減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法商榷

方　成,林　柏,章　華,徐和財,黃　超

FANG Cheng,LIN Bai,ZHANG Hua,XU Hecai ,HUANG Chao

(浙江省工業(yè)設(shè)計研究院,浙江 杭州 311200)

1　概　述

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》,該規(guī)范的起草人黃強(qiáng)、劉金礪、高文生等提供了2例減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)案例[1-2]可知“減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法”的可靠度,依賴“假想天然地基平均附加壓力”的取值,即“承臺效應(yīng)系數(shù)”。

通過對《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》表13中用于驗證合“疏樁基礎(chǔ)沉降計算法”的2例上海地區(qū)復(fù)合疏樁基礎(chǔ)工程案例,以及上海地區(qū)1例有著長期樁土荷載分擔(dān)原位實(shí)測與沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的復(fù)合疏樁基礎(chǔ)案例的計算,對如何反推“減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法”的“假想天然地基平均附加壓力”進(jìn)行探討。

2　減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)案例探討

文獻(xiàn)[1-2]提供了2例減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)案例算例,由該2例案例采用的樁型與地基土層層號可知是上海地區(qū)原吳淞江故河道區(qū)域的工程。再由該2例案例的地基土層名稱、層厚、壓縮模量數(shù)據(jù)可知,應(yīng)該是屬于同一小區(qū)地塊的工程。至于樁的極限側(cè)阻力與端阻力的差別,很可能是文獻(xiàn)[1]將樁的側(cè)阻力與端阻力標(biāo)準(zhǔn)值,誤為極限側(cè)阻力與端阻力。否則這個巨大差別就難以理解了,因為上海地區(qū)原吳淞江故河道區(qū)域的樁的極限側(cè)阻力與端阻力數(shù)值不可能如文獻(xiàn)[1]數(shù)據(jù)那樣低,文獻(xiàn)[1-2]也未提供該工程土層的原位測試數(shù)據(jù)可供校核。文獻(xiàn)[2]提供的減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)案例算例,承臺效應(yīng)系數(shù)取0.6，但缺少基礎(chǔ)平面圖,以及長期實(shí)測沉降，因此本文無法進(jìn)行探討。

2.1　案例1

即《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ94—2008)》表13中序號5的上海工程。地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

案例1為6層磚混住宅,上部結(jié)構(gòu)傳至地面標(biāo)高處對應(yīng)于長期效應(yīng)組合的豎向荷載值為55 440kN,基礎(chǔ)自重為13 406kN。

基礎(chǔ)外包面積為804.35m2(60.9m×13.2m),基礎(chǔ)凈面積為744.79m2,ω=0.93。共布置250根200mm×200mm×16 000mm方樁,樁端持力層為⑤-1-1層黏土,未提供靜載荷試樁數(shù)據(jù)。

竣工后3年實(shí)測平均沉降127mm,相應(yīng)的沉降速率為0.022mm/d,折合成半年沉降量為4mm,尚未達(dá)到沉降停測標(biāo)準(zhǔn)(連續(xù)兩次半年沉降量不超過2mm),但沉降已接近穩(wěn)定。估計實(shí)測推算最終沉降量為130mm左右。案例1基礎(chǔ)平面圖見圖1。

圖1　案例1基礎(chǔ)平面圖

2.1.1減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法

由文獻(xiàn)[2]的參數(shù),所得減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算過程如下。

單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

單樁承載力特征值：Ra=Rk=244kN(注：文獻(xiàn)[1]誤為120kN)。

由文獻(xiàn)[1]取“假想天然地基平均附加壓力”等于 71kPa,fak=90kPa,承臺效應(yīng)系數(shù)為0.6,“假想樁頂平均荷載”等于120kN?？傻糜嬎愠两抵禐?43.9mm(計算過程參見文獻(xiàn)[1]第241頁),滿足保證率80%的要求。

文獻(xiàn)[2](第66頁)的工程實(shí)例未提供基礎(chǔ)平面圖與實(shí)測推算最終沉降量,但已知格筏基礎(chǔ)外包面積為780m2(約為62.4m×12.5m),格筏基礎(chǔ)凈面積為625m2,上部結(jié)構(gòu)總重為61210kN,基礎(chǔ)自重為16848kN,基礎(chǔ)埋深約1.35m,共布置161根200mm×200mm×18 000mm方樁。計算“假想天然地基平均附加壓力”取承臺效應(yīng)系數(shù)為0.7。

探討：案例1中的承臺效應(yīng)系數(shù)取0.6時,計算沉降值與實(shí)測推算最終沉降量之比為1.11；若承臺效應(yīng)系數(shù)取0.8時,計算沉降值(132.5mm)與實(shí)測推算最終沉降量之比為1.02,均滿足保證率80%的要求。

2.1.2上海地基規(guī)范“沉降控制復(fù)合樁基法”

