长短结合CFG桩复合地基设计方案

第一部分：园1#-4#楼地基处理设计中究院2000年5月目录工程概况工程地质及水文地质条件简介地基处理设计依据工程技术难点分析地基处理设计方案论证两元桩复合地基设计两元桩复合地基沉降三维有限元模拟复合地基施工参数复合地基施工质量检测施工注意事项及验收准则一、工程概况拟建锦于北京市亚运村，北侧为五南路，东临和平东路，南临已建成的凯平小区（详见图1，建筑物平面布置图）。和本次地基处理有关的建筑物概况见表1：表1建筑物概况表楼号1#2#3#4#层数地上18层地下2层地上24层地下2层地上15层地下2层地上24层地下2层±0.000绝对标高(m))43.4043.7043.7043.70槽底相对标高(m))-7.57-7.77-7.32-7.77本工程建筑单有限公司。本工程建筑结构设计单位设计有限公司。设计要求：1#楼经处理后复合地基承载力标准值不小于380kPa，3#楼经处理后复合地基承载力标准值不小于375kPa，2#、4#楼经处理后复合地基承载力标准值不小于478kPa，由于拟建4栋建筑与地下车库相连，考虑主楼与地下车库的差异沉降要求主楼最终沉降量不超过40mm。场地经勘察，持力层为粉质粘土=3\*GB3③层，夹砂质粉土=3\*GB3③1，重粉质粘土=3\*GB3③2粘土=3\*GB3③3粘质粉土=3\*GB3③4，地基承载力标准值fka=120~220kPa。承载力和变形均不能满足设计要求，需进行地基处理。二、工程地质及水文地质条件简介1、工程地质条件根据中航勘察设计研究院提供的《锦秀馨园岩土工程勘察报告（补充勘察）》，地层主要有：<1>、粉质粘土素填土①层：黄褐色，以粉质粘土为主，含少量碎砖屑，有机物等，可塑，稍湿。局部为杂填土①1层：杂色，以大量碎石、砖块、煤渣和少量图1建筑物平面布置图粘性土回填，稍湿，稍密。人工填土厚度。<2>、砂质粉土②层：褐黄色，含氧化铁、云母碎片。夹粘质粉土②1层、粘土②2层、粉质粘土②3层、重粉质粘土②4层夹层或透镜体。中下~中密，饱和。顶板标高40.0m左右，层厚4.0m左右。<3>、粉质粘土③：褐灰色，含氧化铁、云母碎片，夹砂质粉土③1层、重粉质粘土③2、粘土③3、粘质粉土③3透镜体，可塑。顶板标高35.0m左右。层厚3.5m左右。<4>、细中砂④层：褐黄色，主要矿物成分为长石、石英、云母。中上-密实，饱和，夹粘土④1层、粗砂④2透镜体。顶板标高33.0m左右。层厚4.0m左右。<5>、砂质粉土⑤：褐黄色，含氧化铁、云母碎片。中上密，饱和。夹粘质粉土⑤1、粉质粘土⑤2、粉细砂⑤3、粘土⑤4、重粉质粘土⑤5、砾砂⑤6透镜体。顶板标高26.5m左右，层厚8.0m左右。2、水文地质条件据勘察报告，与建筑有关的地下水有两层。第一层为上层滞水，埋深：，标高。第二层为潜水，埋深：，标高。历史最高水位接近地表。详细的地层分布及其厚度等详见该工程勘察报告。三、地基处理设计依据①工程任务书（编号：001214022）②《锦绣馨园岩土工程勘察报告（补充勘察）》（中航勘察设计研究院，2000年3月）；③《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ01－501－92）④《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－91）⑤《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）⑥《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）=7\*GB3⑦《钻孔夯扩挤密复合桩地基技术规程》（中航勘察设计研究院，1996年）⑧《锦绣馨园1#、2#、3#、4#基础平面图》（北京凯帝克建筑设计有限公司，2000年，工程号：2000078）四、工程技术难点分析本工程技术难点可从以下3方面分析：（1）场地条件差：拟建场地的建筑物持力层主要粉质粘土=3\*GB3③层，部分为砂质粉土=3\*GB3③1，重粉质粘土=3\*GB3③2粘土=3\*GB3③3粘质粉土=3\*GB3③4，地基承载力标准值最小为120kPa，平均按180kPa。