大直径素混凝土桩复合地基在全风化砂岩层中的应用研究.pdf

64第 49 卷 第 4 期2023 年8月四川建筑科学研究Sichuan Building Science大直径素混凝土桩复合地基在全风化砂岩层中的应用研究刘 瑞1，刘泳钢1，周 阳2（1.四川省建筑工程质量检测中心有限公司，四川 成都 610081；2.成都大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610106）摘 要：大直径素混凝土桩复合地基因具有适应性强、承载力高、施工便捷、造价低等优势被广泛采用。以成都市龙泉驿区某在建项目为工程背景，对其大直径素混凝土桩复合地基的设计过程进行了详细阐述，并在建筑结构施工过程中对桩及桩间土的应力进行了监测。结果表明：随着上部荷载的增加，桩顶和桩间土的应力均逐渐增大，桩土应力比增长速率整体呈现先缓后急的变化趋势；当上部荷载较大时，上部荷载主要由桩分担，桩明显提高了复合地基的承载力；筏板基础具有应力调节作用，可以使不同区域的基底应力值逐渐向趋于基本一致方向发展。关键词：复合地基；大直径素混凝土桩；地基处理；桩土应力比；荷载分担规律DOI：10.19794 ki.1008-1933.2023.0048中图分类号：TU472.3 文献标志码：A 文章编号：1008-1933（2023）04-0064-06Studyonapplicationoflargediameterplainconcretepilecompositefoundationinall-windsandrockformationLIU Rui1，LIU Yonggang1，ZHOU Yang2（1.Sichuan Testing Center for Construction Engineering Quality Limited，Chengdu 610081，China；2.School of Architecture and Civil Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China）Abstract：Because of the advantages such as strong adaptability，high bearing capacity，convenient construction and low cost，large diameter plain concrete pile composite foundations are widely used.Based on a project under construction in Longquanyi District of Chengdu，the design process of large diameter plain concrete pile composite foundation was expounded.The stress of the pile and the soil between the piles during the construction of building structure was monitored.The results show that with the increase of the upper load，the stress on the top of the pile and the soil between the piles increases gradually，and the overall growth rate of pile-soil stress ratio shows a change trend of first slow and then rapid.When the upper load is large，the upper load is mainly shared by the pile，and the pile significantly improves the bearing capacity of the composite foundation.The raft base has the function of stress regulation，so that the base stress values in different regions gradually develop in a basically uniform direction.Key words：composite foundation；large diameter plain concrete pile；foundation treatment；pile-soil stress ratio；load sharing law 收稿日期：2023-04-12第一作者：刘 瑞（1987），男，硕士，工程师，研究方向：岩土工程。