刚桩复合地基的主动土压力分析.doc

第 卷第 期 岩土力学 Vol. No.2012年月 Rock and Soil Mechanics 2012文章编号:刚性桩复合地基的主动土压力分析梁耀哲(河北省建筑科学研究院，河北石家庄市槐中路244号，050021)摘 要：桩足够长、桩间距不大于6倍桩径的刚性桩复合地基中，在桩间土内部的剪切力和桩土间摩擦力共同作用下，桩顶段桩间土压力仅在一定深度范围内有所增加，且随深度迅速衰减，而桩顶段桩身轴力随深度增加。基于刚性桩复合地基的这一特点，当紧邻刚性桩复合地基开挖基坑，且基坑底高于刚性桩桩底时，可以将刚性桩复合地基上的附加荷载简化为三角形式，紧邻基坑侧荷载最大，作用宽度与桩间土附加应力衰减至0的深度相等，因此刚性桩复合地基上的附加荷载作用在支护结构上的主动土压力为倒三角形式，最大主动土压力作用在刚性桩桩顶平面与支护结构相交处，随深度增加，主动土压力直线衰减至0。成层土中土层界面处主动土压力产生突变。实践表明，该计算方法较符合工程实际。关键词：刚性桩复合地基；附加荷载；竖向附加应力；主动土压力中图分类号：TU443 文献标识码：AAnalysis of earth pressure based on rigid pile composite foundationLiang Yaozhe(Hebei Academy of Building Research, No.244,Huaizhong Road,Hebei Shijiazhuang，050021)Abstract：When there is rigid pile composite foundation surrounding excavation and the excavation bottom is higher than rigid pile bottom,based on the additional vertical stress in rigid pile composite foundation pile soil can be simplified as the depth of a monotone decreasing function, the additional stress of the adjacent rigid pile composite foundation retained structure is also a monotone decreasing function with depth,and the maximum earth pressure effect on intersection of the rigid pile top plane and supporting structure, with the increasing depth, earth pressure attenuate to zero along the straight line.soil pressure generated mutant at the multilayer soil interface.Key words：rigid pile composite foundation; additional stress; Vertical additional stress;earth pressure收稿日期：2012作者简介：梁耀哲，男，1976年1月，副总经理，主要从事勘察、地基处理与基坑支护等岩土工作第 卷第 期 岩土力学 Vol. No.2012年月 Rock and Soil Mechanics 20121.引言基坑周边既有建(构)筑物的附加荷载作用在支护结构上的主动土压力是与其地基形式紧密相关的，既有建(构)筑物的地基形式主要分为天然地基、桩基础和复合地基三类。当基坑周边既有建(构)筑物地基形式为天然地基时(如图1a)，土中竖向附加应力应按照浅基础(条形基础和矩形基础)附加荷载作用下的土中竖向附加应力计算方法确定12；当既有建(构)筑物采用桩基础时(如图1b)，桩基础上的附加荷载通过桩体传到桩端，由桩端土承担，因此桩基础上的附加荷载在桩间土中不产生竖向附加应力3；当既有建(构)筑物地基形式为刚性桩复合地基时(如图1c)，土中竖向附加应力是与桩长和桩的疏密密切相关的4，既不同于浅基础附加荷载作用下天然地基中竖向附加应力的计算，也不同于桩基础的受力特点。