基礎(chǔ)工程與復合地基處理探討

劉福超

摘要: 本文通過幾個工程實例分析復合地基與地基處理的相互關(guān)系, 復合地基與淺基礎(chǔ)及深基礎(chǔ)的關(guān)系, 復合地基與雙層地基的區(qū)別, 復合地基與復合樁基的關(guān)系, 較深入地分析了復合地基在基礎(chǔ)工程中的地位。

關(guān)鍵詞: 基礎(chǔ)樁基 地基處理; 復合地基發(fā)展前景

1地基處理技術(shù)及分類

地基處理技術(shù)分類方法很多, 按照加固地基的機理,常將地基處理技術(shù)分為六類: 置換, 排水固結(jié), 振密、擠密, 灌入固化物, 加筋和冷、熱處理。可以將采用各類地基處理方法處理形成的人工地基分為兩類: 一類是天然地基土體的物理力學性質(zhì)得到普遍的改良, 類似于均質(zhì)地基。這類人工地基的承載力和沉降計算方法同天然地基, 不同的是地基土層的物理力學指標得到改善。另一類是在地基處理過程中部分土體得到增強, 或被置換, 或在天然地基中設(shè)置加筋材料, 形成復合地基。例如: 采用振沖置換法, 強夯置換法, 砂石樁置換法, 石灰樁法, 深層攪拌法, 高壓噴射注漿法, 振沖密實法, 擠密砂石樁法, 土樁、灰土樁法, 夯實水泥土樁法,孔內(nèi)夯擴樁法, 樹根樁法, 低強度樁復合地基法, 鋼筋混凝土樁復合地基法等, 均可形成復合地基。

復合地基在地基處理中的應(yīng)用非常廣泛, 而且呈發(fā)展趨勢。淺基礎(chǔ)的設(shè)計計算理論比較成熟, 而復合地基設(shè)計計算理論正在發(fā)展之中。從上述分析可以看到重視復合地基理論研究的必要性和重要性。同時也應(yīng)該看到, 復合地基理論和實踐的發(fā)展將進一步促進地基處理水平的提高。復合地基技術(shù)在地基處理技術(shù)中有著非常重要的地位。

2復合地基與雙層地基

有的學者將復合地基視為雙層地基, 將雙層地基有關(guān)計算方法應(yīng)用到復合地基計算中。事實上, 復合地基與雙層地基在荷載作用下的性狀有較大區(qū)別, 在復合地基計算中直接應(yīng)用雙層地基計算方法是不妥當?shù)? 有時是偏不安全的, 下面作簡要分析。

圖1 ( a) 、( b) 分別為復合地基和雙層地基的示意圖。設(shè)復合地基加固區(qū)復合模量為E1 , 其他區(qū)域土體模量為E2 , 顯然El > E2。設(shè)雙層地基的上層土體模量為E1 , 下層土體模量為E2。雙層地基上層土厚度與復合地基加固區(qū)深度相同, 記為H。以條形基礎(chǔ)為例, 地基上荷載作用面寬度均為B而且荷載密度相同?，F(xiàn)分析在荷載作用中心線下復合地基加固區(qū)下臥層中A點[見圖1 ( a) ] 和雙層地基中對應(yīng)的B點[見圖1 ( b) ] 豎向應(yīng)力情況。不難看出復合地基A點豎向應(yīng)力σA , 比雙層地基中B點豎向應(yīng)力σB大。如果增大El /E2值, 則σA值增大, 而σB值減小。理論上當El /E2趨向∞時, 雙層地基中B點豎向應(yīng)力σB趨向零,而復合地基A點豎向應(yīng)力σA是不斷增大的。由上述分析可以看出復合地基與雙層地基在荷載作用下地基性狀的差別是很大的。

圖1復合地基與雙層地基

根據(jù)前面分析, 在荷載作用下雙層地基與復合地基中附加應(yīng)力場分布及變化規(guī)律有著較大的差別, 將復合地基認為雙層地基, 低估了深層土層中的附加應(yīng)力值, 在工程上是偏不安全的。

3復合地基與淺基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)

