CFG樁復(fù)合地基在某工程實(shí)例中的設(shè)計(jì)與研究

單益軍

(杭州市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 310001)

單益軍

(杭州市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 310001)

結(jié)合周口地區(qū)工程對(duì)CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)復(fù)合地基進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)比計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù),對(duì)規(guī)范中沉降計(jì)算公式進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,分析了影響沉降變形的因素及影響規(guī)律。

CFG樁; 復(fù)合地基; 沉降; 模擬計(jì)算

1 工程概況

該工程擬建建筑物位于周口市,地形較為平坦,三側(cè)均臨城市主干道,平面上基本呈矩形,南北長(zhǎng)544.0 m,東西寬180.0 m。擬建高層住宅樓共17棟,地上層數(shù)為19～32,地下1層,均為剪力墻形式,筏板基礎(chǔ)。列出部分?jǐn)M建建筑物具體情況見(jiàn)表1。

表1 建筑物部分子項(xiàng)工程一覽表

擬建場(chǎng)地位于黃淮河沖積平原上,建筑場(chǎng)地類別屬于Ⅲ類,地下水穩(wěn)定水位在地表下4.3 m,絕對(duì)高程約42 m,地下水為潛水,在建筑物設(shè)計(jì)使用周期內(nèi)最高水位埋深為0.0 m。地基不具液化性,無(wú)不良地質(zhì)作用及不利堆積物,地基土均勻。進(jìn)行了高壓固結(jié)試驗(yàn)獲得預(yù)計(jì)樁端以下土層實(shí)際受荷段相應(yīng)參數(shù),結(jié)合工程數(shù)據(jù)確定場(chǎng)地各層地基土的承載力特征值及壓縮性。根據(jù)擬建建筑物的剖面資料及場(chǎng)地工程情況,若采用天然地基筏板基礎(chǔ),以第②層粉質(zhì)粘土或者第③層粉土作為持力層,經(jīng)計(jì)算知持力層強(qiáng)度不滿足要求。

2 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)勘測(cè)資料,將勘探深度范圍內(nèi)的地層分為10層。采用CFG復(fù)合地基方案[1],以承載力相對(duì)較高、壓縮呈中性的第⑥層粉土作為樁端持力層,基底位于第②層粉質(zhì)粘土層。由于最高、基地反力最大的樓層是16、17兩棟,因此取該兩棟樓為代表進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算。場(chǎng)地相關(guān)土層物理力學(xué)指標(biāo)總結(jié)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2[2]。

表2 場(chǎng)地土層物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)[3]計(jì)算得:勘探孔單樁、樁體強(qiáng)度均滿足要求;考慮到地下車庫(kù)采用獨(dú)立基礎(chǔ),因此僅從地下室內(nèi)標(biāo)高對(duì)計(jì)算出的地基承載力進(jìn)行修正,得到CFG復(fù)合地基承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求;主樓整體沉降量、沉降差、傾斜及局部?jī)A斜均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。列出代表樓層CFG樁復(fù)合地基最終參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 代表樓層地基最終參數(shù)

通過(guò)周口區(qū)地基的高層建筑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)知,主樓封頂后通常沉降量在40 mm左右。因此可認(rèn)為該工程采用CFG樁復(fù)合地基方案是合理的。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與沉降觀測(cè)

3.1 單樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)選取3個(gè)單樁復(fù)合地基荷載試點(diǎn)。采用壓重平臺(tái)反力裝置分8個(gè)等級(jí)逐級(jí)加載,最大加載量不少于2倍的設(shè)計(jì)壓力值,分級(jí)加載情況見(jiàn)表4。

表4 靜載荷試驗(yàn)加載分級(jí)表

每次加載完成須待1小時(shí)內(nèi)的沉降量小于0.1 mm方可進(jìn)行下一步加載,且在加載后1 min內(nèi)讀取沉降量,隨后讀取頻率降為0.5 h一次。當(dāng)出現(xiàn)最終沉降量大于承壓板的寬度或直徑的6%,或出現(xiàn)沉降明顯異常時(shí),終止試驗(yàn)。卸載時(shí)保持每次卸載的壓力值大致相等,且每半小時(shí)記錄一次變形量,待卸載完成后每3 h記錄一次變形量。得到3個(gè)試點(diǎn)的單樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 各試點(diǎn)試驗(yàn)概況表

