土層選取對復(fù)合地基模量提高系數(shù)影響探究

陳偉平

（廣東粵水電勘測設(shè)計有限公司，廣東 佛山 528000）

現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011（以下簡稱《設(shè)計規(guī)范》）變形計算方法采用分層總和法[1]，其主要特點是基底壓力為線性分布，用彈性理論計算基底中心點下的附加壓力，地基只發(fā)生單向沉降即土處于側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)，只計固結(jié)沉降不計瞬時和次固結(jié)沉降，并根據(jù)荷載和地基條件進行修正[2]。分層總和法計算變形存在某些問題，如土的變形參數(shù)均來自室內(nèi)土樣試驗，室內(nèi)土樣由于取樣的擾動而與實際現(xiàn)場土有一定差異，尤其是結(jié)構(gòu)性較強的硬土?，F(xiàn)行《地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2012（以下簡稱《技術(shù)規(guī)范》）復(fù)合地基的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs為0.2～1.0[3]，最大值為最小值的5 倍，波動幅度很大。依據(jù)理論以及分析，壓縮模量大于變形模量，實際沉降量應(yīng)大于按壓縮模量計算的沉降量，理應(yīng)在壓縮模量法計算結(jié)果上乘以一個大于1 的數(shù)來修正。實踐經(jīng)驗表明，要乘以一個小于1 的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs，只能說明取樣擾動后室內(nèi)的壓縮模量小于變形模量，與理論相反，且越硬的土擾動影響越大，所乘經(jīng)驗系數(shù)越小。

采用復(fù)合地基技術(shù)可提高地基承載力，減小地基變形。在深厚軟弱地基上應(yīng)用復(fù)合地基技術(shù)具有良好的經(jīng)濟和社會效益。深厚軟土地基區(qū)建筑工程事故不少是源于沉降過大，尤其是不均勻沉降過大。實際上不少工程采用復(fù)合地基主要目的是提高地基承載力和減小變形量，因此復(fù)合地基變形計算在設(shè)計中具有重要地位。附加壓力和壓縮模量是復(fù)合地基變形計算的兩個重要參數(shù)，準確計算復(fù)合地基壓縮模量的提高系數(shù)對復(fù)合地基變形計算及工程造價控制具有重要意義。

1 壓縮模量增大計算

目前復(fù)合地基變形計算仍采用以分層總和法為基礎(chǔ)的經(jīng)驗方法。根據(jù)《技術(shù)規(guī)范》第7.1.7 條，復(fù)合地基變形計算應(yīng)符合《設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，地基變形計算深度應(yīng)大于復(fù)合土層深度。復(fù)合土層的分層與天然地基相同，各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ 倍，ζ 值可按下式確定[3]：

式中：fspk-復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；fak-基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值（kPa）。

按照《技術(shù)規(guī)范》第7.1.7 條，當復(fù)合地基涉及多層土?xí)r，在計算下層土壓縮模量提高系數(shù)ζ2時直接采用等于上層土壓縮模量的提高系數(shù)ζ1。實際上這只是近似做法[4]。通過對比發(fā)現(xiàn)，如果單獨計算復(fù)合地基下層土壓縮模量的提高系數(shù)ζ2=fspk2/fak2，計算結(jié)果與采用ζ1計算有差別，如果復(fù)合地基上下分層土參數(shù)差異大則差別也大，不容忽視。

1.1 單樁型復(fù)合地基

以某工程單一水泥攪拌樁復(fù)合地基為例進行分析。建設(shè)場地地勢較低且平坦，按照規(guī)劃設(shè)計地面標高要求，整個場地平均需大面積填土2 m?；靥钔林囟?8 kN/m3，地下水位在平整后的自然地面以下2 m。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，土層分布自地面以下為：①0～3 m 為粉質(zhì)黏土，壓縮模量Es=4.5 MPa，承載力特征值fak=100 kPa ；②3～13 m 為 淤 泥 質(zhì) 土，Es=2 MPa，fak=60 kPa ；③13～16 m 為粉質(zhì)黏土，Es=5.5 MPa ；16 m 以下為泥巖(見圖1)。為減少大面積填土產(chǎn)生的地面沉降，在填土前擬采用水泥攪拌樁對地基進行處理。攪拌樁樁徑d=500 mm，樁長13 m，樁頂高程與地面平齊。要求采取地基處理措施后淤泥層在大面積填土作用下的最終壓縮量最大值控制在30 mm 以內(nèi)。試計算水泥攪拌樁中心距（填土區(qū)尺寸遠大于地基壓縮層厚度，沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs取1.0）。

圖1 地層剖面參數(shù)

解法1：計算下層土的壓縮模量提高系數(shù)ζ2時，按規(guī)范取等于上層土壓縮模量的提高系數(shù)ζ1。

據(jù)《技術(shù)規(guī)范》第7.3 節(jié)，計算如下：

（2）處理后樁間土承載力特征值fsk取相應(yīng)土層的fak。

通過對比上述計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同樣是按控制變形設(shè)計，面積置換率m1/m2=0.177/0.106=1.67，即按規(guī)范的解法1 計算的攪拌樁數(shù)量比按解法2計算的數(shù)量多三分之二，地基處理費用差別大，對工程造價影響較大。