當天然地基能夠滿足建筑物對地基的要求時, 通常采用淺基礎(chǔ); 當天然地基不能滿足建筑物對地基的要求時,需要對天然地基進行處理形成人工地基以滿足建筑物對地基的要求。樁基礎(chǔ)是軟弱地基最常用的一種人工地基形式。廣義地講, 樁基技術(shù)也是一種地基處理技術(shù), 而且是一種最常用的地基處理技術(shù)。考慮樁基技術(shù)比較成熟, 而且已形成一套比較全面、系統(tǒng)的理論, 通常將樁基技術(shù)與地基處理技術(shù)并列, 在討論地基處理技術(shù)時一般不包括樁基技術(shù)。采用的地基處理方法不同, 天然地基經(jīng)過地基處理后形成的人工地基性態(tài)也不同。經(jīng)過地基處理形成的人工地基多數(shù)可歸屬為兩類: 一類是在荷載作用范圍下的天然地基土體的力學性質(zhì)得到普遍的改良, 如通過預壓法、強夯法, 以及換填法等形成的土質(zhì)改良地基。這類人工地基承載力與沉降計算基本上與淺基礎(chǔ)相同, 因此可將其劃歸淺基礎(chǔ)。另一類是在地基處理過程中部分土體得到增強, 或被置換, 或在天然地基中設(shè)置加筋材料, 形成復合地基。例如水泥土復合地基、碎石樁復合地基、低強度混凝土樁復合地基等。根據(jù)上述分析, 淺基礎(chǔ)、復合地基和樁基礎(chǔ)已成為工程建設(shè)中常用的三種地基基礎(chǔ)型式。

在淺基礎(chǔ)中, 上部結(jié)構(gòu)荷載是通過基礎(chǔ)板直接傳遞給地基土體的。按照經(jīng)典樁基理論, 在端承樁樁基礎(chǔ)中, 上部結(jié)構(gòu)荷載通過基礎(chǔ)板傳遞給樁體, 再依靠樁的端承力直接傳遞給樁端持力層。不僅基礎(chǔ)板下地基土不傳遞荷載,而且樁側(cè)土也基本上不傳遞荷載。在摩擦樁樁基礎(chǔ)中, 上部結(jié)構(gòu)荷載通過基礎(chǔ)板傳遞給樁體, 再通過樁側(cè)摩阻力和樁端端承力傳遞給地基土體, 而以樁側(cè)摩阻力為主。經(jīng)典樁基理論不考慮基礎(chǔ)板下地基土直接對荷載的傳遞作用。雖然客觀上大多數(shù)情況下摩擦樁樁間土是直接參與共同承擔荷載的, 但在計算中是不予以考慮的。在復合地基中,上部結(jié)構(gòu)荷載通過基礎(chǔ)板直接同時將荷載傳遞給樁體和基礎(chǔ)板下地基土體。對散體材料樁, 由樁體承擔的荷載通過樁體鼓脹傳遞給樁側(cè)土體和通過樁體傳遞給深層土體。對粘結(jié)材料樁由樁體承擔的荷載則通過樁側(cè)摩阻力和樁端端承力傳遞給地基土體。

由上面分析可以看出, 淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和復合地基的分類主要是考慮了荷載傳遞路線。荷載傳遞路線也是上述三種地基基礎(chǔ)型式的基本特征。簡而言之, 對淺基礎(chǔ), 荷載直接傳遞給地基土體; 對樁基礎(chǔ), 荷載通過樁體傳遞給地基土體; 對復合地基, 荷載一部分通過樁體傳遞給地基土體, 一部分直接傳遞給地基土體。通過上述對淺基礎(chǔ)、復合地基和樁基礎(chǔ)荷載傳遞路線的分析, 可以認為復合地基是界于淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)之間的。摩擦樁基礎(chǔ)中考慮樁間土直接承擔荷載的作用, 也可屬于復合地基。或者說考慮樁土共同作用也可將其歸屬于復合地基。