得出3個(gè)試點(diǎn)復(fù)合地基承載力特征值均為461 k Pa,滿足最大值與最小值之差小于平均值30%,故本工程復(fù)合地基承載力特征值取三者平均值461 kPa。

3.2 長(zhǎng)期沉降觀測(cè)

施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)上部荷載變化較大,選取了10個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)于6個(gè)月內(nèi)每月進(jìn)行一次觀測(cè),部分觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 部分觀測(cè)結(jié)果

由表6可見(jiàn)盡管各觀測(cè)點(diǎn)沉降有所差異,但差異不大,大小均隨上部結(jié)構(gòu)的完善而增大,平均沉降量均滿足規(guī)范要求。根據(jù)周口地區(qū)經(jīng)驗(yàn),主樓完工后沉降大致達(dá)到總沉降的80%,由此推出總沉降值約為30.4 mm,小于計(jì)算值。綜上分析,采用CFG樁復(fù)合地基能有效地控制沉降[4]。

4 沉降計(jì)算公式的優(yōu)化

目前工程上主要用復(fù)合模量法計(jì)算沉降,見(jiàn)式(1)

式(1)前半部分是加固區(qū)變形量,后半部分是下臥層變形量,此方法存在不足之處有兩點(diǎn):1)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)是以沉降計(jì)算值為依據(jù),該值由變形比法確定,若計(jì)算沉降時(shí)采用應(yīng)力比法,此經(jīng)驗(yàn)系數(shù)可能不適用;2)土層加固區(qū)復(fù)合模量根據(jù)面積加權(quán)法得到,無(wú)法反映樁土之間各種因素影響。因此,復(fù)合地基模量放大系數(shù)ε與沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)ψs應(yīng)根據(jù)不同情況進(jìn)行修正。對(duì)比項(xiàng)目觀測(cè)沉降值30.4 mm與規(guī)范計(jì)算沉降值39 mm知,計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏大,可以對(duì)沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)進(jìn)行0.8～0.9的折減。通過(guò)式(1)計(jì)算得出該工程沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)為0.3,根據(jù)實(shí)際觀測(cè)情況,對(duì)復(fù)合模量放大系數(shù)放大1.05倍,沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)縮小至0.85倍。優(yōu)化后計(jì)算得到的沉降值為31.76 mm,更接近項(xiàng)目實(shí)際沉降值,因此優(yōu)化后的沉降計(jì)算公式更符合實(shí)際情況。

5 CFG樁復(fù)合地基數(shù)值模擬分析

5.1 PKPM模擬分析

以17號(hào)樓為代表,采用JCCAD計(jì)算模塊模擬,步驟如下:1)將土層根據(jù)土體參數(shù)編號(hào),輸入土參數(shù);2)輸入孔點(diǎn)相對(duì)位置;3)有限元計(jì)算。該工程采用彈性地基梁板模型,假定樁與其周圍土體為互不相關(guān)的彈簧。考慮大面積筏板基礎(chǔ)在上部結(jié)構(gòu)荷載不均勻作用下容易產(chǎn)生變形,將上部建筑物的剛度與筏板基礎(chǔ)組合在一起減小變形差,讓所得結(jié)果更接近實(shí)際情況。

計(jì)算所得沉降圖見(jiàn)圖1。

計(jì)算結(jié)果顯示,4條等值曲線沉降值分別為35 mm、40 mm、45 mm、50 mm,平均沉降量為40 mm,與計(jì)算沉降值39 mm十分接近,滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

