某软弱地基厂房桩基设计方法研究

某软弱地基厂房桩基设计方法研究摘要：某沿海地区的大型不锈钢工程，地基处理的难度很大，为控制投资，本文采取措施提高深厚淤泥条件下的单桩水平承载能力，充分发挥单桩的竖向承载能力，大大降低工程投资。本文结合该工程主厂房的桩基设计就相关问题进行探讨，为类似工程的设计提供参考。关键词：深厚软土地基；桩周土；单桩水平承载能力1引言沿海地区的地质多以滩涂为主，这种土质一般含水率高、空隙比大、压缩性高、强度低、渗透性差、固结系数小。由于很深的滩涂及淤泥的存在，在桩基设计时，桩周地基土对桩顶的约束很弱，单桩的水平承载力特征值往往很低。而沿海地区靠近海边，风压一般较大，建构筑物的柱底剪力一般会很大，设计柱下桩的根数时，往往是剪力起控制作用。因此在打桩前对表面土层进行适当的地基处理，提高表面土层对桩顶的约束，从而提高单桩水平承载力特征值，并充分发挥单桩的竖向承载能力，可以大大节省项目的投资。2工程实践国家某重点钢铁企业，拟投资十几个亿引进国外先进技术，在福建沿海某地修建一条年产40万吨冷轧不锈钢带生产线，这是一条直接轧制、退火、酸洗不锈钢的全连续生产线，该厂建成后将为加速我国不锈钢行业的结构调整、产业升级做出积极地贡献。为满足生产工艺的高精度要求，建构筑物的建设要求也相对较高。由于地处福建沿海，地质条件相对较差，因此主厂房的基础设计成为重点之一。2.1厂房的主要结构型式主厂房总长度642m，总宽度54m，总建筑面积为34668m2。厂房为两连跨，分别是酸洗退火跨30米，和成品跨24米，厂房内设50吨桥式吊车，轨面标高分别为14.500m和11.000m。厂房纵向基本柱距为12m、15m，在轧机处局部拔柱，最大柱距27m。2.2工程地质条件拟建场地第四纪土层厚度较大，为海积及冲洪积成因类型，以巨厚的淤泥、卵石、粉质粘土及淤泥质粉质粘土为主，基底为花岗岩及其风化壳，为典型的深厚软土地基；地层层次清晰，分布较稳定。其场地岩土层空间分布及其工程地质性能如下,①-?表示从上至下土层分布：①杂填土呈松散～稍密，性状不均匀，工程地质性能差；层厚1.00~10.900m，平均4.94m。②淤泥以流塑状态为主，为高压缩性低强度软弱土层，工程地质性能差；层厚28.500~41.300m。③卵石为中密状态，工程性能较较好，属低压缩性土，但分布不均厚度较薄，且下卧软弱④淤泥质粉质粘土层；层厚0.7~6.10m,平均2.87m。④、⑦淤泥质粉质粘土层为软塑状态，高压缩性低强度软弱土层，工程地质性能差；层厚0.7~5.70m,平均3.42m和3.08m。⑤卵石以中密～密实状态，工程地质性能较好，力学强度高，但厚度较薄（0.50m～6.30m平均2.06m），且分布不均；层厚0.50~6.30m,平均2.06m。⑥、⑨粉质粘土呈可塑状，为中压缩性土，力学强度较高，工程性能较好，承载力一般；层厚0.40~6.90m,平均3.46m和2.57m。⑧卵石以密实状态为主，厚度较大，层位稳定，工程性能好，属低压缩性土，工程地质性能好，力学强度高，桩基工程地质性能较好，但局部夹有薄层粉质粘土层；层厚1.30~8.60m。⑩卵石为密实状态,无软弱下卧层，厚度大于5.0m,工程性能好,分布稳定，属低压缩性土，工程地质性能好，力学强度高，桩基工程地质性能好，为良好的桩基持力层；层厚5.80~12.10m,平均9.20m。?砂土状强风化花岗岩：工程性能强度好，为软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级，未发现洞穴、临空面或软弱岩层，桩基工程地质性能较好，但埋藏深度较深。2.3厂房柱桩基设计经过计算，上部钢结构厂房柱传至基础的单柱最大轴力约5000kN,并且厂房内有吊车，对沉降敏感。结合当地的实际工程经验，为缩短建设周期，设计采用PHC桩，Ф500125，AB型，以⑧或⑩层为桩端持力层，桩长约为50m。2.3.1确定单桩竖向承载能力本工程中，根据地勘提供的相关参数，同时考虑由于淤泥等软弱土层后期的沉降可能会产生负摩阻力的影响，按照《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.3.5条公式，初步估算单桩竖向承载力特征值=1200kN。该值属于经验参数法估算取值。而根据业主提供的以往工程类似桩基检测报告，Ф500125，AB型PHC桩的竖向承载能力特征值为1500kN，该值略大于经验估算值。结合该桩基在过去工程中的成功应用情况，在设计过程中单桩的竖向承载力特征值仍按=1500kN取用。在桩基施工完成后，根据当地检测部门提供的《静载抗压试验简报》（表1），实际工程桩单桩竖向抗压极限承载力均达到3000kN，并且桩基都进入稳定状态，未达到极限状态，因此单桩竖向承载力特征值1500kN，满足设计要求。