韩如泉
摘要:江岸漫滩地区赋存较厚软弱土层,在同时存在不平衡堆土的情况下,确定合理安全的基础方案至关重要。本文通过采用管桩和粉喷桩相结合的方法,有效控制了建筑物的竖向沉降和水平位移,并通过有限元程序结合实测数据计算了不平衡堆土对建筑物的影响。
关键词:江岸漫滩;软弱土层;不平衡堆土;竖向沉降;水平位移
1 工程概况
项目位于扬州市瓜洲镇扬瓜路的西侧、翠屏路的南侧,其地质条件属长江北岸漫滩相平原地貌,典型地质剖面如下:
由上图可以看出,除地面以下约1.0m厚的粘土外,其下约30m范围内均为淤泥质土,处于软塑~流塑状态,呈现出高压缩性、低强度的特点,承载力低,压缩模量低。
该项目采用框架结构,地上3层,局部地下1层,局部地下室系主体结构施工完成后在自然地面上堆土形成。现有平整后的场地标高为4.20m,与局部地下室室内平,堆土后的一层室外地面标高为7.20m,堆土高3.0m。堆土分三种工况。工况一,在建筑四周堆土,形成闭合的地下室;工况二,在建筑相邻两侧堆土,另外两侧室外标高即为场地标高,形成两侧开放的不闭合地下室,如图2.1所示;工况三,在建筑三侧堆土,形成只有一侧开放的不闭合地下室,如图2.2所示。工况二、工况三因为不平衡堆土,均会形成对上部结构和基底土层的不平衡荷载。
2 基础方案的选择
依据地质条件,结合本工程特点,在基础设计前进行了预应力混凝土管桩和粉喷桩复合地基的试桩和检测工作。管桩桩型为PHC-500 A 100,进入6号土层6m,检测所得竖向承载力极限值为3500kN;粉喷桩复合地基的承载力约为90kPa,但沉降量较大,最大值为81.53mm,且未达到完全稳定,故复合地基方案不可行。
江苏省工程建设标准DGJ32/TJ 109-2010《预应力混凝土管桩基础技术规程》第3.3.1条阐明了管桩的使用范围,其第2款第5条明确“软土地基的桩基周边地面承受大面积的较大堆载或承受局部较大荷载的桩基工程”不宜采用管桩。这类情况下不宜采用管桩的主要原因是软土场地在较大堆载时会产生较大的竖向压缩变形,对基桩形成向下的负摩阻力,同时引起桩间土的水平位移,对基桩产生较大的水平力,加之本工程部分楼栋的周边堆土情况不一致,导致基桩承受的水平力加大,可能因管桩抗水平力较差导致管桩倾斜,甚至折断。
针对上述情况,为消除堆土产生的对基桩的水平推力,在单体周边布置一定长度粉喷桩作为格栅;确定粉喷桩长度时,将3.0m堆土折算成54kPa的荷载,计算出其下土体的滑动面,粉喷桩的长度以切断滑动面、阻止滑动面的开展为宜,约为6.0m。为保证在桩基施工过程中和主体施工完成后堆土时,基桩不产生侧移,在建筑范围内布置3.0m长粉喷桩加固桩顶土层,以形成桩顶硬壳层。
图中表示管桩,进入6号土层1.2m,在确定基桩竖向极限承载力时考虑桩侧负摩阻力的影响,按《建筑桩基技术规范》第5.4.3条之规定,中性点以上侧阻力为零,且考虑负摩阻力引起的下拉荷载;表示3.0m长粉喷桩,桩径0.5m,用以形成桩顶硬壳层;表示6.0m长粉喷桩,桩径0.5m,用以形成阻止滑动面开展的格栅,格栅单元具体布置型式见图3.2;图中所有粉喷桩施工均在管桩施工后进行。
3 周边堆土对已建建筑影响
为较为直观反映周边堆土对已建建筑的影响,采用PLAXIS 2D 2012有限元计算分析软件对该工程不平衡堆土进行模拟。选择最不利条件-工况二进行分析,分别分析了1m/层和1.5m/层这两种堆载方式下地基的变形和应力变化情况,分析结果如下:
(1)1m/层堆土情况下地基的变形分析(堆载时间间隔为10天)
图4.1周边堆载按照1m/层时,堆载第一层土PHC桩身所产生的最大水平位移为6.7mm(考虑到三维效应对位移进行了折减),3.0m堆载最终产生的最大水平位移为20mm。
(2)1.5m/层堆载情况下地基的变形分析(堆载时间间隔为10天)
图4.2周边堆载按照1.5m/层时,第一层堆土PHC桩身所产生的最大水平位移为11.5mm,3.0m堆载最终产生的最大水平位移为23mm。
比较图4.1和图4.2可以看出,1m/层堆载时PHC桩产生的最大水平位移要小于1.5m/层堆载时的情况。
(3)1m/层堆载情况下地基的应力变化(堆载时间间隔为10天)
(4)1.5m/层堆载情况下地基的应力变化(堆载时间间隔为10天)
比较图5.1和图5.2可以看出,对于1m/层堆载时,桩周土体剪应力的分布明显小于1.5m/层堆载(图5.2中的黄色区域比图5.1要多,表明应力要大)。但是两者的最大剪应力相差不大,桩周土体的最大剪应力为50KPa,位于桩端部分,這是由于应力集中产生的。
项目进行过程中,建设方委托江苏省工程勘测研究院有限责任公司对竖向沉降和水平位移进行了监测。检测分5次进行,首次为地下室施工结束,二次为主体施工至二层楼面,三次为主体结构封顶,四次为填充墙体砌筑结束,土建施工完成后4个月进行了最后一次测量。不同工况下的最终竖向沉降和水平位移值统计见表1。
实测竖向沉降最大值为3.21mm,且三种工况较为接近,说明管桩对控制建筑物沉降起到了显著作用;水平位移值最大为8.79mm,小于数值模拟计算所得的23mm,说明管桩周围布置的粉喷桩形成的硬壳层对管桩的顶端水平位移起到了较为理想的约束作用。比较三个工况,最大水平位移出现在相邻两侧堆土的工况二,显示该工况下不平衡堆土对建筑物影响大于三侧堆土的工况三,而周边平衡堆土的工况一产生的水平位移仅为2.22mm。
4 结论与展望
(1)比较1m/层和1.5m/层两种堆土工况,前者产生的水平位移小于后者,说明在堆土过程中应尽量减小每层堆土的厚度。
(2)比较三种堆土形式产生的水平位移值,建筑物因相邻两侧堆土而产生的水平位移大于三侧堆土的情况,而四周平衡堆土对建筑物影响很小。
(3)实测所得建筑物最终竖向沉降很小,水平位移满足要求,说明在赋存较厚软弱土层的江岸漫滩地区,针对建筑物周边存在不平衡堆土的情况,采用管桩结合粉喷桩的基础方案较为可行。
(4)因粉喷桩施工周期较长,对周边土壤污染较大,可否将硬化管桩桩顶土层的处理方案调整为诸如真空预压的形式,结合场地后期需大面积堆土,可采用真空预压联合堆载的方案。
参考文献:
[1]GB 50007-2011.建筑地基基础设计规范.中国建筑工业出版社,2011.
[2]JGJ 94-2008.建筑桩基技术规范.中国建筑工业出版社,2008.
[3]DGJ 32/TJ 109-2010.预应力混凝土管桩基础技术规程.江苏科学技术出版社,2010.