土的物理力学性质指标见表2表2=3\*GB3③层及夹层土物理力学性质指标表土层名称统计值天然含水量w(%)湿密度ρ0(g/cm3)孔隙比e液性指数Il压缩模量Es100Mpa压缩模量Es200MPa剪力试验CФФKPa度压缩性粉质粘土平均值最大值最小值23.230.216.92.032.131.930.6440.8270.5240.5850.8110.1657.7211..84.18.9911.795.633116.1中压缩性砂质粉土粘质粉土平均值最大值最小值20.729.511.72.082.201.920.5590.8110.1650.4130.5220.28911.518.38.513.420.910.1中低压缩性粘土重粉质粘土平均值最大值最小值33.538.225.41.891.981.840.941.050.7280.60.7360.3583.43.43.44.194.194.1924115.5高压缩性由表2可知该土层含水量较高，最大孔隙比达1.05，液性指数界于0.25和1之间，属于软塑-可塑状态的土，压缩模量（Es100）最小值为3.4Mpa,属于高压缩性土层，通过对持力层=3\*GB3③层及其夹层的物理力学性质的综合分析可知，该层土状态差，（2）结构要求严：由前述工程概况，本工程要求最高承载力为478kPa，建筑物最终沉降量不超过40mm，4栋建筑物与地下车库连为一体，由《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》可知，本工程建筑物安全等级为“一级”，在北京地区，26层塔楼要求最终沉降不超过40mm几乎没有，一般要求为50-60mm,有些设计单位则不提沉降要求，通过与结构设计单位的沟通，对最终沉降40mm的要求是基于对纯地下车库差异沉降的考虑，因此对沉降的严格要求增大了本次地基处理设计的难度。（3）工程造价控制：对于本工程若采用桩基础和完全的长桩的复合地基均能满足设计要求，但市场经济下的工程项目的运作，不得不考虑经济利益的影响，关于工程造价的影响，详见2#楼不同方案对比分析表。五、地基处理设计方案论证 由于本工程的地基承载力和建筑物最终沉降要求很严，若采用预制桩方案，将能有效的控制建筑物沉降，但预制桩施工打入困难，地面隆起量大，后期砍桩头周期长，造价太高，因此不予考虑，近年采用刚性桩复合地基处理北京地区高层、超高层的实例越来越多，现将两种常见的刚性桩复合地基方案分析如下：钻孔压灌CFG桩（CFG桩）复合地基方案CFG桩复合地基由于其中的CFG桩桩体刚度很大，控制沉降效果显著，该工艺是以特殊的长螺旋钻机成孔，然后用混凝土输送泵以高压将塌落度很大的素混凝土送至钻孔内成桩，它克服了振动沉灌CFG桩的噪音大、易断桩、难以穿透砂层的弊端，能在水下作业，施工速度快、不污染场地，施工时不缩径不塌孔桩身质量好、单桩承载力高。本工程以2#楼为例计算得，桩数665根，有效桩长16.5m，沉降量37mm，工程造价约102万元。造价太高。钻孔夯扩挤密桩（夯扩桩）复合地基方案夯扩桩由我院黄志仑勘察大师在分析国内外地基处理技术的基础上，根据北京地区地层特点研制开发的。该工艺是通过某种机械成孔（长螺旋钻机、洛阳铲），然后将素混凝土分层倒入孔内，用重锤（1.5t）分层夯实，根据桩间土土层的变化确定夯击次数。从而提高地基土的密实度和压缩模量，减小地基土的孔隙比，由于干硬性混凝土的吸水作用，降低地基土的含水量，本施工工艺的其它优点有：桩体完整性好，无断桩缩径问题，桩身强度高，密实度好，能强力挤密桩间土，大幅度提高桩侧摩阻力和桩端承载力，无污染，用电量小。施工设备简单、施工质量易于控制、无泥浆、工期端、造价低。分析场地地层可知，细中砂④层是理想的桩端持力层。2#楼若采用此种桩型，经计算，有效桩长4.0m，桩数1120根，沉降量55mm，造价40万元，较低但沉降不满足要求。