吳素蘭
[摘要] 隨著我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,我們?cè)絹?lái)越重視建筑地基基礎(chǔ)的處理工作。本文主要探討建筑地基基礎(chǔ)的處理。
[關(guān)鍵詞]建筑 地基 基礎(chǔ) 處理 工程
引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展,城市建設(shè)日益增多,對(duì)地基與基礎(chǔ)施工的重要性,也日益受到各方的重視和關(guān)注,要求必須科學(xué)地進(jìn)行施工,制訂有效的保證質(zhì)量和安全措施,按工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范要求認(rèn)真的進(jìn)行施工,以確保優(yōu)質(zhì)、安全、高速、低耗、高效益地順利完成工程施工任務(wù)。
1、地基和基礎(chǔ)的概念
1.1基礎(chǔ)指建筑底部與地基接觸的承重構(gòu)件,它的作用是把建筑上部的荷載傳給地基。因此地基必須堅(jiān)固、穩(wěn)定而可靠。
1.2基礎(chǔ)下面承受建筑物全部荷載的土體或巖體稱(chēng)為地基。地基不屬于建筑的組成部分,但它對(duì)保證建筑物的堅(jiān)固耐久具有非常重要的作用。是地球的一部分。承受建筑物基礎(chǔ)所傳遞的上部結(jié)構(gòu)荷載的土層(或巖層)。地基就其受力情況而言,在建筑物基礎(chǔ)荷載作用影響范圍內(nèi)的部分,稱(chēng)為持力層;在持力層以下的部分,稱(chēng)為下臥層。
1.3地基有天然地基和人工地基兩類(lèi):天然地基。具有足夠的承載能力,在荷載作用下的壓縮變形不超過(guò)允許范圍,可以支承建筑物基礎(chǔ)的天然土(巖)層。凡能保證地基穩(wěn)定的巖石、碎石土、砂土、粘性土等都可作為天然地基。設(shè)計(jì)時(shí)要充分掌握地基土(巖)層的壓縮和沉降、抗剪和滑坡、土中含水量等因素,以保證地基安全可靠。人工地基。不具有充分承載能力的淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性的軟弱土層經(jīng)過(guò)人工加固處理而成的建筑物地基。設(shè)計(jì)時(shí)既要注意分析和合理利用基土的持力層,又要正確選擇加固處理措施。
2、地基設(shè)計(jì)中的沉降計(jì)算
2.1有關(guān)計(jì)算參數(shù)的確定
在進(jìn)行地基設(shè)計(jì)之前,先通過(guò)勘探和原位試驗(yàn)(如荷載試驗(yàn),旁壓試驗(yàn))或室內(nèi)壓縮試驗(yàn),測(cè)定有關(guān)計(jì)算沉降的土工參數(shù)。試樣無(wú)側(cè)向變形的壓縮試驗(yàn)結(jié)果,可用壓縮曲線或稱(chēng)e-p(e~logp)曲線表示,并得出反映土壓縮性高低的兩個(gè)指標(biāo)(壓縮系數(shù)av、壓縮指數(shù)C),同時(shí)為了研究土的回脹特性,亦可進(jìn)行減壓試驗(yàn),得出土的回彈、再壓曲線。=
av=(e1-e2)/(p2-p1)=-Δe/ΔpCc=(e1-e2)/(logp2-logp1)=-Δe/log(p2/p1)=
壓縮系數(shù)不是常量,它隨壓力增量的增大而減小。在我國(guó)《工業(yè)民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》按a1-2值的大?。矗?=100KPa,P2=200KPa),劃分土的壓縮性。而壓縮指數(shù)在較高的壓力范圍內(nèi)基本為常量。通過(guò)兩種圖示曲線可以算出:
av=0.435/p·Cc為所研究壓力范圍內(nèi)的平均壓力2.2不同固結(jié)條件下的沉降計(jì)算
如前所述目前工程中廣泛采用的分層總和法,該法按照壓縮曲線所取坐標(biāo)的不同,又可分為e-p曲線法和e-logp曲線法。