E-mail：121744248 652023 第 4 期刘 瑞，等：大直径素混凝土桩复合地基在全风化砂岩层中的应用研究0 引 言随着高层建筑和超高层建筑的大规模修建和发展，受不良地质条件的影响，天然地基已不能满足重载下建筑对地基强度、变形及抗震等方面性能的要求，亟需一种安全、便捷、经济的地基处理方法，复合地基处理技术也就应运而生1。复合地基是指天然地基中部分土体用竖向增强体置换，并由竖向增强体和地基土共同分担上部荷载的人工地基2-4。在复合地基发展过程中，部分复合地基中采用的散体材料增强体刚度较小，离散性较大，其施工质量得不到保证。尤其在桩身顶部一定范围内出现高应力区时，桩对桩间土的围箍作用有限，土体极易发生膨胀破坏，即使采用增加桩长等措施也不能提高地基的承载能力5-8。因此，为了弥补散体材料桩复合地基存在的缺陷，具有黏结强度增强体刚性桩中的大直径素混凝土桩复合地基得到了广泛应用9-13。大直径素混凝土桩复合地基施工便捷、工期短、造价低，在软土层地基和坚硬土层地基中均可加固使用。经加固后的地基承载力可控制在 160 800 kPa，适用区间大。研究表明，大直径素混凝土桩复合地基的承载力甚至能超过 1 000 kPa，其在复合地基领域具备很强的竞争优势。桩土应力比是指桩顶应力与桩间土应力的比值，该指标可以反映出在竖向荷载作用下桩与桩间土的应力分配情况，以及两者承载能力的利用率。因此，桩土应力比是评价复合地基承载能力和计算沉降的重要参数。桩土应力比受诸多因素影响，包括桩与土的弹性模量、桩土面积置换率、褥垫层材料及厚度等，众多学者对其开展了大量研究，但因其理论计算复杂，目前尚未形成成熟的计算分析理论。吕伟华等14根据桩土的相互作用和基顶差异变形，考虑桩顶上刺入基顶、桩端刺入下卧层，推导了刚性复合地基在路堤荷载下的简单桩土应力比公式。杨磊15以路堤填土中的单桩为研究对象，基于 Marston 埋管理论推导了路堤荷载转移的基本微分方程并给出了解析解，在此基础上，建立了路堤荷载下桩土荷载分担的实用计算方法，并利用实际工程验证了计算方法的有效性。汪凯等16采用弹性理论，并考虑了 桩-土-褥垫层的相互作用和变形协调，推导出了刚性地基桩土应力比的唯一解方程，并将方程运用于实践工程，验证了方程的准确性。武崇 福等17采用太沙基一维固结理论，对桩和桩间土应力的时效性进行了研究，推导了一种考虑时效性的桩土应力比计算方法，并利用该方法对工程实例进行了计算分析，获得了不同地质条件下桩土应力比随时间的变化曲线。姜文雨等18提出了修正的桩侧摩阻力线性分布模型，然后根据桩-土-褥垫层变形协调关系，推导出了刚性桩复合地基中中性面深度、桩顶及中性面处桩土应力比的计算公式，并结合工程实例与模型试验验证了计算的精确度。为探究大直径素混凝土桩桩土应力比变化规律，本文以成都市龙泉驿区某在建项目的大直径素混凝土桩复合地基为工程背景，在桩顶及桩间土处预埋土压力计，监测桩及桩间土应力随建筑修建过程的变化，获得上部荷载作用下桩及桩间土应力变化趋势。1 工程概况工程建设场地属成都平原东部台地，场地高低起伏不平，局部陡崖、陡坎或陡坡，地形变化较大。地形地貌较为复杂，岩土种类多、物理和力学性质差异性大。地勘资料显示，建设场地主要由填土、黏性土、卵石、砂岩和泥岩等组成。根据设计要求，建设场地中 6#楼采用筏板基础，基底的地基承载力不小于 450 kPa，压缩模量66第 49 卷四川建筑科学研究不小于 25 MPa。根据地勘资料可知，6#楼的基底以下为全风化砂岩，天然地基承载力特征值为180 kPa，不满足承载能力要求，为了增强天然地基的承载力、减少工后不均匀沉降和整体沉降、缩短工期以及节约成本，本项目采用大直径素混凝土桩复合地基，以满足工程设计要求。2 复合地基设计计算2.1 计算参数本项目采用大直径素混凝土桩复合地基，设计有效桩长不小于12.0 m，设计桩径为1 200 mm，桩端持力层为全风化砂岩，采用正方形布桩，其计算参数见表 1。表 1 大直径素混凝土桩计算参数Table1 Calculationparametersoflargediameterplainconcretepile全风化砂岩素混凝土桩重度（kNm-3）承载力特征值 fak kPa压缩模量 Es MPa桩端阻力特征值 qp kPa桩侧阻力特征值 qsi kPa2118010500402.2 面积置换率及单桩竖向承载力大直径素混凝土桩复合地基的面积置换率 m是指大直径素混凝土桩桩身横截面积与其分担的处理地基面积的比值，可以通过式（1）计算19。