CFG桩和夯扩桩相结合形成两元桩复合地基方案 通过上述两种刚性桩复合地基优缺点的分析，沉降由CFG桩（长桩）控制，桩长依据计算确定，同时提供承载力，而剩余不足的承载力则由夯扩桩（短桩）来提供，夯扩桩补足剩余承载力的处理过程，能充分发挥桩间土的作用，以降低工程造价。当然，由于短桩的处理，该范围内复合土层的压缩模量也从一定程度上得到了提高，即对控制沉降也有一定的积极作用。本工程采用不同方案的地基处理比较见表3表32#楼不同方案对比分析表方案序号方案名称沉降量(mm))桩数（根）造价（万元）说明明1天然地基150沉降过高，2纯长桩方案37665102造价高3纯短桩方案55112040沉降不满足要求求，桩间距距为1m，施工困困难4长短桩结合方案案40长399短39972方案经济合理，可可行六、两元桩复合地基设计6.1两元桩复合地基承载力计算 两元桩复合地基承载力计算公式是规范没有的，其承载力计算模式是先分别确定各种桩形的单桩承载力和桩间土承载力，然后按一定的原则进行叠加。采用面积比法，可按下式计算。（1）即（2） 长、短桩的单桩承载力标准值按式3进行计算：根据建筑物特点，本工程1#楼与3#楼要求一致，2#楼与4#楼要求一致，因此分别进行承载力计算。 6.1.11#、3#楼承载力计算 1#、3#楼要求承载力为380kPa，采用如图2示的布桩方案。图21#、3#楼桩位布置示意图经计算：长桩桩长l1=16.5m，桩径d1=400mm，单桩承载力标准值Rv1=600kN，置换率m1=1.6%短桩桩长l2=4.3m，桩径d2=450mm，单桩承载力标准值Rv1=260kN，置换率m1=6.0%按正方形布桩，桩间距L=1.4m实际两种桩形的置换率均稍大于计算的置换率。6.1.22#、4#楼承载力计算 2#、4#楼要求承载力478kPa，采用如图3示的布桩方案。图32#、4#楼桩位布置示意图 两元桩复合地基及单桩的承载力计算同上式。经计算：长桩桩长l1=166.5m，桩桩径d1=4000mm，单单桩承载力力标准值RRv1=6000kN，置置换率m1=4.3%%短桩桩长l2=4..0m，桩径d2=4500mm，单单桩承载力力标准值RRv1=260kNN，置换率率m1=5.5%%按正方形布桩，桩桩间距L==1.2mm实际两种种桩形的置置换率均稍稍大于计算算的置换率率。6.2两元桩桩复合地基基沉降计算算 两元桩复合地基基沉降计算算是设计的的重要环节节，根据新新修订的地地基处理规规范对于一一级建筑物物应按地基基沉降进行行设计。就就本工程而而言，控制制最终沉降降不超过440mm是两元元桩复合地地基设计的的关键。 两元桩复合地基基的沉降一一般包括三三部分：褥褥垫层的沉沉降s1、处理范范围的沉降降s2、和下卧卧层的沉降降s3。一般而言言，褥垫层层的沉降ss1施工前已已压密，其其最终沉降降很小忽略略不计，下下卧层的沉沉降s3可依据现现行GBJJ7-899进行。关关于刚性桩桩处理范围围的沉降ss2，国家或或行业规范范没有计算算公式，国国内许多同同行根据研研究提出了了一些建议议的公式。以复合模量法的计算概念较易被大众接受。难点是复合模量的确定方法。本工程复核人刘焕存研究员认为复合地基的沉降计算都是在假定天然地基和复合地基应力场分布形态一致符合Bousinnesq理论的前提下进行的，沉降折减系数应与现行规范相关联；复合模量利用地质勘察资料可算出，这样在实际工作中应用就比较方便。提出如下沉降计算公式：（4） 公式（4）是GGBJ7--89规范范公式的延延伸，解决决了复合土土层的模量量计算问题题，同时将将加固层和和下卧层的的沉降同时时计算。本本工程两元元桩复合地地基沉降计计算简图见见图4所示：分别求出各楼的的中心点沉沉降，如下下：S1max=355.2mmmS2maax=400.1mmmS33max==31.5mmmS3maax=400.1mmm图4两元桩复复合地基沉沉降计算简简图6.3两元桩桩复合地基基均匀性计计算本场地建筑物基基础底面位位于同一地地质单元、属属同成因年年代，关于于地基均匀匀性，根据据规范（DDBJ011-5011-92），按按土的压缩缩模量当量量值及不均均匀系数来来评价，经经计算，结结果表明本本场地为均均匀地基。