在進(jìn)行地基沉降計(jì)算時(shí),先要確定地基的沉降深度(即壓縮層的界定),對(duì)于天然沉積的土層,土體本身已在自重作用下壓縮穩(wěn)定,所以地基中的初始應(yīng)力δZ隨深度的分布即為土的自重應(yīng)力分布。而地基土的壓縮變形是由外界壓力(沉降計(jì)算壓力)在地基中引起的附加應(yīng)力δS產(chǎn)生的,在理論上附加應(yīng)力可深達(dá)無(wú)窮遠(yuǎn)。但目前在水利工程中通常按豎向附加應(yīng)力δZ與自重應(yīng)力δS之比確定地基沉降計(jì)算深度,對(duì)一般性粘土取δZ=0.2δS,對(duì)軟粘土取δZ=0.1δS。
e-p曲線法
計(jì)算公式為第i分層的壓縮量
Si=(e1i-e2i)/(1+e1i)·Hi(1-1)Hi--第i分層的厚度
地基的最終沉降量(1-2)
有時(shí)勘測(cè)單位提供的不是壓縮曲線,而是其他壓縮性指標(biāo),可換算為:
Si=av/(1+e1)·ΔP·Hi=mv·ΔP·Hi=1/Es·ΔP·Hi
ΔP--壓力增量
mv--土的體積壓縮系數(shù)
av--土的壓縮系數(shù)
Es--土的壓縮模量
在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)注意首先要根據(jù)建筑物基礎(chǔ)的尺寸,判別在計(jì)算基底壓力和地基中附加應(yīng)力時(shí)是屬于空間問(wèn)題還是平面問(wèn)題,再按荷載性質(zhì)求出基底壓力P的大小和分布。應(yīng)當(dāng)注意,當(dāng)基礎(chǔ)有埋置深度Df時(shí),應(yīng)當(dāng)采用基底凈壓力Pn=P-r·Df,然后求出計(jì)算點(diǎn)垂線上各分層的豎向附加應(yīng)力δZ,并繪出它的分布曲線,按算術(shù)平均計(jì)算出各分層的平均自重應(yīng)力δsi和平均附加應(yīng)力δzi進(jìn)行累加,在e-p曲線中查出相應(yīng)的初始孔隙比e1i和壓縮穩(wěn)定后孔隙比e2i,從而計(jì)算出各分層壓縮量(式1-1),并進(jìn)行累加后得出地基的最終沉降量(式1-2),必須注意自重應(yīng)力δS應(yīng)從原地面高程算起,附加應(yīng)力δZ應(yīng)從基底高程算起,同時(shí)在三維變形狀態(tài)下,斯肯普登--貝倫建議將沉降值S乘以一個(gè)系數(shù)Cp,即修正固結(jié)沉降S=Cp·S,根據(jù)我國(guó)《工業(yè)民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,計(jì)算所得的沉降值S應(yīng)乘以一個(gè)沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Ms,這樣才能較準(zhǔn)確估算地基沉降量(MS=1.3~0.2,其具體數(shù)值視土的壓縮模具Es的不同范圍參見(jiàn)規(guī)范說(shuō)明),一般來(lái)講軟粘土地基的S計(jì)算值偏小,而硬粘土的S計(jì)算值又偏大較多。
e-logp曲線法
按e-logp曲線法來(lái)計(jì)算地基的沉降與e-p曲線一樣,每一分層壓縮量計(jì)算公式仍為S=(e1-e2)/(1+e1)·H,與前述利用e-p曲線或壓縮系數(shù)av計(jì)算的方法步驟基本相同,所不同的只是選用壓縮性指標(biāo)和確定初始及最終孔隙比的手段不同,須由現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線求得。經(jīng)推導(dǎo)可得出用e-logp曲線或壓縮指數(shù)Cv的沉降計(jì)算公式為:
S=H·CC/(1+E0)·log(p0+Δp)/p0(2-1)
