基于變形控制為原則的樁基礎(chǔ)設(shè)計方法分析

周弦

成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計有限公司武漢分公司 湖北武漢 430060

按照變形條件進(jìn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計，可以減少樁基的數(shù)量，降低樁基施工成本，深受國內(nèi)外建筑設(shè)計行業(yè)的重視。有學(xué)者提出，當(dāng)樁基的承載力足夠，但未發(fā)生形變時，可以通過減少樁基數(shù)量降低其下降率。部分學(xué)者提出，在有限元分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有大垂直剛度的復(fù)合樁基可以有效地減少樁基的數(shù)量。Cooker通過對前人的總結(jié)，認(rèn)為傳統(tǒng)樁基設(shè)計的安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3.0。其他學(xué)者提出徐變樁基的設(shè)計方法，并得到樁基下沉降程度的計算公式，對實際樁基的下沉率進(jìn)行有效估算。

1 以變形控制為原則的樁基設(shè)計方法

目前，以變形控制為原則的樁基設(shè)計方法主要包括，減少沉降量設(shè)計、復(fù)合樁基設(shè)計、疏樁基設(shè)計、變剛度調(diào)平設(shè)計等，具體內(nèi)容如下：

1.1 減少沉降量樁基設(shè)計

減少沉降量樁基設(shè)計的理論為樁土相互作用理論，通過全面分析樁基－筏－土壤之間的系統(tǒng)作用力，得到樁基的減小沉降量方法。樁土相互作用理論認(rèn)為，樁基的數(shù)量、長度要與其所處的土壤的性質(zhì)、沉降率和穩(wěn)定性密切相關(guān)。黃紹明認(rèn)為，樁基在軟土地區(qū)的基礎(chǔ)底面中存在臥土層，造成樁基的沉降量過大，所以要減少樁基的數(shù)量，以控制樁基的沉降率。其中，樁基的極限負(fù)荷計算公式為：

其中，n作為樁基數(shù)，λ為修正系數(shù)，Psu為樁基側(cè)面的極限阻力，Psu頂端的極限阻力，Rd為承建臺的極限承載力，F(xiàn)為承載臺面積[1]。

樁基的沉降計算需要考慮到兩方面因素，一方面，外荷負(fù)載要小于單個樁基極限承載力之和。假設(shè)荷載全部由各個樁基承擔(dān)，需要對承載臺的承載作用進(jìn)行分析，并利用Geddes方法來計算樁基在土中的應(yīng)力。利用樁基應(yīng)力的自然沉降方法，計算承載臺在土中的應(yīng)力，在對兩者進(jìn)行和運(yùn)算，以求得各個分層的沉降應(yīng)力總和。另外，基礎(chǔ)沉降應(yīng)該分為兩部分，一部分為莊群，其主要是承擔(dān)荷載引起的基礎(chǔ)沉降力，另一部分為承載臺分擔(dān)的沉降力，主要是承載臺負(fù)荷引起的地基沉降。

1.2 復(fù)合樁基設(shè)計

復(fù)合樁基是指按照大的樁基距離進(jìn)行稀疏布置，其承載臺的樁基群的摩擦力小于承載樁摩擦力，與承載底部的土體共同構(gòu)成樁基基礎(chǔ)。樁基之間的單樁基只有進(jìn)入非線性段后，才能發(fā)揮相應(yīng)的承載作用。當(dāng)各個樁基達(dá)到極限時，樁基的極限承載率與土體的承載負(fù)荷之間的比例固定，并以三折線形式的單樁P-S曲線為特點(diǎn)，反映樁基群中各樁基的非線性性狀。通過分析非線性性狀，可以計算樁基的可行性和安全性，并與單樁負(fù)荷水平Pu進(jìn)行比較，判斷漿機(jī)是否符合相應(yīng)的要求。復(fù)合樁基與其底部的附加壓力聯(lián)合作用，會產(chǎn)生疊加附加應(yīng)力場，通過對該數(shù)值的評估和估算，可以判斷樁基的安全性。復(fù)合樁基沉降估算方法如下：

其中，Sr為彈性半空間上的剛性板沉降估值，E0樁基下面土體的變形模量，P0將基底層的附加壓力。

1.3 稀疏樁基設(shè)計

稀疏樁基設(shè)計的實質(zhì)就是在軟土層上，不僅要最大程度地發(fā)揮單個樁基的承載力作用，并達(dá)到控制下成立的目的，而且要充分發(fā)揮樁基所在土層的自然承載力作用，達(dá)到稀疏化樁基的目的。在樁基的整個基礎(chǔ)設(shè)計過程中，由于樁基距離之間比較大，所以樁基對土的加強(qiáng)作用并不明顯。另外，稀疏的樁基礎(chǔ)會降低樁基群的聯(lián)合作用，使得樁基出現(xiàn)擾動、土體抗剪強(qiáng)度降低。在工程實踐過程中表明，稀疏樁基礎(chǔ)的稀疏率達(dá)到最佳基土樁容量時，建筑物的沉降量會逐漸降低，所以合理的樁基稀疏率會降低建筑的成交量，其計算公式如下：