6.4两元桩桩复合地基基下卧层验验算两元桩桩复合地基基的桩土复复合土层下下卧层的强强度是否满满足要求，可可据下式进进行计算：：复合合土层下卧卧层为粉质质粘土=6\*GB3⑥层。Pzz根据公式式（6）计算：：式中：b为矩形形基础底边边的宽度；；l为矩形基基础底边的的长度；pp为基底压压力；pc为基础底底面处土的的自重压力力标准值；；z为基础底底面至软弱弱下卧层顶顶面的距离离；θ为地基压压力扩散线线与垂直线线的夹角经计算，Pz==374kPaa。Pcz按公式式（7）计算：：经计算，PPcz=2337kPaa。fz按公公式（8）计算：：经计算，ffz=616kPPa>Pzz+Pcz=6111kPaa。满满足要求。七、两元桩复合地基基沉降三维维有限元模模拟 上述基础沉降计计算本质上上属于一维维弹性压缩缩，无法在在整体上反反映基础的的变形特征征，也没有有考虑复合合地基材料料的非线性性本质，对对于建筑结结构不断施施工过程中中复合地基基沉降变形形过程更是是无法描述述。为了全全面研究本本工程复合合地基变形形性质，在在常规的沉沉降计算同同时应用岩岩土工程商商业软件3D-σ有限元程程序，对地地基基础（将将要完成的的复合地基基）和基础础底板在结结构设计要要求的载荷荷下的联合合作用进行行模拟计算算，同时根根据施工进进度过程不不通楼层载载荷下对本本工程复合合地基沉降降进行数值值分析，从从而给出更更加客观的的沉降估算算值。7.1有限元三三维模拟基基本理论7.1.1本构构关系的选选取为了使用数值方方法描述二二元桩复合合地基在上上部结构不不同工况下下的位移场场，对地基基弹塑性分分析，以满满足工程实实际的要求求。弹塑性性模型反映映了土体的的非线性应应力-应变关系系特性。目目前应用广广泛的弹塑塑性应力--应变模型型主要有DDruckker-PPrageer模型、Caambriidge模模型、Laade模型型、Ladde-Duuncann模型、帽帽子模型等等。弹塑性性模型的基基本概念是是：应力在在屈服前只只有可恢复复的弹性变变形，达到到屈服后，应应变由弹性性应变和塑塑性应变两两部分组成成，即(99)由于地基变形过过程是一个个随上部结结构不断增增加载荷的的过程，地地基土体的的应力场和和位移场随随之不断变变化，由于于土体的非非线性性质质，其最终终位移和应应力与加载载方式（路路径）有关关，所以只只有通过模模拟上部结结构的工况况过程，才才能真实给给出复合地地基的变形形。要正确确地模拟这这种施工工工况，在计计算时应该该采用增量量形式的本本构关系。用用增量关系系计算时，弹弹塑性模型型应变间的的关系可表表示为(110)弹性应变增量按按照弹性模模型计算，弹弹性模量与与泊松比根根据卸载与与再加载曲曲线确定，塑塑性应变增增量根据塑塑性模型理理论计算。塑塑性模型理理论包括屈屈服条件与与破坏条件件，流动法法则与加工工硬化定律律三部分组组成。Druckerr-Praager弹弹塑性本构构模型是最最早提出的的适用于岩岩土材料的的弹塑性本本构模型之之一，是建建立在考虑虑了静水压压力的广义义Misees屈服准准则或Drruckeer-Prragerr屈服准则则的基础上上的。它的的最大优点点在于采用用简单的方方法考虑了了静水压力力对屈服强强度的影响响，而且模模型参数少少，计算简简单。同时时该模型考考虑了岩土土材料的剪剪胀性与扩扩容性。因因此它是岩岩土工程中中描述岩土土材料最常常采用的模模型之一，因因此本工程程设计选用用了能反映映土体剪胀胀性与扩容容性的Drruckeer-Prragerr弹塑性本本构模型。Drucker-Prager破坏准则可表示为((11)式中，为D-PP准则材料料常数，按按照平面应应变条件下下的应力和和塑性变形形条件，可可表示为(112)式(12)中分别为为岩土体的的粘聚力和和内摩擦角角。式(11)中分别表示示应力状态态第一不变变量与偏应应力张量第第二不变量量，可分别别表示为根据弹塑性本构构关系的增增量形式有有(113)其中为弹塑性矩矩阵，可表表示为((14)塑性矩阵可由增增量理论导导出。