由文獻(xiàn)[2]的參數(shù),可得單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算值為487.6kN,α=0.082。250根樁的極限承載力之和均大于上部結(jié)構(gòu)荷載與基礎(chǔ)自重之和,因此按上海地基規(guī)范“沉降控制復(fù)合樁基法”規(guī)定,由明德林應(yīng)力公式法直接計算沉降。案例1的明德林應(yīng)力公式法計算樁基礎(chǔ)沉降過程見表2。

表2　明德林應(yīng)力公式法計算樁基礎(chǔ)沉降

案例1的明德林應(yīng)力公式法的計算沉降為124.7mm。對于樁入土深度小于30 m時,上海市標(biāo)準(zhǔn)《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(DGJ08—11—2010)》規(guī)定樁基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)應(yīng)為1.05,因此案例1的計算沉降為131mm。滿足保證率80%的要求。

由此可見,上海地基規(guī)范“沉降控制復(fù)合樁基法”并不需要“假想承臺效應(yīng)系數(shù)(0.5～0.8)”的假定,就能夠獲得滿足保證率的計算沉降值。

3　上海地區(qū)復(fù)合疏樁基礎(chǔ)工程案例探討

3.1　案例2

案例2為《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ94—2008)》的表13中序號7的上海徐匯區(qū)某復(fù)合疏樁基礎(chǔ)工程[6],6層住宅建筑(1999年版上海地基規(guī)范),上部結(jié)構(gòu)傳至室外地面標(biāo)高處的豎向荷載為41 600kN。地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表3。

表3　地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及承載力

案例2基礎(chǔ)外包面積為471.28m2,承臺凈面積為360m2,采用152根200mm×200mm×16 000mm方樁,樁端持力層為⑤-1層灰色黏土夾砂。靜載荷試樁單樁極限承載力為250kN。

案例2基礎(chǔ)平面圖見圖2。

案例2的沉降觀測天數(shù)為2 202 d,實(shí)測推算最終沉降量為150mm。

3.1.12例減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法

減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算過程如下：

承臺底附加荷載為42500kN,n=152。

單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

Ra=Rpk+Rsk=32+217.02=249.02kN.

取“假想天然地基平均附加壓力”等于26.5kPa,fak=63kPa,承臺效應(yīng)系數(shù)為0.51,“假想樁頂平均荷載”等于217.8kN。

承臺底附加荷載為P=42 500kN,n=152

AC=42.42×10.88m2

圖2　案例2 基礎(chǔ)平面圖

可得SS=127mm(計算過程略)

=2.43MPa.

d=1.27×0.2

Ψ=1.0

S=1.0×(127+8.3)=135.3mm,滿足保證率80%的要求。

探討：案例2的承臺效應(yīng)系數(shù)取0.51時,計算沉降值與實(shí)測推算最終沉降量之比為0.90；若承臺效應(yīng)系數(shù)取0.8時,計算沉降值179.3mm與實(shí)測推算最終沉降量之比為1.20,均滿足保證率80%的要求。

3.1.2上海地基規(guī)范“沉降控制復(fù)合樁基法”

單樁荷載取250kN,樁身自重9.6kN。案例2明德林應(yīng)力公式法計算樁基礎(chǔ)沉降見表4。

案例2扣除樁群極限承載力的天然地基計算沉降如下：

Fk+Gk=41 600+360×[20×0.5+(20-10) ×

0.77]=47 972kN.

扣除樁群承載力的承臺底附加壓力

0.7-(18.8-10)×0.07=12.5kN/m2.

按上海市標(biāo)準(zhǔn)《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》實(shí)體深基礎(chǔ)法計算案例2沉降見表5。

由此可得案例2的計算沉降為S=101.3+36.9=138.2mm,滿足保證率80%的要求。

3.2　案例3

案例3為案例2同一住宅小區(qū)的6層磚混結(jié)構(gòu)住宅建筑[6],上部結(jié)構(gòu)傳至室外地面標(biāo)高處對應(yīng)于長期效應(yīng)組合的豎向荷載值為49 850kN。地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表3。

案例3承臺凈面積約為523m2,格筏基礎(chǔ)外包面積為628m2,埋深1.65m,基礎(chǔ)自重為(20×0.65+10×1.0)×523=12030kN。

表4　明德林應(yīng)力公式法計算樁基礎(chǔ)沉降

表5　實(shí)體深基礎(chǔ)法計算沉降

案例3采用370根200mm×200mm×16 000mm微型方樁,樁端持力層為⑤-1層灰色黏土夾砂。靜載荷試樁單樁極限承載力為250kN?；A(chǔ)平面圖見圖3。

圖3　案例3基礎(chǔ)平面圖

案例3的沉降觀測天數(shù)為2147d(近6年),實(shí)測推算最終沉降量為136mm。

案例3共埋設(shè)19只樁頂鋼筋應(yīng)力計,60只基礎(chǔ)板底土壓力盒,原位測試持續(xù)時間1557d(逾4年)。實(shí)測樁頂平均荷載為141.8kN,實(shí)測承臺板底土反力為16.7kPa。

