土層選取對復合地基模量提高系數影響探究

陳偉平

（廣東粵水電勘測設計有限公司，廣東 佛山 528000）

現行《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011（以下簡稱《設計規范》）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，地基只發生單向沉降即土處于側限應力狀態，只計固結沉降不計瞬時和次固結沉降，并根據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，如土的變形參數均來自室內土樣試驗，室內土樣由于取樣的擾動而與實際現場土有一定差異，尤其是結構性較強的硬土。現行《地基處理技術規范》JGJ79-2012（以下簡稱《技術規范》）復合地基的沉降計算經驗系數ψs為0.2～1.0[3]，最大值為最小值的5 倍，波動幅度很大。依據理論以及分析，壓縮模量大于變形模量，實際沉降量應大于按壓縮模量計算的沉降量，理應在壓縮模量法計算結果上乘以一個大于1 的數來修正。實踐經驗表明，要乘以一個小于1 的沉降計算經驗系數ψs，只能說明取樣擾動后室內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，所乘經驗系數越小。

采用復合地基技術可提高地基承載力，減小地基變形。在深厚軟弱地基上應用復合地基技術具有良好的經濟和社會效益。深厚軟土地基區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合地基主要目的是提高地基承載力和減小變形量，因此復合地基變形計算在設計中具有重要地位。附加壓力和壓縮模量是復合地基變形計算的兩個重要參數，準確計算復合地基壓縮模量的提高系數對復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

目前復合地基變形計算仍采用以分層總和法為基礎的經驗方法。根據《技術規范》第7.1.7 條，復合地基變形計算應符合《設計規范》的有關規定，地基變形計算深度應大于復合土層深度。復合土層的分層與天然地基相同，各復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-復合地基承載力特征值（kPa）；fak-基礎底面下天然地基承載力特征值（kPa）。

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

1.1 單樁型復合地基

以某工程單一水泥攪拌樁復合地基為例進行分析。建設場地地勢較低且平坦，按照規劃設計地面標高要求，整個場地平均需大面積填土2 m。回填土重度18 kN/m3，地下水位在平整后的自然地面以下2 m。根據地質勘察報告，土層分布自地面以下為：①0～3 m 為粉質黏土，壓縮模量Es=4.5 MPa，承載力特征值fak=100 kPa ；②3～13 m 為 淤 泥 質 土，Es=2 MPa，fak=60 kPa ；③13～16 m 為粉質黏土，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。試計算水泥攪拌樁中心距（填土區尺寸遠大于地基壓縮層厚度，沉降計算經驗系數ψs取1.0）。

圖1 地層剖面參數

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

據《技術規范》第7.3 節，計算如下：

（2）處理后樁間土承載力特征值fsk取相應土層的fak。

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

1.2 有黏結強度的樁與散體材料樁組合復合地基

以某工程有黏結強度的樁與散體材料樁組合的復合地基為例進行分析。根據地質勘察報告，某工程場地地層分布及參數如圖2 所示，已知基礎埋深2.0 m。設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。已知碎石樁復合地基樁土應力比n=3，CFG 樁的單樁承載力發揮系數λ=0.8，僅由碎石樁組成的復合地基樁間土承載力發揮系數β=1.0。圖2 中第②層土經碎石樁擠密處理后fsk=80 kPa，摩阻力qs=8 kPa。試計算第②、③層土加固后復合地基的壓縮模量。

圖2 地層剖面參數

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ζ2時，據規范取等于上層土壓縮模量的提高系數ζ1。

（1）長樁為有黏結強度樁，短樁為散體材料樁。

（2）長短樁復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層土力學參數應采用經碎石樁擠密處理后的參數。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ζ2，復合地基承載力僅考慮CFG 長樁加固后的第②層土的復合地基承載力。

僅由長樁加固后的復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，qs=4 kPa，fsk=fak=60 kPa。主要是因為第③層土壓縮模量提高系數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ζ2，復合地基承載力取僅考慮CFG 長樁加固后的第③層土的復合地基承載力，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層土力學參數的提高。

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qs=4 kPa，但fsk取第③層土的fak=150 kPa。

采用不同土層土力學參數進行對比計算，復合地基下層土的壓縮模量提高系數ζ 三種解法的結果分別為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。

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

2 結語

當復合地基為多層土時，現行《技術規范》在計算下層土的壓縮模量提高系數ζ2時，取等于上層土壓縮模量的提高系數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ζ2=fspk2/fak2，會發現計算結果與采用ζ1計算有差別，當復合地基上下分層土參數差異大時計算結果差別也大，不容忽視。

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

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