4復合地基與復合樁基

在深厚軟粘土地基上按樁基理論設(shè)計摩擦樁基礎(chǔ)時,為了節(jié)省投資, 管自立(1989年) 采用稀疏布置的摩擦樁基(樁距一般在5倍～6倍樁徑以上) , 并稱為疏樁基礎(chǔ)。疏樁基礎(chǔ)比按樁基理論設(shè)計的常規(guī)摩擦樁基礎(chǔ), 沉降量大,但考慮了樁間土對承載力的直接貢獻, 以較大的沉降換取工程投資的節(jié)約。事實上樁基礎(chǔ)的功能主要有兩方面: 一方面可以提高承載力, 另一方面可以減小沉降。以前人們往往側(cè)重利用采用樁基解決地基承載力不足的問題, 不重視采用樁基可以減小地基沉降的功能。將用于以減小沉降量為目的樁基礎(chǔ)稱為減少沉降量樁基。這里減小沉降量樁基一般是指摩擦樁基。減小沉降量樁基設(shè)計中考慮了樁土共同作用。在疏樁基礎(chǔ)和減小沉降量兩類樁基礎(chǔ)中, 均考慮了樁和土共同承擔荷載。事實上, 筏板基礎(chǔ)下的摩擦樁基, 樁間土一般直接承擔一部分荷載, 在經(jīng)典樁基理論中只不過是主觀上不考慮而已。以前主觀上不予考慮的原因可能認為樁間土承擔荷載比例小, 不值得考慮, 也可能是主動將其作為一種安全儲備。還有一種可能是考慮到計算較困難, 不確定因素較多而不予考慮, 而且在工程上是偏安全的。近年來發(fā)展起來的樁土共同作用分析, 主要也是考慮樁間土直接承擔荷載。在疏樁基礎(chǔ)、減小沉降量樁基和考慮樁土共同作用的思路中都是主動考慮摩擦樁基礎(chǔ)中客觀上存在的樁間土直接承擔荷載的性狀?？紤]樁土共同直接承擔荷載的樁基稱為復合樁基。是否可以說復合樁基實質(zhì)上是主動考慮樁間土直接承擔荷載的摩擦樁基, 而在經(jīng)典樁基理論中, 摩擦樁基中是不考慮樁間土直接承擔荷載的。

事實上也可以將復合樁基視為復合地基一種, 或者說將其歸屬復合地基, 有助于對復合樁基荷載傳遞規(guī)律的認識, 也有益于復合樁基理論的發(fā)展。

5復合地基技術(shù)發(fā)展前景

復合地基與淺基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)已成為土木工程建設(shè)中常用的三種基礎(chǔ)形式。采用復合地基可以較充分利用天然地基和增強體兩者的潛能, 具有較好的經(jīng)濟性。采用復合地基可以通過調(diào)整增強體的剛度、強度和復合地基置換率等設(shè)計參數(shù)以滿足地基承載力和控制沉降量的要求, 具有較大的靈活性。因此復合地基具有一定的優(yōu)勢。展望復合地基的發(fā)展, 筆者認為, 在復合地基計算理論、復合地基形式、復合地基施工工藝、復合地基質(zhì)量檢測等方面都具有較大的發(fā)展空間, 都有很多工作需要做。復合地基的發(fā)展需要更多的工程實踐積累, 需要工程實錄的研究, 需要理論上的探索, 需要設(shè)計、施工、科研和業(yè)主單位共同努力。在復合地基計算理論方面, 既包括復合地基承載力和沉降計算的一般理論, 又指各種形式的復合地基承載力和沉降計算理論和方法。要發(fā)展各種形式的復合地基承載力和沉降計算理論, 需要加強對各種形式的復合地基荷載傳遞機理的研究, 進一步了解基礎(chǔ)剛度, 樁土相對剛度, 復合地基置換率, 復合地基加固區(qū)深度、荷載水平等對復合地基應(yīng)力場和位移場的影響, 提高各類復合地基應(yīng)力場和位移場的計算精度。復合地基承載力和沉降計算水平的提高還有賴于工程實錄的增加, 經(jīng)驗的總結(jié)。在發(fā)展復合地基計算理論中, 特別要重視沉降計算理論的發(fā)展。對樁體復合地基要發(fā)展按沉降控制計算理論, 特別要提高樁體復合地基沉降計算精度。強調(diào)提高沉降計算精度, 主要考慮下述兩點: 其一, 不少工程采用復合地基主要是為了控制沉降; 其二, 前些年采用復合地基不當造成的工程事故主要是沒有能夠有效控制沉降。因此, 只有強調(diào)提高各類復合地基沉降計算水平, 才能較好地發(fā)展復合地基計算理論,有利于復合地基技術(shù)的推廣。