3.2.1減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法

減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算過程如下：

單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：Ra=Rpk+Rsk=32+217.02=249.02kN。

取“假想天然地基平均附加壓力”等于 25.3kPa,fak=63kPa,承臺效應(yīng)系數(shù)為0.5,“假想樁頂平均荷載”等于122.7kN。

承臺底附加荷載為

P=54 400kN,n=370,

AC=44.86×14m2,

可得SS=95.6mm(計算過程略)。

=2.43MPa.

d=1.27×0.2

Ψ=1.0

S=1.0×(95.6+8.3)=103.9mm,不能滿足保證率80%的要求。

探討：案例3 的承臺效應(yīng)系數(shù)取0.5時,計算沉降值與實(shí)測推算最終沉降量之比為0.76；若承臺效應(yīng)系數(shù)取0.8時,計算沉降值209.2mm與實(shí)測推算最終沉降量之比為1.54,均不能滿足保證率80%的要求。

3.2.2上海地基規(guī)范“沉降控制復(fù)合樁基法”

單樁荷載取250kN,樁身自重9.6kN。

案例3不計樁土分擔(dān)的單樁平均荷載為165.1kN,小于單樁極限承載力250kN,因此可以由明德林應(yīng)力公式法直接計算沉降。案例3明德林應(yīng)力公式法計算樁基礎(chǔ)沉降見表5。

探討：案例3的計算沉降為S=102.4×1.05=108mm,基本滿足80%保證率的要求。

表5　明德林應(yīng)力公式法計算樁基礎(chǔ)沉降

4　結(jié)　語

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》起草人提供的2例減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)案例,以及上海地區(qū)2例有著長期沉降監(jiān)測與長期樁土荷載分擔(dān)長期原位測試數(shù)據(jù)的工程實(shí)例,分別采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》“減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法”與《上海地基規(guī)范》“沉降控制復(fù)合樁基法”進(jìn)行計算,可得出以下結(jié)論。

1)應(yīng)用減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法的要點(diǎn)是“承臺效應(yīng)系數(shù)”的取值。但由文獻(xiàn)[3]可知,上海、江蘇、浙江地區(qū)10例復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的實(shí)測數(shù)據(jù)證明,實(shí)測承臺效應(yīng)系數(shù)為0.03～0.23,平均為0.11,遠(yuǎn)小于《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》提供的距徑比大于6的承臺效應(yīng)系數(shù)(0.5～0.8)。即距徑比大于6的承臺效應(yīng)系數(shù)(0.5～0.8),可能不適用于常規(guī)復(fù)合疏樁基礎(chǔ),只適用于“驟加荷載”的大比例試驗?zāi)Ｐ蛷?fù)合樁基[4]與儲罐復(fù)合樁基[5]等。由此可見,“減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法”中除未知的沉降計算值外,還存在基于“假想承臺效應(yīng)系數(shù)(0.5～0.8)”的“假想天然地基平均附加壓力”這個未知數(shù)。

2)由上海地區(qū)共4例復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的沉降計算與實(shí)測值對比可知,應(yīng)用減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法時的“假想承臺效應(yīng)系數(shù)”取0.6,計算值基本可滿足保證率80%的要求。

但上述4例復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的樁端持力層均為壓縮模量ES小于4MPa的高壓縮性土,因此實(shí)測沉降均大于100mm。對于現(xiàn)在常用的樁端持力層為中壓縮性土或低壓縮性土的復(fù)合疏樁基礎(chǔ),“假想承臺效應(yīng)系數(shù)”是否仍然取0.6,尚需實(shí)踐的檢驗。

3)關(guān)于復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的沉降計算,“減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法”的優(yōu)點(diǎn)是出自全國性地基規(guī)范,容易得到設(shè)計與審核人員認(rèn)同；缺點(diǎn)是計算參數(shù)可能需要大量資料方可掌握?！俺两悼刂茝?fù)合樁基法”的優(yōu)點(diǎn)是計算參數(shù)較易掌握,計算結(jié)果的保證率較高；缺點(diǎn)是該方法屬于地方性規(guī)范。

在《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ94—2008)》表13 的14例復(fù)合疏樁基礎(chǔ)詳細(xì)計算資料未公開前,若確實(shí)需要運(yùn)用“減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法”,可先采用“沉降控制復(fù)合樁基法”計算沉降,然后換算出“假想承臺效應(yīng)系數(shù)”,再由“減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)沉降計算法”進(jìn)行計算。

4)單幢復(fù)合疏樁基礎(chǔ)的沉降計算誤差影響有限。但對大底盤地下室上的疏樁基礎(chǔ)沉降計算,由于影響到地下室底板的內(nèi)力計算,因此計算精度的要求比較高。本文的探討就是基于大底盤地下室上的疏樁基礎(chǔ)沉降計算的現(xiàn)實(shí)需要而進(jìn)行的。