由于土的應(yīng)力歷史對(duì)土的壓縮性能有較大影響,應(yīng)先推估土的受荷歷史和計(jì)算未來(lái)在建筑物荷載作用下,土可能產(chǎn)生的新的壓縮變形。必須確定先期固結(jié)應(yīng)力Pc,根據(jù)卡薩格蘭德提出的依據(jù)室內(nèi)壓縮曲線特征的經(jīng)驗(yàn)圖解法,可在e-logp曲線上圖解得出先期固結(jié)壓力Pc,根據(jù)反映土體固結(jié)程度的超固結(jié)比OCR=pc/p0(P0為現(xiàn)有有效應(yīng)力),當(dāng)OCR=1時(shí),為正常固結(jié)土,OCR>1時(shí),為超固結(jié)土;由于土在鉆探、取樣、運(yùn)輸、制備土樣和試驗(yàn)過(guò)程中或多或少地會(huì)受到擾動(dòng),擾動(dòng)愈大,曲線的位置就愈低,所以室內(nèi)壓縮試驗(yàn)成果不能反映現(xiàn)場(chǎng)條件下土的壓縮性能,還須對(duì)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)所得e-logp曲線加以修正為現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線。 確定了土的固結(jié)性質(zhì),并分別確定正常固結(jié)土和超固結(jié)土的現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線,這里僅示出推求結(jié)果。經(jīng)過(guò)大量研究者的證實(shí),無(wú)論土受何等程度的擾動(dòng),在室內(nèi)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí),所得的多條e-logp曲線在0.42e0處附近都趨于一點(diǎn),由此推算土的現(xiàn)場(chǎng)壓縮曲線勢(shì)必也通過(guò)該點(diǎn)。同時(shí)假定試樣的孔隙比還能保持現(xiàn)場(chǎng)原位條件下的數(shù)值e0。另外在超固結(jié)土中由室內(nèi)的回彈再壓曲線可知在曲線中存在一個(gè)滯后環(huán),其斜率應(yīng)為超固結(jié)土的超固結(jié)段壓縮量的膨脹指數(shù)Cs,超固結(jié)土在壓縮應(yīng)力ΔP作用下的壓縮量就由超固結(jié)段的壓縮量S1和正常固結(jié)段的壓縮量S2兩部分總和而成。其計(jì)算公式為:
Si=S1+S2=Hi/(1+e0)·(Cs·logpc/p0+Cc·log(p0+Δp)/pc)(2-2)
當(dāng)Δp較小,p0+Δp<pc(先期固結(jié)壓力)時(shí),則土始終處于超固結(jié)狀態(tài),此時(shí)土層的壓縮量計(jì)算公式簡(jiǎn)化為
SI=Hi/(1+e0)·(Cs·log(p0+Δp)/pc)(2-3)
關(guān)于初始沉降(瞬間沉降)及次固結(jié)沉降的計(jì)算
對(duì)于普通粘性土,固結(jié)沉降是其基礎(chǔ)沉降的一個(gè)主要部分,它對(duì)基礎(chǔ)寬大、而壓縮土層較薄,排水條件又較符合假定時(shí)較為適用。但是實(shí)際地基的地質(zhì)條件往往較為復(fù)雜,有時(shí)可壓縮的軟土層分布較厚或土層分布不均,基底面又不是排水面,對(duì)較軟的粘性(亞粘性)土來(lái)說(shuō),次固結(jié)沉降在總沉降中占有一定比例,這時(shí)初始沉降就不可忽視;又如砂性較重的地基,由于固結(jié)排水速率很快,初始沉降與固結(jié)沉降這兩部分已融合一起難以區(qū)分,這些都必須計(jì)算初始沉降或次固結(jié)沉降。下面給出有關(guān)計(jì)算公式:
①初始沉降
Sd=P·B·(1-u2)/EI=3/4·P·B·I/E(3-1)
P--基底壓力
B--基礎(chǔ)寬度
e0--初始孔隙比
u--土的泊松比
對(duì)飽和粘土u=0.5
I--影響系數(shù),取決于基礎(chǔ)形狀和所研究點(diǎn)的位置。E--土的不排水變形模量(彈性模量,可用三軸或單軸不排水試驗(yàn)求得)或采用旁壓儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得。
②次固結(jié)沉降
St=H/(1+e0)·Ca·log(t2/t1)(3-2)t1--次固結(jié)的起始時(shí)間
t2--建筑物使用年限
Ca--次固結(jié)系數(shù),可用主固結(jié)和次固結(jié)引起的孔隙比與時(shí)間半對(duì)數(shù)關(guān)系曲線(e-lgt)求得。
當(dāng)Ca<0.03時(shí),粘性土的次固結(jié)沉降可以忽略。