假定定采用相关关联流动法法则，即塑塑性势函数数等于屈服服函数,便可以导导出普遍弹弹塑性本构构关系矩阵阵(15)上式不仅适用于于各向同性性硬化或软软化材料，同同时适用于于理想塑性性材料()。本文采采用来建立立弹塑性有有限元计算算格式，以以改变参数数值的方式式来近似考考虑其硬化化（软化）特特性。即将将土体的内内摩擦角修修改为剪胀胀角()，适当调调整值，就就可以使计计算的剪胀胀量与实测测的剪胀量量比较接近近或一致。7.1.2破破坏判据破坏判据有两种种，一种是是根据Drruckeer-Prragerr破坏准则则，即公式式(11).另一种种破坏判据据为拉破坏坏，认为土土体具有极极低的抗拉拉强度，且且在受拉开开裂后不再再能够承受受拉应力。对对于土体的的受拉破坏坏，从数值值分析的角角度来说，可可以认为是是塑性的一一种特殊形形式，土体体受拉破坏坏的应力--应变关系系具有与塑塑性软化类类似的特性性，即初始始受拉时具具有线弹性性特征，受受拉破坏后后其抗拉强强度为零，因因此可以按按照塑性分分析的类似似格式，进进行受拉破破坏的非线线性分析..考虑拉破坏的条条件可写成成(16)式中为主拉应力力为了判断是否发发生拉破坏坏，通常须须按主应力力方向判别别。主应力力与主应变变的关系仍仍可表示为为如下的形形式:对于弹性性有;对于塑性性有根据拉破坏条件件，仿照弹弹塑性本构构关系的推推导，可导导出如下的的拉破坏“弹塑性矩矩阵”:当为受拉主应力且且有，则有有(17)当均受拉且有由由两条件联联立推导出出弹塑性矩矩阵为:(118)当均受拉时，则该该单元完全全破坏，不不能承受任任何拉力。则则取残余强强度值。对对于各向同同性材料，其其强度指标标可由三轴轴压缩试验验得到，其其初始强度度及残余强强度值分别别对应于峰峰值得强度度及残余强强度，由相相应的莫尔尔包络线给给出。7.1.3上部部结构分层加载及位位移增量计计算由于土体自重作作用，土体体处于一定定的初始地地应力状态态，土体内内的应力为为上部结构构不断的加加载产生的的应力与初初始地应力力之和。上上部结构不不断增加后后的应力场场可看作初初始应力场场一系列递递增过程的结结果。在第第一层结构构建成后应应力和位移移分别为、分别为初始应力力和位移，、分别为第一层结构建成后的应力和位移增量。在第层结构建成后的应力和位移分别为对于地基基础上上施工的建建筑工程，开开挖前复合合地基内各各点位移。7.2基本计算算假定土体、复合土层层为均质、各各向同性的的理想弹塑塑体，结构构底板为弹弹性板单元元；土体单元与板单单元之间通通过位移协协调相互联联系；结构荷载分别按按P/4、P/2、3P/44和P（全部荷载载）四种情情况考虑。7.3计算模型 力学模型中的复复合地基塑塑性模型采采用Druuckerr-Praager准准则，单元元类型采用用三维八节节点等参单单元，考虑虑到基础基基本为矩形形，荷载一一次性及边边界条件的的对称，取取其中1/2进行计算算。为避免免边界条件件对计算结结果的影响响，计算范范围水平方方向每边按按1倍基础长长计算，垂垂直方向计计算至第9层土体层层底（为计计算方便8层和9层合二为为一），即即假定9层层底位位移为0。7.4计算参数计算参数根据33D-σ有限元程程序的要求求分别确定定，主要输输入弹性模模量、泊松松比和土体体重度。7.5模拟方案及结果果 简单起见，本次次分析了结结构荷载分分别按P//4、P/2、3P/44和P（全部荷载载）四种情情况下的沉沉降特征：： 图5、6、7、8为4种情况载荷下的的沉降等直直线图。由由图可知，加加荷至P//4时，最最大沉降量量为11mmm，加荷荷至P/22时，最大大沉降量为为21mmm，加荷至3P/4时，最最大沉降量量为32mmm，加荷荷至P时，最大大沉降量为为43mm，模拟拟结果显示示沉降量与与荷载的增增加呈线性性关系，总总沉降量与与分层总和和法的最终终沉降基本本一致。沉沉降等值线线反映了结结构底板和和复合地基基变形与地地基基础上上弹性板理理论变形形形状相似，最最大沉降出出现在基础础中心部位位。八、复合地基施