减沉复合疏桩基础沉降计算法商榷

方　成,林　柏,章　华,徐和财,黄　超

FANG Cheng,LIN Bai,ZHANG Hua,XU Hecai ,HUANG Chao

(浙江省工业设计研究院,浙江 杭州 311200)

1　概　述

依据《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》,该规范的起草人黄强、刘金砺、高文生等提供了2例减沉复合疏桩基础案例[1-2]可知“减沉复合疏桩基础沉降计算法”的可靠度,依赖“假想天然地基平均附加压力”的取值,即“承台效应系数”。

通过对《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》表13中用于验证合“疏桩基础沉降计算法”的2例上海地区复合疏桩基础工程案例,以及上海地区1例有着长期桩土荷载分担原位实测与沉降监测数据的复合疏桩基础案例的计算,对如何反推“减沉复合疏桩基础沉降计算法”的“假想天然地基平均附加压力”进行探讨。

2　减沉复合疏桩基础案例探讨

文献[1-2]提供了2例减沉复合疏桩基础案例算例,由该2例案例采用的桩型与地基土层层号可知是上海地区原吴淞江故河道区域的工程。再由该2例案例的地基土层名称、层厚、压缩模量数据可知,应该是属于同一小区地块的工程。至于桩的极限侧阻力与端阻力的差别,很可能是文献[1]将桩的侧阻力与端阻力标准值,误为极限侧阻力与端阻力。否则这个巨大差别就难以理解了,因为上海地区原吴淞江故河道区域的桩的极限侧阻力与端阻力数值不可能如文献[1]数据那样低,文献[1-2]也未提供该工程土层的原位测试数据可供校核。文献[2]提供的减沉复合疏桩基础案例算例,承台效应系数取0.6，但缺少基础平面图,以及长期实测沉降，因此本文无法进行探讨。

2.1　案例1

即《建筑桩基技术规范(JGJ94—2008)》表13中序号5的上海工程。地基土物理力学性质指标见表1。

案例1为6层砖混住宅,上部结构传至地面标高处对应于长期效应组合的竖向荷载值为55 440kN,基础自重为13 406kN。

基础外包面积为804.35m2(60.9m×13.2m),基础净面积为744.79m2,ω=0.93。共布置250根200mm×200mm×16 000mm方桩,桩端持力层为⑤-1-1层黏土,未提供静载荷试桩数据。

竣工后3年实测平均沉降127mm,相应的沉降速率为0.022mm/d,折合成半年沉降量为4mm,尚未达到沉降停测标准(连续两次半年沉降量不超过2mm),但沉降已接近稳定。估计实测推算最终沉降量为130mm左右。案例1基础平面图见图1。

图1　案例1基础平面图

2.1.1减沉复合疏桩基础沉降计算法

由文献[2]的参数,所得减沉复合疏桩基础沉降计算过程如下。

单桩极限承载力标准值：

单桩承载力特征值：Ra=Rk=244kN(注：文献[1]误为120kN)。

由文献[1]取“假想天然地基平均附加压力”等于 71kPa,fak=90kPa,承台效应系数为0.6,“假想桩顶平均荷载”等于120kN。可得计算沉降值为143.9mm(计算过程参见文献[1]第241页),满足保证率80%的要求。

文献[2](第66页)的工程实例未提供基础平面图与实测推算最终沉降量,但已知格筏基础外包面积为780m2(约为62.4m×12.5m),格筏基础净面积为625m2,上部结构总重为61210kN,基础自重为16848kN,基础埋深约1.35m,共布置161根200mm×200mm×18 000mm方桩。计算“假想天然地基平均附加压力”取承台效应系数为0.7。

探讨：案例1中的承台效应系数取0.6时,计算沉降值与实测推算最终沉降量之比为1.11；若承台效应系数取0.8时,计算沉降值(132.5mm)与实测推算最终沉降量之比为1.02,均满足保证率80%的要求。

2.1.2上海地基规范“沉降控制复合桩基法”