表1静载抗压试验简报桩号最大试验荷载/kN最大试验荷载下桩顶沉降/mm残余变形/mm卸荷回弹/mm单桩竖向极限承载力取值/kN备注209300020.5710.1210.453000最终进入稳定状态，未达到极限状态245300018.189.298.893000278300023.5911.4612.493000367300020.0210.379.653000457300014.585.009.583000680300013.917.546.373000841300016.507.389.123000847300026.7713.3413.433000905300020.548.5012.0430001479300025.5914.3511.2430002.3.2提高单桩水平承载能力在淤泥质土深厚的地质条件下，桩的水平承载能力比桩的竖向承载能力更加令人担忧。而影响桩基水平承载能力的因素有很多：桩自身的强度、刚度和长度，桩间土的性质、桩入持力层的状况、桩顶约束情况、桩顶水平位移的允许值等。本工程采用的PHC桩，桩身强度，自身抗弯性能良好。在这种深厚淤泥质土体中，在承受水平荷载的作用时，在桩身强度出现破坏前，往往先出现桩侧土体的显著隆起或桩顶水平位移大大超出上部结构的允许值，因此桩的水平承载能力的极限状态就由桩的水平变位来决定。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.7.2条的公式5.7.2-2：，结合本工程地勘资料上的相关数据，按桩顶固结、地面处水平位移控制为10mm来进行初步估算，单桩竖向承载力特征值仅约为Rha=30kN。同时根据业主以往工程的相同桩型及桩长的工程桩单桩水平承载力静载检测报告，单桩水平力特征值亦为30kN。其水平及变位测试图如图1：图1水平及变位测试图由于本工程地处福建沿海地区，拟建厂房距离海边近数百米，风荷载取值较大，基本风压0.80kN/m2，再加上吊车的作用，厂房柱底最大水平剪力Vkmax=270kN。按照目前的单桩水平承载能力，柱底需设置9根桩才能满足设计要求，而此时单桩的竖向受荷仅达到500kN，远小于单桩竖向承载力特征值1500kN。如果照此设计桩基，势必会造成巨大的浪费，因此提高桩基的水平承载能力成为桩基设计的成功关键。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）的规定，桩的水平承载能力由桩的水平变位系数决定，，由此可见又由桩侧土水平抗力系数的比例系数m决定，而m值为地面以下[2(d+1)]深度范围内各土层的综合值（d为桩径）。对于一般常用的桩径，m值得影响深度一般在3.5m左右。因此，如果通过固化的方法处理好桩顶以下3.5~4m范围内的土层，提高桩侧土体的水平抗力系数，应该可以很好的提高桩基的整体水平承载能力。在前期进行平整场地的过程中，在建设场地用石料进行了大面积的回填，回填深度1~4米不等，这一措施在一定程度上起到了固化桩顶面层的作用，增加了桩及基础的抗水平力作用。但是由于本厂房内有大量的深浅不一的设备基础，局部设备基础基坑深度达到9m多，为了躲避这些设备基础，厂房柱基础基底标高亦深浅不一，最深处亦达9m多，原有的回填无法充分发挥作用。本工程最后决定另外再采用高压旋喷桩，固化桩顶周围4m深度范围内的土体。高压旋喷桩采用双管注浆法，间距500mm，喷14%水泥砂浆，喷后旋喷桩直径可达φ700mm。高压旋喷桩固化范围为承台外每边外扩1/2承台边长，这一固化措施同时也有效防止了倒桩。承台施工完成后，再及时采用级配碎石分层回填并夯实，每层厚度0.3m，密实度≥0.94。通过固化及密实回填土，桩顶及承台都增加了约束。按照上述处理方法完成后，对承台桩基进行工程桩试验，依据有关部门提供的《静载试验简报》，单桩水平承载力特征值，比原来特征值提高了50%。原来设计需要9根桩的承台实际仅需设置6根桩就能满足设计要求，同时单桩竖向受力也达到了900kN，单桩的竖向承载力也得到了有效的应用，减少了1/3的桩根数，节约投资1300多万元。3结论在沿海地区，特别是拟建场地具有深厚软土地基的地方，不具备天然浅基础地质条件，而采用其他地基处理方法，其复合承载力或沉降变形也难以满足设计要求时，桩基仍为最合适的设计方案。但是在设计桩基的同时，先期对整个场地进行大面积的一定深度的换填或回填处理，使整个建设场地的基础形成一个相对稳定的面壳层，然后再对桩顶以下3~4m范围内的软弱土层进行一定的加固处理，提高桩顶周围土层对桩顶的约束，在有效防止倒桩的同时，也在很大程度上提高了单桩的水平承载能力，充分发挥了单桩的竖向承载能力，从而有效减少了桩的根数，降低工程成本，节约投资。参考文献：[1]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].[2]GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S].[3]JGJ79-2002建筑地基处理技术规范[S].[4]DBJ13-07-2006《建筑地基基础技术规范》[S].///[5]DBJ13-86-2007先张法预应力混凝土管桩基础技术规程[S].[6]郑俊杰.地基处理技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.[7]董建国，沈锡