图1 基坑周边既有建(构)筑物地基形式(a)天然地基 (b)桩基础 (c)刚性桩复合地基近年来，刚性桩复合地基因其具有地基承载力提高幅度大、变形小、工程造价低和适应性强等特点而得到迅猛发展5，30层左右的高层建筑采用刚性桩复合地基技术进行地基处理的工程比比皆是。另一方面，随着城市建设的进一步发展，紧邻刚性桩复合地基开挖基坑的工程也越来越多，通常拟开挖基坑坑底标高明显高于紧邻刚性桩的桩底标高，如图1c所示。诸如此类工程，支护结构设计模型中刚性桩复合地基上附加荷载的作用如何简化就成为此类工程设计中的关键问题。目前，刚性桩复合地基上的附加荷载经常被简化为均匀布置或局部均匀布置，其大小为基底处建(构)筑物的附加荷载。这将导致支护构件截面与配筋大幅增大，甚至有时选不到合适的截面与配筋。例如，天维花园1#地下车库拟建于既有1#、2#、6#、7#高层住宅楼间，其位置关系如图2所示。拟建1#地下车库基坑深6.3m，坑底比既有6#、7#高层住宅楼筏板底深3.35m，基坑开挖边线与既有住宅最近距离为1.45m，详见图2剖面1-1位置。既有6#、7#高层住宅楼地基形式为刚性桩复合地基，桩长14.2m，桩径0.4m，桩间距1.251.30m。1-1剖面地质概况详见表1，勘察深度40m内未见地下水。采用排桩试算，支护结构计算简图如图3所示，图2 拟建1#地下车库与既有高层住宅楼位置关系表1 土层物理力学性质指标层号岩性层厚/mC/kPa/度/kN/m3qsik/kPa1杂填土1.0081018202粉质粘土1.4019.418.119.4653粉土0.701422.519704粉质粘土3.4024.217.719.3555粉土2.1010.822.219.2655-1粉砂1.7003118206粉质粘土1.8022.717.319.7556-1粉砂0.80034.118156粉质粘土3.0022.717.319.755其中附加荷载为250kPa，局部均匀布置，作用宽度20.35m。通过试算，排桩桩径1.0m，桩间距1.5m，悬臂段长4.05m，嵌固段长16.7m，主筋为23根直径25mm的HRB400级钢。如此大刚度的排桩，桩顶位移计算值达到了31.92mm，已超过基坑深度的3。造成这种结果的原因在于对刚性桩复合地基由桩与桩间土共同承担建(构)筑物荷载这一特性还缺乏深入研究，未能合理简化刚性桩复合地基上的建(构)筑物荷载和确定合理的计算模型。图3支护结构计算简图2.刚性桩复合地基桩顶处桩间土竖向附加应力分析刚性桩复合地基通过褥垫层与基础柔性连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作，且承载力设计时首先是将土的承载能力充分利用，不足部分由刚性桩承担6。因此刚性桩复合地基桩顶处桩间土承受的竖向荷载不应大于其修正后的承载力特征值，即刚性桩复合地基桩顶处桩间土竖向附加应力可由式(1)、式(2)确定。 (1) (2)式中：s为桩顶处桩间土竖向附加应力；fa为修正后的地基承载力特征值；fak为桩顶处桩间土承载力特征值；m为基础底面以上土的加权平均重度；b、d为基础底面宽度、埋置深度；b、d为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数；为基础底面以下土的重度。经处理后的地基，当按地基承载力确定基础底面积及埋深而需要对地基承载力特征值进行修正时，基础宽度的地基承载力修正系数应取零，基础埋深的地基承载力修正系数应取1.07。因此由式(1)、式(2)可得： (3)工程上偏于安全考虑，可以近似的认为刚性桩复合地基桩顶处桩间土竖向附加应力不大于桩顶处桩间土的承载力特征值，也可以认为刚性桩复合地基桩顶处桩间土竖向附加应力不大于刚性桩复合地基设计时所采用的桩顶处桩间土的承载力特征值。3.刚性桩复合地基桩间土竖向附加应力分析根据文献4分析，当桩足够长、桩间距不大于6倍桩径时，刚性桩复合地基桩间土竖向附加应力在桩顶段有限深度内迅速衰减至0，其下桩间土竖向应力等于加荷前的竖向应力。