由文献[2]的参数,可得单桩极限承载力标准值计算值为487.6kN,α=0.082。250根桩的极限承载力之和均大于上部结构荷载与基础自重之和,因此按上海地基规范“沉降控制复合桩基法”规定,由明德林应力公式法直接计算沉降。案例1的明德林应力公式法计算桩基础沉降过程见表2。

表2　明德林应力公式法计算桩基础沉降

案例1的明德林应力公式法的计算沉降为124.7mm。对于桩入土深度小于30 m时,上海市标准《地基基础设计规范(DGJ08—11—2010)》规定桩基沉降计算经验系数应为1.05,因此案例1的计算沉降为131mm。满足保证率80%的要求。

由此可见,上海地基规范“沉降控制复合桩基法”并不需要“假想承台效应系数(0.5～0.8)”的假定,就能够获得满足保证率的计算沉降值。

3　上海地区复合疏桩基础工程案例探讨

3.1　案例2

案例2为《建筑桩基技术规范(JGJ94—2008)》的表13中序号7的上海徐汇区某复合疏桩基础工程[6],6层住宅建筑(1999年版上海地基规范),上部结构传至室外地面标高处的竖向荷载为41 600kN。地基土物理力学性质指标见表3。

表3　地基土的物理力学性质指标及承载力

案例2基础外包面积为471.28m2,承台净面积为360m2,采用152根200mm×200mm×16 000mm方桩,桩端持力层为⑤-1层灰色黏土夹砂。静载荷试桩单桩极限承载力为250kN。

案例2基础平面图见图2。

案例2的沉降观测天数为2 202 d,实测推算最终沉降量为150mm。

3.1.12例减沉复合疏桩基础沉降计算法

减沉复合疏桩基础沉降计算过程如下：

承台底附加荷载为42500kN,n=152。

单桩极限承载力标准值：

Ra=Rpk+Rsk=32+217.02=249.02kN.

取“假想天然地基平均附加压力”等于26.5kPa,fak=63kPa,承台效应系数为0.51,“假想桩顶平均荷载”等于217.8kN。

承台底附加荷载为P=42 500kN,n=152

AC=42.42×10.88m2

图2　案例2 基础平面图

可得SS=127mm(计算过程略)

=2.43MPa.

d=1.27×0.2

Ψ=1.0

S=1.0×(127+8.3)=135.3mm,满足保证率80%的要求。

探讨：案例2的承台效应系数取0.51时,计算沉降值与实测推算最终沉降量之比为0.90；若承台效应系数取0.8时,计算沉降值179.3mm与实测推算最终沉降量之比为1.20,均满足保证率80%的要求。

3.1.2上海地基规范“沉降控制复合桩基法”

单桩荷载取250kN,桩身自重9.6kN。案例2明德林应力公式法计算桩基础沉降见表4。

案例2扣除桩群极限承载力的天然地基计算沉降如下：

Fk+Gk=41 600+360×[20×0.5+(20-10) ×

0.77]=47 972kN.

扣除桩群承载力的承台底附加压力

0.7-(18.8-10)×0.07=12.5kN/m2.

按上海市标准《地基基础设计规范》实体深基础法计算案例2沉降见表5。

由此可得案例2的计算沉降为S=101.3+36.9=138.2mm,满足保证率80%的要求。

3.2　案例3

案例3为案例2同一住宅小区的6层砖混结构住宅建筑[6],上部结构传至室外地面标高处对应于长期效应组合的竖向荷载值为49 850kN。地基土物理力学性质指标见表3。

案例3承台净面积约为523m2,格筏基础外包面积为628m2,埋深1.65m,基础自重为(20×0.65+10×1.0)×523=12030kN。

表4　明德林应力公式法计算桩基础沉降

表5　实体深基础法计算沉降

案例3采用370根200mm×200mm×16 000mm微型方桩,桩端持力层为⑤-1层灰色黏土夹砂。静载荷试桩单桩极限承载力为250kN。基础平面图见图3。

图3　案例3基础平面图

案例3的沉降观测天数为2147d(近6年),实测推算最终沉降量为136mm。

案例3共埋设19只桩顶钢筋应力计,60只基础板底土压力盒,原位测试持续时间1557d(逾4年)。实测桩顶平均荷载为141.8kN,实测承台板底土反力为16.7kPa。

