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工程师手记之二十三  减沉复合疏桩基础沉降计算法的矛盾

(2011-01-05 15:09:31)
标签：

杂谈

 

                     工程师手记之二十三  减沉复合疏桩基础沉降计算法的矛盾

    《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008未提供减沉复合疏桩基础计算方法的计算例题。我很孤陋寡闻，对《建筑桩基技术规范》表13中的14项工程有13项未能找到其资料，连托朋友去《建筑桩基技术规范》编写组处找资料也未得到允许。

    但《建筑桩基技术规范》表13中第7项工程是上海市标准《地基基础设计规范》DGJ08-11-1999沉降控制复合桩基的计算例题，为六层砖混结构住宅，沉降观测历时2202天，实测推算最终沉降量为150mm，数据较为可靠。

    《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008对表13中第7项工程（简称“上海住宅”）采用减沉复合疏桩基础计算方法得到计算沉降值为158mm。现按该工程数据，采用减沉复合桩基础计算方法按计算结果为158mm倒推还原其计算过程。

    “上海住宅”的地基土物理力学性质指标参见见表1。

   土的物理力学性质指标及承载力表         表 1   

层序

土的名称

物 理 性 质

力 学 性 质

建 议 采 用

厚度

 

 

含水量

重力密度

天然孔隙比

剪切试验

压缩试验

混凝土预制桩

内摩擦角

内聚力

 

压缩模量

桩周土摩擦力极限值

桩端土承载力极限值

h

（m）

ω（%）

ρ（g/cm3）

е

φ

（o）

C

（kPa）

ES

（MPa）

qsk

（kPa）

qpk

（kPa）

1

填土

1.20

—

18.0

—

—

—

—

—

—

2

褐黄色粉质黏土

1.70

32.9

18.8

0.930

14.80

24

4.33

15

—

3

灰色淤泥质粉质黏土

1.60

46.8

17.5

1.290

21.78

13

   2.70

15~30

200~500

4

灰色淤泥质黏土

9.10

54.4

16.8

1.518

10.70

10

1.77

45-~55

200~800

5-1

灰色黏土夹砂

5.30

39.4

18.0

1.114

17.20

16

3.12

45~65

1500~2500

5-2

灰色粉砂夹黏土

7.30

31.8

18.6

0.913

35.70

7

6.61

50~70

2000~3500

6

暗绿色粉质黏土

>2.80

23.7

20.1

0.685

   27.80

44

6.88

60~80

1500~2500

 

    基础平面图参见图1。

 

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                               图1           基础平面图

    为了简化计算过程，将该工程的条形基础简化成筏形基础。因此该工程的计算数据为Lc=42.42m，Bc=10.88m，上部结构传至室外地面标高处对应于长期效应的竖向荷载为43500kN，承台底面地基土自重压力бc=15.2kPa，作用于承台底面的总附加荷载F=44655kN。

    由于《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008未给出减沉复合桩基础计算方法中Ra 的取值数，因此假定几种工况进行试算。

        【工况一】取Ra等于单桩承载力特征值（152根0.2m×0.2m×16m方桩）

    单桩桩端极限阻力标准值：

Rpk=1000×0.2×0.2×0.8=32kN。

    单桩桩侧极限摩阻力标准值：

Rsk=0.2×4×（12.33×15×0.8+3.67×42×0.8）=217.02kN。

    单桩极限承载力标准值：Ra= Rpk+Rsk=32+217.02=249.02kN。

    单桩承载力特征值：Ra = Rk=124.51kN

ŋp=1.3，F=44655kN，n =152         

AC=42.42×10.88㎡

P0=1.3× kN/㎡

SS的计算见表2。

                         SS 计算                     表2

土层

桩端以下深度Z

（m）

L

（m）

b

（m）

L/b

 

2Z/b

 

i

 

Zi i -Zi-1 i-1

Es

 

 

粉质黏土

1.63

21.21

5.44

3.9

0.300

0.2486

0.4052

4.33

0.094

淤泥质粉质黏土

3.23

0.594

0.2456

0.3881

2.70

0.144

淤泥质黏土

12.33

2.267

0.1867

1.5087

1.77

0.852

黏土

17.63

3.240

0.1653

0.6122

3.12

0.196

粉砂夹黏土

21.76

4.000

0.1482

0.3128

6.91

0.045

P0=72.47kPa              =1.331   

SS=4 P0 = 4x72.47x1.331=386mm

su=  kN/㎡

s=

Sa/d=0.886 / ×0.2=7.72

d =1.27×0.2

Ssp=280× ×

Ψ =1.0

S =1.0×（386+8.3）=394mm

    “上海住宅”的实测推算最终沉降量为150mm，本工况计算沉降值为394mm，说明《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008式（5.6.2-4）中，对于本案例Ra的取值不是单桩承载力特征值。

                   【工况二】取Ra等于0.9单桩极限承载力标准值（152根0.2m×0.2m×16m方桩）

    Rk、Rsp计算同工况一。

    取Ra=0.9Rk=0.9×249.02=224kN

    则PO=1.3× kN/㎡

    Ss的计算见表3。

                                Ss计算                     表3

土层

桩端以下深度Z

（m）

L

（m）

b

（m）

L/b

 