m=d2de2 （1）式中：d 为单桩直径，m；de为单桩所分担的处理地基面积的等效圆直径，采用正方形布桩时de=1.13s，其中 s 为桩的间距，m。在大直径素混凝土桩复合地基设计时，复合地基承载力特征值可以通过式（2）并结合地区经验确定19-20。fspk=mRaAp+（1-m）fsk （2）式中：fspk为复合地基承载力特征值，取 450 kPa；为单桩承载力发挥系数，取 0.90；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为桩的平均截面积，取1.13 m2；为桩间土承载力发挥系数，强风化泥岩取 0.90，黏土取 0.80；fsk为桩间土承载力特征值，取 180 kPa。Ra由侧摩阻力和桩端阻力构成，可由式（3）结合表 1 中的参数计算得到19。Ra=up1nqsilpi +pqpAp （3）式中：up为桩的周长，取 3.77 m；lpi为桩周第 i 层土的厚度，计算深度为 12.0 m；p为桩端阻力发挥系数，取 0.90。根据式（1）（3）可以计算得到 Ra、m 以及 s，结果见表 2。由表 2 可知，6#楼处理后的地基承载力特征值为 461 kPa，高于设计需要的地基承载力（450 kPa），满足设计要求。表 2 复合地基各参数计算值和实际值Table2 Thecalculatedandactualvaluesofeachparameterofcompositefoundation处理区域Ra kNms m处理后的地基承载力 特征值 kPa计算值实际值计算值实际值计算值实际值6#楼 3 123 3 000 0.124 0.134 3.01 2.904613 测点布置在复合地基施工过程中，选择部分素混凝土桩，在其桩顶和桩间土处布置测点，监测上部结构施工过程中，桩顶和桩间土的应力及桩土应力比随建筑物楼层数的变化。选定典型的桩进行测点布置，桩顶及桩间土测点布置如图 1、2 所示。桩顶测点布置在桩中心位置，桩间土测点布置在两桩中心点对称处，取二者平均值作为实测结果。4 桩及桩间土应力测试4.1 桩顶应力变化分析不同建筑物楼层数下大直径素混凝土桩复合地基的桩顶应力变化趋势如图 3 所示。由图 3 可知，随着楼层数的增加，桩顶应力随之增大，总体672023 第 4 期刘 瑞，等：大直径素混凝土桩复合地基在全风化砂岩层中的应用研究图 1 测点位置Fig.1 Positionofmeasuringpoints图 2 现场测点布置Fig.2 Sitemeasuringpointslayout而言，桩顶应力的后期增长速率较前期快，表明随着荷载的增大，桩顶刺入褥垫层，荷载逐渐向桩上集中，桩体将分担到更多的荷载。图 3 桩顶应力变化趋势Fig.3 Changetrendofpiletopstress4.2 桩间土应力变化分析不同建筑物楼层数下大直径素混凝土桩复合地基的桩间土应力变化趋势如图 4 所示。由图 4可知，在受荷初期，桩顶刺入褥垫层，桩间土承载力发挥较大作用，其应力迅速达到一个峰值，该峰值占总应力的 3070。在受荷中后期，桩承载力发挥作用，而桩间土应力增长相对缓慢，且增加量与总应力的比值相对较小，最后 3 根桩桩间土应力平均值基本趋于一致，为 170 210 kPa，接近桩间土承载力特征值，表明受桩顶刺入褥垫层影响，复合地基首先发挥桩间土承载力，随着刺入褥垫层的变形量增加，复合地基实现桩土共同作用，桩间土承载力发挥作用的速率放缓。图 4 桩间土应力变化趋势Fig.4 Changetrendofsoilstressbetweenpiles4.3 桩土应力比分析桩土应力比是复合地基中桩和桩间土协同作用的重要参数，该参数表明复合地基在承受基底压力时，桩和桩间土荷载的分布情况及变化规律。各测试桩桩土应力比变化趋势如图 5 所示。由 图 5 可知，随着楼层数的增加，复合地基承受的上部荷载也相应增加，桩土应力比增长速率整体呈现先缓后急的变化趋势。当上部荷载较小时，主要靠桩与桩间土共同发挥作用；当上部荷载较大时，桩间土承载力逐渐发挥到极限，其增长速率变缓，此时主要靠桩发挥作用，分担荷载。4.4 基底应力反算分析根据桩顶应力和桩间土应力实测值并结合式（2），绘制不同建筑物楼层数下 1#3#桩筏板基底应力变化趋势，如图 6 所示。