此外除了上述兩種計(jì)算方法外,還有通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力路徑,再量取土樣的垂直變形的應(yīng)力路徑法等。
當(dāng)然在工程設(shè)計(jì)中,有時(shí)我們不但需要預(yù)估建筑物基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的最終沉降量或沉降差,而且還常常需要預(yù)估基礎(chǔ)達(dá)到最終沉降量所需的時(shí)間或者預(yù)估建筑物完工以后經(jīng)過(guò)某一段時(shí)間可能產(chǎn)生的沉降量,即基礎(chǔ)的沉降量與時(shí)間關(guān)系的問(wèn)題,目前多以飽和土體單向固結(jié)理論(一維固結(jié)理論)為基礎(chǔ)進(jìn)行求解(當(dāng)然還有二維、三維固結(jié)理論,分別用于解決土壩和砂井、塑管排水法加固地基問(wèn)題),這里就不再一一敘述。
3、地基處理的目的及意義
建筑物的地基所面臨的問(wèn)題有以下四方面:a強(qiáng)度及穩(wěn)定性問(wèn)題.b壓縮及不均勻沉降問(wèn)題;c滲漏問(wèn)題;d液化問(wèn)題。當(dāng)建筑物的天然地基存在上述四類(lèi)問(wèn)題之一或幾個(gè)時(shí),即須采用地基處理措施以保證建筑物的安全與正常使用。我國(guó)地域遼闊,從沿海到內(nèi)地,由山區(qū)到平原,分布著多種多樣的地基土,其抗剪強(qiáng)度、壓縮性以及透水睦等因土的種類(lèi)不同而可能有很大的差別,地基條件區(qū)域眭較強(qiáng)。因而崩齷叁基礎(chǔ)這門(mén)學(xué)讎特別復(fù)雜。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,不僅事先要選擇在地質(zhì)條件良好的場(chǎng)地上從事建設(shè),而有時(shí)也不得不在地質(zhì)條件不良的地基上進(jìn)行修建;另外,隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異,結(jié)構(gòu)物的荷載目益增大,對(duì)變形的要求也越來(lái)越嚴(yán),因而原來(lái)—般可評(píng)價(jià)為良好的地基,也可能在一定條件下,非進(jìn)行地基處理不可。所以不僅要針對(duì)不同的地質(zhì)條件、不同的結(jié)構(gòu)物選定合適的基礎(chǔ)形式、尺寸和布置方案,而且要善于選取最恰當(dāng)?shù)牡鼗幚矸椒?。利用換填、夯實(shí)、擠密、排水、膠結(jié)、加筋和熱學(xué)等方法對(duì)地基土進(jìn)行加固,用以改良地基土的工程特性。
結(jié)束語(yǔ)
隨著社會(huì)不斷的發(fā)展,地基基礎(chǔ)工程建設(shè)也越來(lái)越受到重視。沒(méi)有地基就不可能有高樓大廈。地基基礎(chǔ)工程作為建設(shè)工程的核心組成部分,是整個(gè)建筑工程的基礎(chǔ),它的質(zhì)量好壞直接影響到整個(gè)工程的大局,其內(nèi)涵是滿足國(guó)家現(xiàn)行的有關(guān)地基基礎(chǔ)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)文件及工程合同中對(duì)安全、使用等綜合要求的能力,安全可靠、穩(wěn)定地承擔(dān)全部建設(shè)工程在施工期限間和全壽命使用期限內(nèi)正常使用的荷載。
參考文獻(xiàn)
[1] 王成華.基礎(chǔ)工程學(xué).天津.天津大學(xué)出版社,2002.5
[2] 肖明和,王淵輝,張毅.地基與基礎(chǔ).北京.北京大學(xué)出版社,2009
[3] 鄭剛.基礎(chǔ)工程.北京.中國(guó)建材工業(yè)出版社,2000
[4] 李寓,薛文碧.建筑樁基礎(chǔ)工程.北京.機(jī)械工業(yè)出版社,2002
[5] 陳希哲.地基事故與預(yù)防——國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例[M].北京.清華大學(xué)出版社,1994