淺層地基土應用的新途徑

王生泉

（遼寧省第三地質(zhì)大隊，遼寧 朝陽122000）

0 前言

在千米厚度以上的松散沉積地層中，進行高層建筑地基基礎的設計受到關(guān)注的焦點內(nèi)容莫過于解決如何經(jīng)濟合理地做好地基基礎設計。隨著高層建筑的規(guī)劃建設，傳統(tǒng)的設計理論和方式已經(jīng)難以對高層建筑地基基礎的設計給出滿意的解釋和詮釋。這些建立在樁基和復合地基原理上的設計理論，特別是對于河湖相沉積的、呈薄層及互層狀的飽和粉土及粉質(zhì)粘土層，則是把基礎底板下一定厚度的承載力小于130KPa的該類土層用高強度、低變形量的樁基礎方法或高強度加強體為主的復合地基加以處理，這無疑確保了高層建筑的安全，但是在經(jīng)濟、施工便利、簡單等方面失去了優(yōu)越性。土的三軸強度試驗，真三軸強度試驗結(jié)果表明：土的強度并非定值，而是隨土圍壓力的增高有所增加；土的軸向變形則隨土的圍壓增加而減弱。本文擬以三軸強度試驗為原理，提出圍壓結(jié)構(gòu)的具體工程設計及思路，利用圍壓結(jié)構(gòu)將地基土分割為等面積，等體積，土的大型三軸強度試驗組合，使得圍壓結(jié)構(gòu)和土體形成新的共同工作的結(jié)構(gòu)地基，以解決高層建筑地基基礎中淺層軟土為高層建筑地基利用的現(xiàn)實問題。

1 高層建筑地基及設計現(xiàn)狀分析

1.1 高層建筑地基及設計歷史

每次高層建筑的空間和平面的拓展，都為地基基礎的設計理論提供了新的研究課題和方向，同時也為土力學研究成果的工程實現(xiàn)提供了應用空間。上世紀80年代初期，在大厚度松散土上建筑高層建筑，基本上以結(jié)構(gòu)力學的理論為依據(jù)，提出了以樁內(nèi)全置換土為主的樁基和列成熟設計理論，施工工藝，檢測措施等。但存在的不足：①雖然樁基系列具有明顯的安全性，但是由于舍棄淺層有一定承載能力、抗變形能力的軟弱土，無疑要求基礎的剛度，長度，整體強度加大，故此直接導致基礎的工程造價飆升以及施工工藝的復雜化；②由于樁結(jié)構(gòu)體在地基土內(nèi)所占的面積比例為10%左右，卻承擔100%的建筑荷載作用，樁的應用集中效應明顯；③樁體表面與土的接觸面積有限，大多情況下樁的承載力由土的摩阻力和端阻力，而影響范圍之外的土并不能充分提供其強度試驗和真三軸剪切試驗，對土力學性質(zhì)和行為的深入探討有一定的積累，土的宏觀、微觀試驗研究[1]，對于土的微觀結(jié)構(gòu)從認識方面進一步深化，開始注意到土的應力應變特征。

1.2 多層軟弱土基礎設計方式

到目前為止，對于淺層土的利用有三種設計方式：①沿襲結(jié)構(gòu)力學理論和集中荷載方式發(fā)展下來的樁基礎設計，幾乎是基礎的代名詞，絕大多數(shù)軟弱地層中的基礎采用樁孔內(nèi)部分或全部的置換土并填充人工高強度材料和實現(xiàn)，籍此將上部荷載通過樁、土的端阻力等傳遞到土深部以及借助于樁表面與土的摩擦力消散于土內(nèi)；②以土力學對土應力應變規(guī)律研究的最新成果，采用復合地基加固原理力依據(jù)的地基加固設計[2]，利用率由原來的10%上升到20%以上[3]。它源于三軸剪切試驗對于土在受力過程中變形特性和破壞，特點的微觀描述和認識[4]及對土固結(jié)機理的深化認識。出現(xiàn)了以樁側(cè)摩阻力和樁端阻力聯(lián)合貢獻于樁承載力的，在原位半置換土的粉噴樁、高壓施噴樁、深層攪拌樁等滲透性設計。這些設計雖然對淺層軟弱土的工程實踐產(chǎn)生積極的推動作用，但是廣泛的利用于高層建筑地基中的地基處理設計尚在探索階段；③結(jié)構(gòu)力學和土力學理論相對融合的思路，即樁基礎和地基處理相結(jié)合的混合設計[5]，由此部分地實現(xiàn)了經(jīng)濟、安全、高效的地基基礎設計要求和土利用率提高，顯然受到現(xiàn)代土力學研究成果的影響，地基與基礎設計方面又前進了一步。

然而，這些地基基礎的設計均忽略了三軸強度試驗中的圍壓對于土強度和變形的控制作用，或只針對土的某些特殊性質(zhì)提出相應的處理措施，更是忽略了土中圍壓作用整體性改變土的力學屬性的圍壓結(jié)構(gòu)地基基礎形式。

2 軟弱土層應用新思路

新的圍壓結(jié)構(gòu)地基應該是這些認識的實質(zhì)性，結(jié)合性反映。新的圍壓結(jié)構(gòu)地基設計，無疑需要現(xiàn)代土力學中最新研究成果的支持，勢必可以為地基基礎設計增添新的設計方法以及改善長期以柔土力學研究成果與工程實踐的脫節(jié)觀象。因此，在探討淺軟弱土應用高層建筑之間，必須建立如下幾點認識：