1.2 有黏結(jié)強度的樁與散體材料樁組合復(fù)合地基

以某工程有黏結(jié)強度的樁與散體材料樁組合的復(fù)合地基為例進行分析。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，某工程場地地層分布及參數(shù)如圖2 所示，已知基礎(chǔ)埋深2.0 m。設(shè)計單位擬采用擠密碎石樁（圖3 中2 號樁）擠密淺層，樁長4.0 m，樁徑d=500 mm，正方形布置，間距1.2 m；深層擬采用CFG 樁（圖3 中1 號樁），樁長10.0 m，樁徑d=500 mm，矩形布置，間距sx=1.2 m，sy=2.4 m。已知碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比n=3，CFG 樁的單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ=0.8，僅由碎石樁組成的復(fù)合地基樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β=1.0。圖2 中第②層土經(jīng)碎石樁擠密處理后fsk=80 kPa，摩阻力qs=8 kPa。試計算第②、③層土加固后復(fù)合地基的壓縮模量。

圖2 地層剖面參數(shù)

圖3 地基處理平面布置

解法1：計算下層土壓縮模量提高系數(shù)ζ2時，據(jù)規(guī)范取等于上層土壓縮模量的提高系數(shù)ζ1。

（1）長樁為有黏結(jié)強度樁，短樁為散體材料樁。

（2）長短樁復(fù)合地基承載力特征值計算

原第②層土摩阻力qs=4 kPa，fak=60 kPa。經(jīng)碎石樁擠密處理后fsk=80 kPa，摩阻力qs=8 kPa。計算CFG 長樁時第②層土力學(xué)參數(shù)應(yīng)采用經(jīng)碎石樁擠密處理后的參數(shù)。一般情況下，由CFG 樁身強度確定的單樁豎向承載力特征值比由土對樁計算的承載力特征值大得多，二者比較取小值，即CFG 樁單樁豎向承載力特征值由土對樁計算的豎向承載力特征值確定。

解法2：單獨計算下層土的壓縮模量提高系數(shù)ζ2，復(fù)合地基承載力僅考慮CFG 長樁加固后的第②層土的復(fù)合地基承載力。

僅由長樁加固后的復(fù)合地基承載力特征值：

注意解法2 計算fspk2時未考慮擠密碎石樁（短樁）作用，即計算Ra時第②層土摩阻力取原土參數(shù)，qs=4 kPa，fsk=fak=60 kPa。主要是因為第③層土壓縮模量提高系數(shù)ζ 直接采用第②層土的ζ，故計算第②層土的ζ 時不能再考慮擠密碎石樁（短樁）作用，否則計算的第②層土的ζ 不能反映第③層土的真實情況[4]。

解法3：單獨計算下層土的壓縮模量提高系數(shù)ζ2，復(fù)合地基承載力取僅考慮CFG 長樁加固后的第③層土的復(fù)合地基承載力，fsk取第③層土的fak=150 kPa，不考慮擠密碎石樁（短樁）作用對第②層土力學(xué)參數(shù)的提高。

本解法計算fspk3時與解法2 一樣不考慮擠密碎石樁（短樁）作用，計算Ra時第②層土摩阻力取原土參數(shù)qs=4 kPa，但fsk取第③層土的fak=150 kPa。

采用不同土層土力學(xué)參數(shù)進行對比計算，復(fù)合地基下層土的壓縮模量提高系數(shù)ζ 三種解法的結(jié)果分別為2.54、1.75 和1.26，差別較大。即在相同附加壓力作用下按解法1 計算的壓縮模量提高系數(shù)約為解法3 的兩倍，按解法1 計算第③層土層的變形量只有解法3 的約一半，其差距不能忽視。

本案例復(fù)合地基地層上軟下硬，fak1＜ fak2，與解法3 相比，按規(guī)范解法1 計算的變形量顯然是偏不安全的。反之，如果復(fù)合地基地層上硬下軟，fak1＞ fak2，如1.1 節(jié)所述，按規(guī)范計算的變形量是偏保守的。當復(fù)合地基上下分層土參數(shù)差異不大時，則計算結(jié)果差異也不大。

2 結(jié)語

當復(fù)合地基為多層土?xí)r，現(xiàn)行《技術(shù)規(guī)范》在計算下層土的壓縮模量提高系數(shù)ζ2時，取等于上層土壓縮模量的提高系數(shù)ζ1。實際上這只是近似做法。如果單獨計算下層土壓縮模量的提高系數(shù)ζ2=fspk2/fak2，會發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與采用ζ1計算有差別，當復(fù)合地基上下分層土參數(shù)差異大時計算結(jié)果差別也大，不容忽視。

綜上所述，當復(fù)合地基上硬下軟時，按規(guī)范法計算復(fù)合地基壓縮模量提高系數(shù)是偏保守的；當復(fù)合地基上軟下硬時，按規(guī)范法計算復(fù)合地基壓縮模量提高系數(shù)是偏不安全的；當復(fù)合地基上下分層土參數(shù)差異不大時，兩種方法計算結(jié)果差異也不大。因此，建議規(guī)范中的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs考慮復(fù)合地基上下分層土參數(shù)差異程度的影響，以便變形計算結(jié)果更符合實際。

不同地區(qū)土的特性、工法試驗結(jié)果以及工程經(jīng)驗對計算結(jié)果影響較大。仍需積累經(jīng)驗，改進復(fù)合地基變形計算方法，以達到理論計算與實測結(jié)果大致相符、安全性和經(jīng)濟性兼顧的設(shè)計目標。