減沉復合疏樁基礎沉降計算法商榷

方　成,林　柏,章　華,徐和財,黃　超

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

(浙江省工業設計研究院,浙江 杭州 311200)

1　概　述

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

通過對《建筑樁基技術規范(JGJ 94—2008)》表13中用于驗證合“疏樁基礎沉降計算法”的2例上海地區復合疏樁基礎工程案例,以及上海地區1例有著長期樁土荷載分擔原位實測與沉降監測數據的復合疏樁基礎案例的計算,對如何反推“減沉復合疏樁基礎沉降計算法”的“假想天然地基平均附加壓力”進行探討。

2　減沉復合疏樁基礎案例探討

文獻[1-2]提供了2例減沉復合疏樁基礎案例算例,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原吳淞江故河道區域的工程。再由該2例案例的地基土層名稱、層厚、壓縮模量數據可知,應該是屬于同一小區地塊的工程。至于樁的極限側阻力與端阻力的差別,很可能是文獻[1]將樁的側阻力與端阻力標準值,誤為極限側阻力與端阻力。否則這個巨大差別就難以理解了,因為上海地區原吳淞江故河道區域的樁的極限側阻力與端阻力數值不可能如文獻[1]數據那樣低,文獻[1-2]也未提供該工程土層的原位測試數據可供校核。文獻[2]提供的減沉復合疏樁基礎案例算例,承臺效應系數取0.6，但缺少基礎平面圖,以及長期實測沉降，因此本文無法進行探討。

2.1　案例1

即《建筑樁基技術規范(JGJ94—2008)》表13中序號5的上海工程。地基土物理力學性質指標見表1。

案例1為6層磚混住宅,上部結構傳至地面標高處對應于長期效應組合的豎向荷載值為55 440kN,基礎自重為13 406kN。

基礎外包面積為804.35m2(60.9m×13.2m),基礎凈面積為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據。

竣工后3年實測平均沉降127mm,相應的沉降速率為0.022mm/d,折合成半年沉降量為4mm,尚未達到沉降停測標準(連續兩次半年沉降量不超過2mm),但沉降已接近穩定。估計實測推算最終沉降量為130mm左右。案例1基礎平面圖見圖1。

圖1　案例1基礎平面圖

2.1.1減沉復合疏樁基礎沉降計算法

由文獻[2]的參數,所得減沉復合疏樁基礎沉降計算過程如下。

單樁極限承載力標準值：

單樁承載力特征值：Ra=Rk=244kN(注：文獻[1]誤為120kN)。

由文獻[1]取“假想天然地基平均附加壓力”等于 71kPa,fak=90kPa,承臺效應系數為0.6,“假想樁頂平均荷載”等于120kN。可得計算沉降值為143.9mm(計算過程參見文獻[1]第241頁),滿足保證率80%的要求。

文獻[2](第66頁)的工程實例未提供基礎平面圖與實測推算最終沉降量,但已知格筏基礎外包面積為780m2(約為62.4m×12.5m),格筏基礎凈面積為625m2,上部結構總重為61210kN,基礎自重為16848kN,基礎埋深約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”取承臺效應系數為0.7。

探討：案例1中的承臺效應系數取0.6時,計算沉降值與實測推算最終沉降量之比為1.11；若承臺效應系數取0.8時,計算沉降值(132.5mm)與實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上海地基規范“沉降控制復合樁基法”

由文獻[2]的參數,可得單樁極限承載力標準值計算值為487.6kN,α=0.082。250根樁的極限承載力之和均大于上部結構荷載與基礎自重之和,因此按上海地基規范“沉降控制復合樁基法”規定,由明德林應力公式法直接計算沉降。案例1的明德林應力公式法計算樁基礎沉降過程見表2。

表2　明德林應力公式法計算樁基礎沉降

案例1的明德林應力公式法的計算沉降為124.7mm。對于樁入土深度小于30 m時,上海市標準《地基基礎設計規范(DGJ08—11—2010)》規定樁基沉降計算經驗系數應為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,上海地基規范“沉降控制復合樁基法”并不需要“假想承臺效應系數(0.5～0.8)”的假定,就能夠獲得滿足保證率的計算沉降值。

3　上海地區復合疏樁基礎工程案例探討

3.1　案例2

案例2為《建筑樁基技術規范(JGJ94—2008)》的表13中序號7的上海徐匯區某復合疏樁基礎工程[6],6層住宅建筑(1999年版上海地基規范),上部結構傳至室外地面標高處的豎向荷載為41 600kN。地基土物理力學性質指標見表3。

