論巖土基礎工程施工的復合地基技術

余愛容
【摘　要】:本文根據(jù)作者多年的工作經驗，通過對地基處理技術各類型方法的分析, 闡述了采用復合地基技術對基礎工程的重要性。
【關鍵詞】: 復合地基 地基處理技術
1　復合地基的定義及分類
當天然地基不能滿足建(構)筑物對地基的要求時,需要進行地基處理,形成人工地基,以保證建(構)筑物的安全與正常使用。隨著建筑的造型復雜化，建筑物荷載日益增大和不均勻，對變形的要求也越來越高，即使一些良好的地基，也可能在特定的條件下需要進行處理。經過地基處理形成的人工地基大致上可分為三類:均質地基、多層地基和復合地基。復合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強,或被置換,或在天然地基中設置加筋材料,是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基。在荷載作用下,基體和增強體共同承擔荷載的作用。
2　地基處理技術及分類
地基處理技術分類方法很多,按照加固地基的機理,常將地基處理技術分為六類:置換,排水固結,振密、擠密,灌入固化物,加筋和冷、熱處理�？梢詫⒉捎酶黝惖鼗�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得到普遍的改良,類似于均質地基。這類人工地基的承載力和沉降計算方法基本上與原天然地基或淺基礎相同,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。
通過地基處理形成復合地基在人工地基中占有很大的比例,而且呈發(fā)展趨勢。淺基礎的設計計算理論比較成熟,而復合地基設計計算理論正在發(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。復合地基技術在地基處理技術中有著非常重要的地位。
3　復合地基與淺基礎和樁基礎
當天然地基能夠滿足強度和變形要求時,通常采用淺基礎;當天然地基不能滿足承載力和變形要求時,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,樁基技術也是一種地基處理技術,而且是一種最常用的地基處理技術。考慮樁基技術比較成熟,而且已形成一套比較全面、系統(tǒng)的理論,通常將樁基技術與地基處理技術并列,在討論地基處理技術時一般不包括樁基技術。
在淺基礎中,上部結構荷載是通過基礎板直接傳遞給地基土體的。按照經典樁基理論,在端承樁樁基礎中,上部結構荷載通過基礎板傳遞給樁體,再依靠樁的端承力直接傳遞給樁端持力層。不僅基礎板下地基土不傳遞荷載,而且樁側土也基本上不傳遞荷載。在摩擦樁樁基礎中,上部結構荷載通過基礎板傳遞給樁體,再通過樁側摩阻力和樁端端承力傳遞給地基土體,而以樁側摩阻力為主。經典樁基理論不考慮基礎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,上部結構荷載通過基礎板直接同時將荷載傳遞給樁體和基礎板下地基土體。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土體和通過樁體傳遞給深層土體。對粘結材料樁由樁體承擔的荷載則通過樁側摩阻力和樁端端承力傳遞給地基土體。
4　復合地基與雙層地基
有的學者將復合地基視為雙層地基,將雙層地基有關計算方法應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E1> E2。設雙層地基上層土體模量為E1,下層上體模量為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))和雙層地基中對應的B點(見圖1 (b))豎向應力情況。不難看出復合地基A點豎向應力σA比雙層地基中B點豎向應力σB大。如果增大E1/E2值,則σA值增大,而σB值減小。理論上當E1/E2趨向∞時,雙層地基中B點豎向應力σB趨向零,而復合地基A點豎向應力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。
當層法可用來計算荷載作用下雙層地基中的附加應力,而將復合地基視為雙層地基采用當層法計算復合地基中的附加應力可能帶來很大誤差。計算結果是偏不安全的,當層法不適用于復合地基中附加應力計算。

(a)復合地基; (b)雙層地基
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力值,在工程上是偏不安全的。
5　復合地基與復合樁基
在深厚軟粘土地基上按樁基理論設計摩擦樁基礎時,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5~6倍樁徑以上),并稱為疏樁基礎。疏樁基礎比按樁基理論設計的常規(guī)摩擦樁基礎沉降量大,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摩擦樁基礎稱為減沉樁基。減沉樁基設計中考慮了樁土共同作用。在疏樁基礎和減沉兩類樁基礎中,均考慮了樁和土共同承擔荷載。事實上,筏板基礎下的摩擦樁基,樁間土一般直接承擔一部分荷載,在經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,因此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。疏樁基礎、減沉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中客觀存在的樁間土直接承擔荷載的性狀。考慮樁土共同直接承擔荷載的樁基稱為復合樁基�？梢哉f復合樁基實質上是主動考慮樁間土直接承擔荷載的摩擦樁基,而在經典樁基理論中,摩擦樁基中是不考慮樁間土直接承擔荷載的。
復合地基的本質就是考慮樁間土和樁體共同直接承擔荷載,由上面分析可知復合樁基的本質也是考慮樁土共同直接承擔荷載。因此可以將復合樁基歸為剛性樁復合地基范疇。復合樁基是一類剛性樁復合地基。在《復合地基》(龔曉南, 1992年)中談到:剛性摩擦樁考慮樁土共同作用,可采用復合地基理論計算。目前,在學術界和工程界對復合樁基是屬于復合地基還是屬于樁基礎是有爭議的,筆者認為復合樁基屬于樁基還是屬于復合地基并不十分重要,重要的是弄清復合樁基的本質,復合樁基的承載力和變形特性,復合樁基的形成條件,復合樁基理論與傳統(tǒng)樁基理論的區(qū)別。
6　復合地基技術發(fā)展前景
復合地基與淺基礎和樁基礎已成為土木工程建設中常用的三種基礎形式。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,具有較好的經濟性。采用復合地基可以通過調整增強體的剛度、長度和復合地基置換率等設計參數(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、復合地基質量檢測等方面都具有較大的發(fā)展空間。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,需要設計、施工、科研和業(yè)主單位共同努力。
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力場和位移場的影響,提高各類復合地基應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,經驗的總結。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,特別要提高樁體復合地基沉降計算精度。強調提高沉降計算精度,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的推廣。
與樁土復合地基相比較,加筋土地基目前較多應用于提高地基穩(wěn)定性。加筋土地基沉降工程實錄比樁土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。當加筋土地基應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。
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夯擴樁的出現(xiàn)就是證明。渣土樁技術、夯實水泥土樁技術、沖錘成孔碎石樁技術、強夯置換碎石墩技術等發(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的應用,復合地基質量檢測近年來也得到發(fā)展。但相比較復合地基質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量檢測,不僅是樁體質量檢測,還應包括樁間土的測試,以及樁土復合體的性能測試。

7　結　語
復合地基技術的推廣應用產生了良好的社會效益和經濟效益。在推廣應用過程中也產生一些問題。如未能合理控制工后沉降量,工后沉降過大造成工程事故。但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,應重點加強復合地基設計計算理論研究。遵循實踐一理論一實踐,不斷發(fā)展、提高的思路。
 

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