2Z/b

 

i

 

Zi i -Zi-1 i-1

Es

 

 

粉质黏土

1.63

21.21

5.44

3.9

0.300

0.2486

0.4052

4.33

0.094

淤泥质粉质黏土

3.23

0.594

0.2456

0.3881

2.70

0.144

淤泥质黏土

12.33

2.267

0.1867

1.5087

1.77

0.852

黏土

14.70

2.700

0.1796

0.3381

3.12

0.108

P0 =29.88kPa              =1.198   

Ss=4 P0 = 4×29.88×1.198=143.2mm

    S=143.2+8.3=151.5mm

    与表13中第7项计算结果S=158mm相近。对于“上海住宅”，Ra的取值应为0.9单桩极限承载力标准值左右。

    表13中其他13项工程的数据若能得到，与上述计算类似，也能得到《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中的式（5.6.2-4）中Ra的取值范围。

                   【工况三】取Ra等于单桩承载力特征值（133根0.25m×0.25m×20m方桩）

    Rpk=4000×0.25×0.25×0.8=200kN

    Rsk=0.8×4×0.25（12.33×15+5.3×42+2.37×65）=487.2kN

    单桩承载力特征值：

Ra = （200+487.2）=343.6kN

su=  KN/㎡

s=

Sa/d=0.886 / ×0.25=6.6

d =1.27×0.25

Rpk =280× ×

ŋp=1.3，F=44655KN，n=133

AC=42.42×10.88㎡

取Ra等于单桩承载力特征值343.6kN。

PO=1.3× KN/㎡＜0

即Ss=0

S = Ss+Sp=16.5mm

    本工况与“上海住宅”相比，桩数由152根0.2m×0.2m×16m方桩改为133根0.25m×0.25m×20m方桩，而计算沉降值仅为16.5mm，这与“上海住宅”的实测推算最终沉降量150㎜相距过大，可见本工况取Ra等于单桩承载力特征值计算复合桩基沉降有疑问。由于上海地区采用明德林应力公式法计算桩基础沉降的保证率达到80%，因此利用这种工况的明德林应力公式法计算结果可以反算Ra的取值。

    明德林应力公式法计算过程略。



    由明德林应力公式法计算可得计算沉降为102mm，与上述取Ra等于单桩承载力特征值时的计算沉降16.5mm相差过大，因此上述计算沉降16.5mm不可信。

    若取Ra= 0.4Rk=0.4×（487.2+200）=274.88kN

    可得PO=1.3× kN/㎡

    Ss的计算见表4。

                         Ss计算                           表4

土层

桩端以下深度Z

（m）

L

（m）

b

（m）

L/b

 

2Z/b

 

i

 

Zi i -Zi-1 i-1

Es

 

 

粉质黏土

1.63

21.21

5.44

3.9

0.300

0.2486

0.4052

4.33

0.094

淤泥质粉质黏土

3.23

0.594

0.2456

0.3881

2.70

0.144

淤泥质黏土

12.33

2.267

0.1867

1.5087

1.77

0.852

P0 =22.8kPa              =1.090  

Ss=4 P0 = 4×22.8×1.09=-99.4mm

    可得Ss =99.4mm

    S =99.4+16.5=116mm

    与采用明德林应力公式法的计算结果102mm相近。可见对应于工况三，Ra的取值应为0.4单桩承载力特征值左右。

    由上述“上海住宅”的三种工况可知，虽然式（5.6.2-4）中的Ra为《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中单桩竖向承载力特征值的专用符号，但在减沉复合疏桩基础计算中，Ra的数值并不一定等于单桩竖向承载力特征值。

    由“上海住宅”的工况三可以看出，在桩数不变的条件下，随着桩长的加大，当桩群的承载力特征值接近承台底附加压力，若仍取Ra等于单桩承载力特征值，则PO接近零，Ss计算值将很小。此时桩基中心点计算沉降S近似地等于Ssp。除非桩端进入坚硬土层，一般来说上述计算结果与实际沉降不符，因此Ra应取小于单桩承载力特征值的某一数值。

    而当桩数接近1/3常规桩数时，若取Ra等于单桩承载力特征值，则Ss计算值远超过实际沉降。此时Ra又应取大于单桩承载力特征值某一数值。

    由此可见对于软土地基减沉复合疏桩基础中的Ra无论是否可以定义为考虑承台效应的复合桩基竖向承载力特征值，其数值均应随着桩群承载力与建筑物总荷载之比的变化而有所变动，而不能取为定值。

    以上分析是针对《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的表13中第7项工程进行的，但是其原理适用于其他工程。如《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008的表13中第1～6、8～14项上海、绍兴、天津共13项工程，只要在不改变桩数的前提下加大桩长，直到桩群承载力接近建筑物总重，再采用减沉复合疏桩基础计算公式计算沉降，就应该可以发现计算公式中的Ra既不是单桩承载力特征值，也不是一个固定的数值。

 

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