表3　地基土的物理力學性質指標及承載力

案例2基礎外包面積為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基礎平面圖見圖2。

案例2的沉降觀測天數為2 202 d,實測推算最終沉降量為150mm。

3.1.12例減沉復合疏樁基礎沉降計算法

減沉復合疏樁基礎沉降計算過程如下：

承臺底附加荷載為42500kN,n=152。

單樁極限承載力標準值：

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,承臺效應系數為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的承臺效應系數取0.51時,計算沉降值與實測推算最終沉降量之比為0.90；若承臺效應系數取0.8時,計算沉降值179.3mm與實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上海地基規范“沉降控制復合樁基法”

單樁荷載取250kN,樁身自重9.6kN。案例2明德林應力公式法計算樁基礎沉降見表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.

按上海市標準《地基基礎設計規范》實體深基礎法計算案例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同一住宅小區的6層磚混結構住宅建筑[6],上部結構傳至室外地面標高處對應于長期效應組合的豎向荷載值為49 850kN。地基土物理力學性質指標見表3。

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

表4　明德林應力公式法計算樁基礎沉降

表5　實體深基礎法計算沉降

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平面圖見圖3。

圖3　案例3基礎平面圖

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

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

3.2.1減沉復合疏樁基礎沉降計算法

減沉復合疏樁基礎沉降計算過程如下：

單樁極限承載力標準值：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,承臺效應系數為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 的承臺效應系數取0.5時,計算沉降值與實測推算最終沉降量之比為0.76；若承臺效應系數取0.8時,計算沉降值209.2mm與實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上海地基規范“沉降控制復合樁基法”

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力公式法直接計算沉降。案例3明德林應力公式法計算樁基礎沉降見表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　明德林應力公式法計算樁基礎沉降

4　結　語

依據《建筑樁基技術規范(JGJ 94—2008)》起草人提供的2例減沉復合疏樁基礎案例,以及上海地區2例有著長期沉降監測與長期樁土荷載分擔長期原位測試數據的工程實例,分別采用《建筑樁基技術規范(JGJ 94—2008)》“減沉復合疏樁基礎沉降計算法”與《上海地基規范》“沉降控制復合樁基法”進行計算,可得出以下結論。

1)應用減沉復合疏樁基礎沉降計算法的要點是“承臺效應系數”的取值。但由文獻[3]可知,上海、江蘇、浙江地區10例復合疏樁基礎的實測數據證明,實測承臺效應系數為0.03～0.23,平均為0.11,遠小于《建筑樁基技術規范(JGJ 94—2008)》提供的距徑比大于6的承臺效應系數(0.5～0.8)。即距徑比大于6的承臺效應系數(0.5～0.8),可能不適用于常規復合疏樁基礎,只適用于“驟加荷載”的大比例試驗模型復合樁基[4]與儲罐復合樁基[5]等。由此可見,“減沉復合疏樁基礎沉降計算法”中除未知的沉降計算值外,還存在基于“假想承臺效應系數(0.5～0.8)”的“假想天然地基平均附加壓力”這個未知數。

2)由上海地區共4例復合疏樁基礎的沉降計算與實測值對比可知,應用減沉復合疏樁基礎沉降計算法時的“假想承臺效應系數”取0.6,計算值基本可滿足保證率80%的要求。

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

3)關于復合疏樁基礎的沉降計算,“減沉復合疏樁基礎沉降計算法”的優點是出自全國性地基規范,容易得到設計與審核人員認同；缺點是計算參數可能需要大量資料方可掌握?！俺两悼刂茝秃蠘痘ā钡膬烖c是計算參數較易掌握,計算結果的保證率較高；缺點是該方法屬于地方性規范。

在《建筑樁基技術規范(JGJ94—2008)》表13 的14例復合疏樁基礎詳細計算資料未公開前,若確實需要運用“減沉復合疏樁基礎沉降計算法”,可先采用“沉降控制復合樁基法”計算沉降,然后換算出“假想承臺效應系數”,再由“減沉復合疏樁基礎沉降計算法”進行計算。

4)單幢復合疏樁基礎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沉降計算,由于影響到地下室底板的內力計算,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沉降計算的現實需要而進行的。