桩间土竖向附加应力可按式(4)、式(5)确定，桩间土中竖向附加应力衰减至0时的深度，即等沉面的位置可按式(6)确定。 (4) (5) (6)式中：z为z深度处桩间土竖向附加应力；u为桩周长；A为单根桩承担的面积；Ap为桩横截面积；K为桩间土作用于桩侧的土压力系数，可按静止土压力系数计算；z为计算深度，以桩顶为0点，向下取正；c为桩与土间的粘聚力，可按2/3桩间土的粘聚力取值；为桩与土间的摩擦角，可按2/3桩间土的摩擦角取值；为桩间土的摩擦角；L0为等沉面z至桩顶的距离。式(4)表明了桩间土中竖向附加应力在负摩阻影响下的衰减过程。刚性桩复合地基中，由于桩顶平面以下桩间土内部的剪切力和桩与土间摩擦两方面共同作用，桩顶段桩间土所承担的上部附加荷载随深度向桩体转移，桩间土竖向附加应力也随深度衰减，至等沉面位置桩间土竖向附加应力衰减至0，桩承担全部附加荷载。桩径越大、置换率越大、桩与土间黏聚力、摩擦角越大，桩顶段桩间土竖向附加应力随深度衰减速度越快。很显然，刚性桩复合地基上的高层建筑落成后，桩顶处的桩间土附加荷载达到最大值，桩间土竖向附加应力衰减至0时的深度也达到最大值。4.刚性桩复合地基桩间土竖向附加应力的简化一栋高层建筑的建设场地和刚性桩复合地基方案确定后，桩间土竖向附加应力只是深度的函数，根据式(4)可以绘制单一土层中桩间土竖向附加应力与深度的曲线(以桩顶为0点，向下为正)，如图4。图4 桩间土竖向附加应力与深度关系曲线 Fig.4 Relationship between vertical additional stress of piles and depth从图4中可以看出，桩间土竖向附加应力随深度近似直线变化。工程上偏于安全考虑，可以将桩间土竖向附加应力随深度的变化近似简化为直线，如图5。 图5 桩间土竖向附加应力与深度关系简化曲线 Fig.5 Simplified Relationship between vertical additional stress of piles and depth根据刚性桩复合地基桩顶处桩间土竖向附加应力的分析及式(3)，桩顶段桩间土竖向附加应力可以由式(7)确定，L0可由式(8)确定。 (7) (8)工程上，刚性桩穿越的土层一般不是单一土层，所以为简化计算，利用式(8)计算L0时，土的粘聚力和内摩擦角应取预估L0范围内的小值。5.刚性桩复合地基上的附加荷载作用在邻近支护结构上的主动土压力分析刚性桩复合地基桩顶段桩间土竖向附加应力确定后，根据朗肯理论，可按式(9)、式(10)计算桩顶附加荷载在邻近支护结构上产生的主动土压力。 (9) (10)式中：eajk为j点土压力标准值；Kai为第i层土主动土压力系数；cik为第i层土粘聚力标准值；i为第i层土内摩擦角。从式(9)可以看出，单一土层中，刚性桩复合地基上的附加荷载作用在邻近支护结构上的土压力与深度成反比例，其曲线类似于zz简化曲线(见图5)。刚性桩顶位置处支护结构上由附加荷载产生的主动土压力最大，可由式(11)确定。随深度增加，土压力迅速衰减，衰减至0时的位置可由式(12)确定。 (11) (12)式中：emax为附加荷载产生的最大土压力标准值；z为由附加荷载产生的土压力衰减至0时的深度,以桩顶为0点，向下为正。在成层土中，由于各层土的粘聚力和内摩擦角不同，在土层分界处支护结构上的土压力产生突变。当下层土的粘聚力和内摩擦角较上层土的粘聚力和内摩擦角变大时，则土层分界处支护结构上的土压力向小突变，反之亦然。6.工程实例7.结论与建议(1)基于刚性桩复合地基桩土受力特点，刚性桩复合地基上的附加荷载在邻近支护结构上产生的土压力是深度的一次函数，且随深度增加迅速衰减。不同于浅基础附加荷载作用下天然地基中竖向附加应力的计算，也不同于桩基础的受力分析。(2)刚性桩复合地基上的附加荷载作用在邻近支护结构上的土压力以及土压力衰减至0时的位置可按式(9)、式(12)计算。(3)成层土中，土层界面处支护结构上的土压力产生突变。(4)式(9)、式(12)中fak为刚性桩复合地基设计时的采用值，不应大于桩间土承载力特征值。参 考 文 献1 刘国彬,王卫东.基坑工程手册(第二版)M. 北京:中国建筑工业出版社,2009.2中华人民共和国建设部. JGJ120-99 建筑基坑支护技术规程S. 北京:中国建筑工业出