2.1 軟弱土不能直接作為地基。原因在于沒有考慮土中應力場會隨著土中應力狀態(tài)的改變而變化，更沒有考慮到軟弱土塑性變形方向大小與應力場改變的關(guān)系，甚至一個公認的三軸強度試驗土圍壓力增加直接導致主應力產(chǎn)生的應變減少，抗剪強度增加的試驗事實被忽略。

2.2 土是由固相顆粒孔隙（含濃相、氣相、膠結(jié)物質(zhì)等）組構(gòu)，在通常的工程范圍內(nèi)，可以認為巖礦顆粒、粘土圍粒構(gòu)成了固相顆粒的基本強度單元，并假設基本強度單元在通常的圍巖條件下不發(fā)生顆粒破壞。

2.3 三軸強度試驗中，土的初始孔隙比對土的應力應變有很大的影響，初始孔隙 比越小，圍壓力越大，最大主應力越大。相同的土大于不同圍壓（σ2=σ3=χ1）作用下，主應力σ1不變，且σ1＞σ2=σ3條件下，①峰值強度和屈服強度隨著圍壓（σ2=σ3=χ2）的升高（即χ1＞χ2）而增加；②主應力對應的變形ε1則隨著圍壓（σ2=σ3=χ2）升高相應的減少。

2.4 松散土樣因孔隙比較大，應力應變曲線中沒有峰值應力升觀。但是在足夠圍壓力和最大主應力的作用下，體積首先垂直壓縮并且壓縮變形的增加量的逐漸減少，而無側(cè)向變形的增量。

2.5 對于無偏向荷載作用的軟弱地基土，控制土的側(cè)向變形要比限制垂直沉降意義更大。大量測試資料表明，地基土的側(cè)向變形是沉降、

差異變形、傾斜的決定性因素。

3 圍巖結(jié)構(gòu)地基的設計

基于上述對土的認識，得到淺層軟弱地層地基設計的合理啟發(fā)，繼而形成有效的、與之相適應的地基結(jié)構(gòu)設計思路，即是：

3.1 充分反映土所特有的屬性，即隨時間和環(huán)境產(chǎn)生的“結(jié)構(gòu)變形結(jié)構(gòu)破壞循環(huán)”。首先，建立具有針對性的、“以土結(jié)構(gòu)破壞過程機理分析—量化評價”為宗旨工程結(jié)構(gòu)的設計概念。其次，在設計更具針對性、系統(tǒng)性與有效性確保經(jīng)濟合理的要求下、對現(xiàn)有的各種地基設計選擇適宜性的圍壓結(jié)構(gòu)，最后，在完全滿足上述條件的前提下，實現(xiàn)地基土和圍壓結(jié)構(gòu)共同作用的要求。

3.2 實現(xiàn)上述要求，必須對軟弱土側(cè)向變形穩(wěn)定性實施工程控制，即限制土的側(cè)向變形并將其通過與土緊密結(jié)合的結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)。

3.3 用系統(tǒng)分析原理對土和圍壓結(jié)構(gòu)之間的相互作用進行分析，把圍壓結(jié)構(gòu)視為土中即新結(jié)構(gòu)體系。

3.4 以室內(nèi)土三軸剪切試驗原理為指導，輔以原位靜荷載試驗對圍壓結(jié)構(gòu)進行足尺寸的觀場研究，分別進行軟土中無側(cè)限圍壓結(jié)構(gòu)，存測限圍壓結(jié)構(gòu)和土結(jié)構(gòu)共同作用的試驗，把獲得的數(shù)條試驗壓縮曲線作為研究的根據(jù)，并作為基本判識依據(jù)。

3.5 圍壓結(jié)構(gòu)地基的計算式指導：視圍壓在結(jié)構(gòu)地基為均勻，各向同性的彈性體，結(jié)構(gòu)地基的分層與原天然地基土想同，依據(jù)彈性理論，極限平衡理論、有效應力原理進行地基的承載力特征值、壓縮衡量結(jié)構(gòu)強度等計算式指導。

4 結(jié)論

4.1 把當代土力學研究成果應用到地基基礎設計中是研究的最終目標。將土變形及強度地過程屬性作為地基基礎設計的思路顯然比一味地采用高強度、深部硬土作為地基更加重要。淺層土作為高層建筑地基雖然有不同的缺陷，但是采用圍壓結(jié)設計后，直接作為地基滿足建筑要求，同時減少地基基礎的加固和處理的深度。

4.2 圍壓工程設計必須對淺層土的結(jié)構(gòu)強度，影響結(jié)構(gòu)強度的各種因素，工程結(jié)構(gòu)強度、土與工程結(jié)構(gòu)之間相互作用進行全面分析和合理認識后進行。

4.3 圍巖結(jié)構(gòu)并非單純的原位水泥攪拌樁一種，而是以其結(jié)構(gòu)深度與土層相匹配、與土結(jié)合程度高、經(jīng)濟、安全、易行為標準選用，這方面繼續(xù)探索的空間相當寬廣?？稍谌魏涡螤畹幕A、任意深度的薄層軟土層中使用。

4.4 淺土層作為地基的設計方法很多，但滿足高層建筑要求的設計方法還沒有系統(tǒng)化。本文把圍壓增加土強度效應與工程結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合一起，用簡單的方法解決了困擾的、復雜的問題，可見進一步深化探索意義顯著。

［1］宰金珉,宰金璋.高層建筑基礎分析與設計[M].北京:中國建筑與工業(yè)出版社，1994.

［2］曾國熙，盧肇鈞，等.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993.

［3］陳仲頤，葉書麟，等.基礎工程學[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993.

［4］閆明禮，王名山，等.多樁型復合地基設計計算方法探討[J].2003，5(3).

［5］葛修潤，任建喜，等.巖土損傷力學宏細觀試驗研究[M].北京:科學出版社，2004.