5.2 ANSYS模擬分析

考慮到工程的實(shí)際情況,對(duì)模型作出以下假定[5]:1)所有部分均為各向同性且均質(zhì)材料;2)土體、褥墊層均為DP材料;3)CFG樁與筏板均滿足廣義胡克定律;4)土體與樁、筏板與褥墊層始終相互接觸且不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng);5)土體頂面無(wú)約束,側(cè)面為桿單元約束,底部采用固定約束;6)樁身與土體均可采用SOLID65單元。選取單樁模型進(jìn)行模擬分析,筏板厚度為1.5 m,褥墊層厚度為0.2 m,選取的放樁邊長(zhǎng)為0.35 m長(zhǎng)度為19 m,土體水平長(zhǎng)度為一個(gè)樁間距,豎向土體深度為30 m。對(duì)單樁上部施加以50 k N為等差逐級(jí)遞增的均布荷載,直至350 kPa,模擬樓層上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載,得到單樁沉降圖見(jiàn)圖2,復(fù)合地基p-s曲線見(jiàn)圖3。

模擬得出單樁位移最大值為20 mm,與計(jì)算結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果均較接近,說(shuō)明模型建立合理。由圖3可見(jiàn)在荷載在一定范圍內(nèi),地基沉降大致以線性增加,當(dāng)荷載繼續(xù)增大,沉降呈現(xiàn)非線性增加。

在該模型基礎(chǔ)上,通過(guò)改變?nèi)靿|層厚度、彈性模量及樁身長(zhǎng)度,研究影響CFG樁復(fù)合地基沉降變形的主要因素[6],得出各因素對(duì)總體沉降值影響規(guī)律如下:1)當(dāng)褥墊層厚度小于500 mm時(shí),總體沉降變形隨著厚度的增加而明顯增大;當(dāng)褥墊層的厚度大于500 mm時(shí),總體沉降值隨著厚度的增加幾乎不變。可以得出當(dāng)褥墊層厚度在100 mm到500 mm之間時(shí)既能明顯地對(duì)沉降起到控制作用又較為經(jīng)濟(jì)。2)當(dāng)褥墊層彈性模量增加時(shí),樁承受的荷載增大而土體承受的荷載減小,引起沉降變形減小。3)樁徑一定時(shí),樁體長(zhǎng)度越大,其支撐作用及正摩阻區(qū)增大,導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降值減小,但當(dāng)樁長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)繼續(xù)增加樁長(zhǎng)對(duì)其控制沉降作用反而不明顯。綜上所述,實(shí)際工程中若出現(xiàn)沉降變形過(guò)大,可通過(guò)適當(dāng)減小褥墊層厚度、增大褥墊層模量、適當(dāng)增加樁長(zhǎng)等方法進(jìn)行控制。

6 結(jié) 論

a.結(jié)合周口地區(qū)實(shí)際情況對(duì)CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算,同時(shí)對(duì)規(guī)范中的復(fù)合模量法計(jì)算沉降公式提出了優(yōu)化思想,對(duì)今后工程計(jì)算起到一定參考作用。

b.分別用PKPM于ANSYS對(duì)此工程進(jìn)行了單樁模擬分析。通過(guò)改變?nèi)靿|層厚度、彈性模量和樁長(zhǎng)研究各因素對(duì)CFG樁復(fù)合地基沉降變形的影響規(guī)律,對(duì)今后工程中控制沉降起到一定參考作用。

c.文中提出的優(yōu)化思想尚缺乏大量的工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證,公式中相應(yīng)系數(shù)的修改需根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行修正;對(duì)非筏板基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基及其它基礎(chǔ)類型有待進(jìn)一步研究。

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Design and Research of CFG Pile Composite Foundation in Projects

SH AN Yi-jun
(Hangzhou Architectural Design&Research Institute Co,Ltd,Hangzhou 310001,China)

CFG pile composite foundation was designed based on the engineering in Zhoukou.Comparing the calculation data with the field observations,an optimal strategy for the settlement formula in specification was proposed. The factors and influencing laws of the settlement deformation were analyzed by numerical simulations.

CFG pile; composite foundation; settlement;simulation

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.014

2015-08-12.

單益軍(1968-),高級(jí)工程師.E-mail:W430070@163.com