由图 6 可知，不同测68第 49 卷四川建筑科学研究图 5 桩土应力比变化趋势Fig.5 Changetrendofpile-soilstressratios试桩的基底应力均随楼层数增加而增大，但其值及增长速率均不同，表现为受荷初期不同测试桩的基底应力值及增长速率存在较大差异，但随着楼层数的增加，上部荷载也相应增大，筏板逐渐发挥应力调节作用，最终不同测试桩的基底应力值逐渐向趋于基本一致方向发展，但个别测试桩仍有差异，该差异主要与上部结构分布位置及筏板基底高差有关。3 个测试桩的基底应力均超过180 kPa，表明增强体提高了地基承载力。图 6 筏板基底应力变化趋势Fig.6 Changetrendofraftbasestress4.5 复合地基桩土荷载分担比分析桩土荷载分担比与桩土应力比之间的换算关系为 N=mn（1-m）。其中：N 为桩土荷载分担比，n 为复合地基桩土应力比17。由该关系绘制不同建筑物楼层数下各测试桩桩土荷载分担比变化趋势，如图 7 所示。由图 7 可知，随着楼层数的增加，地基承受的上部荷载也相应增大，桩土荷载分担比增长速率整体呈现先缓后急的变化趋 势。当上部荷载较小时，桩土共同发挥作用，分担上部荷载；当上部荷载较大时，桩分担上部荷载的比例逐渐提高。对比 1#和 2#桩的桩间土应力值及桩土荷载分担比的变化曲线可以发现，当上部荷载较大时，桩间土平均应力值基本一致，上部荷载主要由桩分担，表明桩能有效提高复合地基的承载力。图 7 桩土荷载分担比变化趋势Fig.7 Changtrendofpile-soilloadsharingratios5 结 论通过分析成都某工程大直径素混凝土桩复合地基的应力随上部荷载的变化趋势，本文得到了以下结论：1）采用大直径素混凝土桩复合地基进行地基处理，既能充分发挥桩间土的承载力，又能通过增强体分担荷载大幅提高地基承载力。大直径素混凝土桩复合地基与桩基相比，具有施工方便、节约成本的优势，值得推广使用。2）随着上部荷载的增加，桩土应力比增长速率整体呈现先缓后急的变化趋势。当上部荷载较小时，主要靠桩与桩间土共同发挥作用；当上部荷载较大时，桩间土承载力接近特征值，其增长速率变缓，此时主要靠桩发挥作用，分担荷载。3）在上部荷载增加的过程中，筏板不同区域692023 第 4 期刘 瑞，等：大直径素混凝土桩复合地基在全风化砂岩层中的应用研究的基底应力值及其增长速率存在较大差异，但由于筏板具有应力调节作用，最终不同区域的基底应力值逐渐向趋于基本一致方向发展。4）当上部荷载较大时，上部荷载主要由桩分担，桩明显提高了复合地基的承载力。参 考 文 献：1 张爱军，谢定义.复合地基三维数值分析 M.北京：科学技术出版社，2004.2 龚晓南.复合地基 M.杭州：浙江大学出版社，1992.3 龚晓南.地基处理技术及发展展望：纪念中国土木工程学会岩土工程分会地基处理学术委员会成立三十周年（19842014）M.北京：中国建筑工业出版社，2014.4 杨建永，徐彪.复合地基技术发展研究及趋势 J.河南建材，2004（4）：24-25.5 NI L，SULEIMAN M T，RAICH A.Behavior and soil-structure interaction of pervious concrete ground-improvement piles under lateral loadingJ.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2016，142（2）：04015071.6 ZHANG J，CUI X，LAN R，et al.Dynamic performance characteristics of pervious concrete pile composite foundations under earthquake loadsJ.Journal of Performance of Constructed Facilities，2017，31（5）：04017064.7 闫明礼，张东刚.CFG 桩复合地基技术及工程实践M.北京：中国水利水电出版社，2001.8 傅少君，谢作为，杨红成，等.CFG 桩复合地基静载试验及有限元模拟 J.沈阳工业大学学报，2021，43（6）：698-702.9 黄荣，赵兵.大直径素混凝土桩在地基处理中的应用J.价值工程，2011（18）：105-106.10 王丽娟成都地区大直径素混凝土桩复合地基受力特性研究 D.成都：西南交通大学，2013.11 王超楠，张博，胡晓鹏.水泥灰土桩复合地基的工程特性研究 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S.北京：中国建筑工业出版社，2010.（上接第 49 页）