其中，nc為傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)設(shè)計的樁基總數(shù)，ns為稀疏樁基礎(chǔ)設(shè)計的樁基總數(shù)。依據(jù)樁基礎(chǔ)的極限狀態(tài)，可以得到單個樁基的極限承載力，其計算公式如下：

其中，fimax為各個土層的極限摩擦力，Rmax為單個樁基的土層極限承載力。

1.4 變剛度調(diào)平設(shè)計

變剛度調(diào)平設(shè)計是通過增減樁基的直徑、長度、數(shù)量和材料，以及改變樁機(jī)的布置方式來實現(xiàn)對樁基圖體剛度的分布調(diào)整。變剛度調(diào)平設(shè)計可以加大土體的承載力，減少樁基沉降率，使得樁基的差異沉降率符合實際要求。變剛度調(diào)頻設(shè)計主要是通過上部結(jié)構(gòu)、承載臺、樁基土的共同作用發(fā)揮承載作用的目的，其計算方程為：

2 不同變形控制為原則的樁基設(shè)計方法比較

利用上述公式和方法，對基于變形控制為原則的樁基設(shè)計方法進(jìn)行比較，找出其中的優(yōu)劣和適用條件，為實際的樁基施工提供理論基礎(chǔ)，具體內(nèi)容如下。

通過上述表現(xiàn)的特點(diǎn)對比，找出基于變形控制為原則的樁基設(shè)計方法的適用范圍，為后期的樁基施工提供借鑒和幫助。上述不同方法的沉降率不同，其結(jié)果如圖1。

圖1 天盛購物中心樁基施工圖0

通過上述分析可知，復(fù)合樁基的變化情況較大，稀疏樁基、變剛度樁基、減少沉降樁基的沉降率均隨著沉降時間而增加，整體呈現(xiàn)上升趨勢。

3 實際案例分析

以天盛購物中心工程為例，對其樁基礎(chǔ)設(shè)計進(jìn)行分析。該施工樓為復(fù)合樁基設(shè)計，采用CFG樁，樁基之間的跨度為7.2米×7.2米，最大負(fù)荷為4900kN。

天盛購物中心采用框架結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)采用獨(dú)立灌注方式，并與下部樁土進(jìn)行聯(lián)合，構(gòu)成樁基礎(chǔ)平臺。該建筑土層構(gòu)成為：上層軟座狀粘土與粉質(zhì)粘土混合，厚度為8-9m，樁土的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載率為100-1220kPa；下部為軟塑狀淤泥質(zhì)粉土，厚度為30米，承載力為80-90kPa。本工程結(jié)合上述的樁基礎(chǔ)設(shè)計方法，對比相應(yīng)的數(shù)據(jù)找出最適合的樁基礎(chǔ)設(shè)計。

通過上述參數(shù)的對比得到不同樁基礎(chǔ)設(shè)計方法的數(shù)值，并以此數(shù)值為基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)仿真，結(jié)果如圖2所示。

圖2 天盛購物中心的三種樁基礎(chǔ)設(shè)計

通過上述分析可知，建筑工程不適合采用復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計，適合采用稀疏樁基礎(chǔ)設(shè)計。稀疏樁基礎(chǔ)設(shè)計不僅可以減少樁機(jī)的用量，為工程施工節(jié)約成本。同時，稀疏樁基礎(chǔ)可以降低天盛購物中心的沉降率，為施工單位帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

綜上所述，基于變形控制為原則的樁基礎(chǔ)設(shè)計方法較多，每個方法具有各自的優(yōu)點(diǎn)以及對應(yīng)的適用范圍。針對實際的土層情況對樁基礎(chǔ)進(jìn)行合理設(shè)計，不僅可以為施工單位帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以減少建筑的沉降率。目前，基于變形控制為原則的樁基礎(chǔ)設(shè)計廣泛應(yīng)用于東南沿海城市，并取得了較好的施工效果。從本文的實際施工案例可知，基于變形控制為原則的樁基礎(chǔ)設(shè)計方法可以最大程度地發(fā)揮單個樁基礎(chǔ)的承載力，形成樁基礎(chǔ)、土層、樁基礎(chǔ)群之間的聯(lián)合承載作用，充分發(fā)揮組成天然的承載力，有效降低樁基礎(chǔ)的下降率。本文通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)仿真發(fā)現(xiàn)：針對不同的土層情況、建筑施工高度，采用適宜的樁基礎(chǔ)設(shè)計方法，可以為施工單位帶來可觀的應(yīng)用之處。另外，樁基礎(chǔ)設(shè)計方法中仍然存在不足，需要進(jìn)一步的實際案例驗證以及進(jìn)行相關(guān)理論的分析。在未來的研究過程中，將以此為突破點(diǎn)，積累更多的施工經(jīng)驗和案例，對其理論和適用范圍進(jìn)行完善。