與樁體復合地基相比較, 加筋土地基目前較多應(yīng)用于提高地基穩(wěn)定性, 要繼續(xù)加強加筋土地基穩(wěn)定性研究。加筋土地基沉降工程實錄比樁體復合地基沉降工程實錄要少,加筋土地基沉降計算更加復雜, 但也要對它進一步探索。當加筋土地基應(yīng)用于深厚軟弱地基時, 加筋土地基加固區(qū)軟弱下臥層的厚度對加筋土地基的長期沉降影響是值得研究的課題。

近幾年發(fā)展較快的是各類低強度樁復合地基在工程中應(yīng)用。在工程中應(yīng)用最多的是低強度混凝土樁復合地基。各類低強度樁復合地基的基本思路是讓由樁身材料強度決定的樁承載力和由樁側(cè)摩阻力提供的樁承載力兩者靠近,以達到充分利用材料本身承載潛能的目的, 或者說是應(yīng)用等強度設(shè)計的概念。低強度混凝土樁施工方便, 發(fā)展更快。對低強度樁復合地基在工程中應(yīng)用的快速發(fā)展建議予以重視。

復合地基中樁體采用長短樁設(shè)置符合荷載作用下附加應(yīng)力場的分布特征, 樁體受力合理, 對提高復合地基承載力和減少沉降都有好處。長短樁復合地基設(shè)計中應(yīng)重視長短樁的協(xié)同作用, 重視長短樁復合地基的形成條件。長短樁復合地基中的長樁和短樁不僅在施工階段要能夠保證協(xié)同作用, 而且在工后階段也要保證協(xié)同作用。在地基產(chǎn)生大面積沉降的情況下, 也要能保證長樁和短樁協(xié)同作用?？傊L短樁復合地基的形式很好, 但要重視其應(yīng)用條件,重視長短樁復合地基的形成條件, 保證長樁和短樁能長期協(xié)同作用, 需要合理設(shè)計。

隨著多種復合地基形式的出現(xiàn), 復合地基施工工藝也得到了很大發(fā)展。近年來多種形式的孔內(nèi)夯擴樁的出現(xiàn)就是證明。渣土樁技術(shù)、夯實水泥土樁技術(shù)、沖錘成孔碎石樁技術(shù)、強夯置換碎石墩技術(shù)等發(fā)展很快。低強度樁施工工藝也在不斷發(fā)展, 另外, 增強體材料在充分利用地方材料, 消除環(huán)境影響方面也有很大發(fā)展。

隨著多種復合地基技術(shù)的應(yīng)用, 復合地基質(zhì)量檢測近年來也得到發(fā)展。但相比較復合地基質(zhì)量檢測方面存在的問題和困難多一些, 需要繼續(xù)努力。作為復合地基整體質(zhì)量檢測, 不僅是樁體質(zhì)量檢測, 還應(yīng)包括樁間土的測試,以及樁土復合體的性能測試。

6結(jié)語

復合地基技術(shù)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效應(yīng)和經(jīng)濟效益。在推廣應(yīng)用過程中也產(chǎn)生一些問題。如未能合理控制工后沉降量, 導致工后沉降過大造成工程事故。復合地基工程實踐發(fā)展很快, 復合地基理論遠遠落后于工程實踐的發(fā)展, 應(yīng)加強復合地基設(shè)計計算理論研究。遵循實踐一理論一實踐, 不斷發(fā)展、提高的思路。展望復合地基技術(shù)的發(fā)展, 可以相信在最近幾年在理論和工程實踐兩個方面我國都有長足的發(fā)展。

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