土受荷面積。

4 樁位處土層壓縮變形

由于我們考慮樁周界的摩阻力是該位置土體壓縮的主要因素，而據(jù)前所述，為了利用到樁端土的承載力，摩擦阻力將沿全樁長均勻分布。則樁周界層土的壓縮量sp1可按下式計算:

其中，Est為樁長范圍內(nèi)的土層等效壓縮模量。

其中，Δzi為各土層對應(yīng)的厚度;qs為樁周土按深度加權(quán)平均摩阻力;l為樁長;Esti為各土層的變形模量。

由于樁本身也具有質(zhì)量，且其重度一般都大于地基土，我們在計算中直接取樁身質(zhì)量與原土及水作用力抵消?；诹纳现料聜鬟f的特性，當(dāng)基樁單樁所受上部傳力不大于樁身摩擦力時，我們認(rèn)為樁端下土層不受力，其壓縮變形量為0;當(dāng)基樁單樁所受上部傳力大于樁身摩擦力時，樁端下土層發(fā)生壓縮變形，此時，由樁身直接傳導(dǎo)到樁端的力為pz－Rl。樁身與樁下土作為一個整體與樁周土分別屬于不同的獨立體。則此時樁端以下土層頂面的附加應(yīng)力為:

其中，Rl為樁側(cè)摩阻力合力;Az為樁端截面積。

樁底土的最終沉降可取為:

其中，hp為樁底土計算厚度;Esp為樁底計算土層的壓縮模量，MPa;σpe為樁端土引起土體變形的等效附加應(yīng)力。

其中，αi為計算點周邊第i塊矩形均布荷載角點下附加應(yīng)力系數(shù)，可按下式取值:

其中，z為樁間土的計算深度;l，b分別為第i塊矩形均布荷載的長、寬。

最終樁的沉降可按下式確定:

其中，ψ為考慮樁周土及鄰樁的應(yīng)力擴(kuò)散影響、土體塑性變形、彈性特性、土體固結(jié)及流變等因素的結(jié)果修正系數(shù)，可在1.0～1.1之間取值。

5 結(jié)構(gòu)荷載的分配

在軟土地區(qū)，基樁一般同時考慮端承力和摩阻力作用。按前模型，上部荷載在土與樁間可按變形協(xié)調(diào)條件分配，即:

上部結(jié)構(gòu)傳力由樁與土共同承擔(dān)，即:

其中，F(xiàn)為考慮偏心作用放大后的上部結(jié)構(gòu)荷載;G為基礎(chǔ)及其上土重;pz為樁分擔(dān)的荷載;ps為樁間土分擔(dān)的荷載。

6 工程應(yīng)用實例

平湖市某住宅小區(qū)一剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，樁筏基礎(chǔ)，地上26層，地下2層，建筑高75.7 m。按本文所述方法，樁底土計算深度取為5 m，樁間土計算深度取為39 m，計得沉降變形量136.5 mm。相應(yīng)最終施工圖設(shè)計按樁基規(guī)范計算的平均沉降為233 mm，按明德林方法計算的沉降結(jié)果為82.3 mm。

7 結(jié)語

通過實例運用，本文方法計算結(jié)果在明德林法與規(guī)范法結(jié)果之間，具有一定參考意義。但由于計算模型建立與計算簡化時，對受荷尺寸、樁徑、樁長等影響并未詳加考慮，計算方法還有待改進(jìn)。

[1]李昌栩.軟土地基加固的沉降預(yù)測[J].山西建筑，2010，36(27):127-128.