3.2.1减沉复合疏桩基础沉降计算法

减沉复合疏桩基础沉降计算过程如下：

单桩极限承载力标准值：Ra=Rpk+Rsk=32+217.02=249.02kN。

取“假想天然地基平均附加压力”等于 25.3kPa,fak=63kPa,承台效应系数为0.5,“假想桩顶平均荷载”等于122.7kN。

承台底附加荷载为

P=54 400kN,n=370,

AC=44.86×14m2,

可得SS=95.6mm(计算过程略)。

=2.43MPa.

d=1.27×0.2

Ψ=1.0

S=1.0×(95.6+8.3)=103.9mm,不能满足保证率80%的要求。

探讨：案例3 的承台效应系数取0.5时,计算沉降值与实测推算最终沉降量之比为0.76；若承台效应系数取0.8时,计算沉降值209.2mm与实测推算最终沉降量之比为1.54,均不能满足保证率80%的要求。

3.2.2上海地基规范“沉降控制复合桩基法”

单桩荷载取250kN,桩身自重9.6kN。

案例3不计桩土分担的单桩平均荷载为165.1kN,小于单桩极限承载力250kN,因此可以由明德林应力公式法直接计算沉降。案例3明德林应力公式法计算桩基础沉降见表5。

探讨：案例3的计算沉降为S=102.4×1.05=108mm,基本满足80%保证率的要求。

表5　明德林应力公式法计算桩基础沉降

4　结　语

依据《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》起草人提供的2例减沉复合疏桩基础案例,以及上海地区2例有着长期沉降监测与长期桩土荷载分担长期原位测试数据的工程实例,分别采用《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》“减沉复合疏桩基础沉降计算法”与《上海地基规范》“沉降控制复合桩基法”进行计算,可得出以下结论。

1)应用减沉复合疏桩基础沉降计算法的要点是“承台效应系数”的取值。但由文献[3]可知,上海、江苏、浙江地区10例复合疏桩基础的实测数据证明,实测承台效应系数为0.03～0.23,平均为0.11,远小于《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》提供的距径比大于6的承台效应系数(0.5～0.8)。即距径比大于6的承台效应系数(0.5～0.8),可能不适用于常规复合疏桩基础,只适用于“骤加荷载”的大比例试验模型复合桩基[4]与储罐复合桩基[5]等。由此可见,“减沉复合疏桩基础沉降计算法”中除未知的沉降计算值外,还存在基于“假想承台效应系数(0.5～0.8)”的“假想天然地基平均附加压力”这个未知数。

2)由上海地区共4例复合疏桩基础的沉降计算与实测值对比可知,应用减沉复合疏桩基础沉降计算法时的“假想承台效应系数”取0.6,计算值基本可满足保证率80%的要求。

但上述4例复合疏桩基础的桩端持力层均为压缩模量ES小于4MPa的高压缩性土,因此实测沉降均大于100mm。对于现在常用的桩端持力层为中压缩性土或低压缩性土的复合疏桩基础,“假想承台效应系数”是否仍然取0.6,尚需实践的检验。

3)关于复合疏桩基础的沉降计算,“减沉复合疏桩基础沉降计算法”的优点是出自全国性地基规范,容易得到设计与审核人员认同；缺点是计算参数可能需要大量资料方可掌握。“沉降控制复合桩基法”的优点是计算参数较易掌握,计算结果的保证率较高；缺点是该方法属于地方性规范。

在《建筑桩基技术规范(JGJ94—2008)》表13 的14例复合疏桩基础详细计算资料未公开前,若确实需要运用“减沉复合疏桩基础沉降计算法”,可先采用“沉降控制复合桩基法”计算沉降,然后换算出“假想承台效应系数”,再由“减沉复合疏桩基础沉降计算法”进行计算。

4)单幢复合疏桩基础的沉降计算误差影响有限。但对大底盘地下室上的疏桩基础沉降计算,由于影响到地下室底板的内力计算,因此计算精度的要求比较高。本文的探讨就是基于大底盘地下室上的疏桩基础沉降计算的现实需要而进行的。