浅析长短桩基础工程的应用

2012-09-06 00:54高淑云
城市建设理论研究 2012年22期
关键词:刚性土层柔性

高淑云

摘要:本文首先介绍了长短桩复合地基的特点和作用机理,给出了其优化设计的方法,通过工程实例,说明了相比如传统桩基础,长短桩复合地基,能够大大减小工程造价,具有很大的工程社会效益和经济效益。

关键词:长短桩 桩基础优化设计工程应用

中图分类号:S611文献标识码:A 文章编号:

近些年,长短桩复合地基处理技术也得到了越来越多的应用,在已有的工程实例中,在深厚软土地基上使用刚性和刚柔性长短桩复合地基,并且取得了很好的效益,加上现阶段土木工程的发展,可以预见,长短桩复合地基具有非常广阔的应用前景。长短桩地基处理技术的理论在进一步完善,实际工程中也在不断的总结经验。在工程实际中,它不仅能够有效地提高地基的承载能力,而且大大降低了工程造价。

1长短桩复合地基的特点及工作机理

1.1长短桩复合地基的特点

下面分别介绍刚柔性和刚性长短桩复合地基的特点:

(1)刚柔性长短桩复合地基

这种地基是近些年来才逐渐被大家所重视的。由于在软土比较深厚的地区,刚性长短桩理论下的设计会造成桩数过多,桩与桩之间的距离太近,这样不仅需要较大的工程造价,对于单桩承载能力的充分发挥也是极其不利的,而刚柔性长短桩复合地基能够很好地解决这问题,它能够充分地利用桩与桩之间土壤的承载能力,恰到好处的控制地基的沉降,从而节约成本。

(2)刚性长短桩复合地基

该种复合地基的材料都是刚性桩,这在一定程度上限制了使用范围,对使用的地质条件有较高的要求,需要两层理想的桩端持力层。它将短桩、长桩、桩间土这三者结合起来,形成了三元复合地基,长桩所采用的材料为钻孔灌注桩,短桩所采用的材料为预应力薄壁管桩。长桩能够有效地承受荷载,将压缩层的变形降到最低,短桩是长桩辅助,它没有直接的利用桩间土的承载,而是在短桩的基础上,利用桩间土的深层承载力来补偿承载力。

1.2长短桩复合地基的工作机理

周所周知,桩和桩间土在地基承受垂直荷载的情况下会发生相应的形变,由于桩的模量大于土的模量,所以桩的变形要小于土的变形,因此为了能够在变形的过程中,桩依然可以向上刺入褥垫层,在基础的下面铺设一定厚度的褥垫层,这样一来,褥垫层可以不断调整桩与桩间土之间的应力分布,使得在任何一种荷载情况下,桩和桩间土都能够协同工作。相比如单一的长桩和短桩,长短桩采用的分布方式是长桩和短桩间隔布置,加固的桩间土处于三向应力的状态,也能够使得天然土积极的参与工作。在竖向上,长短桩复合地基能够有效利用桩的工作长度,将长桩设计成刚性桩,短桩设计成柔性桩,从而人为地构成了3层地基。第一刚度采用柔性桩+刚性桩+土,第二刚度采用刚性桩+土,第三刚度采用天然土。

由于天然土层表现出的外在特性是下部土层强并且上部土层弱,采用上述长短桩分布方式,在很大程度上改变了复合地基的变形场,能够起到很好的补偿效果。同时,在附加应力方面,基底所承受的附加应力是最大的,随着深度的增加,附加应力会逐渐减小,长短桩复合地基合理的刚度分配能够有效地控制地基的沉降,在附加应力较大时,地基的刚度也较大;附加应力减小时,地基的刚度也会减小。

3长短桩复合地基在实际工程中应用优化设计

对于长短桩复合地基的设计,包括很多方面:选择桩型、确定桩长和桩径、设计垫层等等。设计的原则是满足地基承载力和沉降变形,同时也要满足经济性要求。因此,长短桩复合地基的优化设计非常有必要。在设计上,要注意以下几个问题:

(1)在桩型的选择上,首先要对工程地质条件进行分析,可以采用桩体强度较高的刚性桩作为长桩。为了充分利用桩体材料的承载潜能,达到较好的经济效果,尽量使桩身提供的承载力接近桩侧摩擦力和端承力。根据浅部土层的性质,可以采用散体材料或者是柔性桩作为短桩。

(2)对于长短桩桩长的选择,要根据建筑物对承载能力的要求以及土质的条件、设备等因素来确定,对于短桩应该穿透浅表的软土层,长桩在短桩的基础上,还应该考虑到沉降控制的要求,桩端恰好落在持力层上为宜。如果遇到软土层较厚的情况,设计时应该着重考虑沉降控制。

(3)可以采用下列方法确定长短桩的具体数量。首先假定短桩的数量,接着进行短桩复合地基承载力的计算,按照工程项目设计的复合地基承载力标准算出长桩的置换率,进而计算出长桩的数量,最后验算长短桩复合地基的沉降能否达到工程项目的设计要求。若是长短桩复合地基能够达到工程项目设计的沉降要求,就可以采用计算得出的长短桩的数量方案。改变短桩的假定数量,并且重复上述计算,找出可以采用的全部设计方案。综合分析这些方案的经济性,确定最佳的长短桩数量设计方案。

(4)设计褥垫层。褥垫层在长短桩复合地基中发挥着重要的作用,其有助于将桩间土与桩联合起来。褥垫层通常是散体材料,创造了长短桩的桩体向上刺入的条件,能够确保桩间土和长短桩共同承担荷载。褥垫层能够降低桩顶应力集中的程度,改善长短桩的桩体受力情况,有效发挥桩间土的承受荷载作用。褥垫层的密实程度、厚度、颗粒组成影响着它的受压流动性,因此可以通过调整褥垫层的密实程度、厚度和颗粒组成调整荷载比例。在工程实践中,根据长桩桩端土层和土层性质确定褥垫层的厚度,通常情况下褥垫层厚度应当为20-30cm。如果长桩桩端土层坚硬,或桩间距过大,就可以适当地加大褥垫层的厚度。可以采用级配砂石、碎石、粗中砂作为褥垫层的材料。

4工程应用

以温州市龙港镇的某工程为例,该工程的总建筑面积为176800m2,表1给出了该工程的土层物理力学性质,比较地基的各种处理方案有:1)短桩方案。如果选择桩型为426的沉管灌注桩和400的薄壁管桩,会使得桩型的沉降量变大;如果采用600的钻孔灌注桩,虽然可以保证施工质量,但是会大大提高工程造价,延长工期。2)长桩方案。若采用600的管桩,很容易引起桩身的倾斜,降低桩的稳定性,给安全带来了隐患;如果采用800的钻孔灌注桩,会大大提高工程造价。3)刚柔性桩复合地基。它能很好的利用桩间土的承载能力,形成三元复合型地基,在满足设计要求的同时,减少工程造价,符合实际工程的需要。

表1主要土层的物理力学性质指标

结语

长短桩复合地基能够合理的改善平面和竖向的刚度组合,从而形成一个三维的应力状态。它不仅能够提高桩间土的参与效益,同时也有效的提高了地基的强度,减少沉降,显著降低工程造价,其应用前景巨大。本文论述了长短桩复合地基的特点和作用机理以及优化设计,在现阶段,该理论和设计仍处于研究探索阶段,在目前的现行规范中,还没有对承载力及沉降计算的方法进行系统的研究,在今后的发展中,该技术也一定会越来越成熟,理论与实际得到共同进步。

参考文献

[1] 张玉成.CM长短桩复合地基的设计及应用[J].建筑技术,2007,38(3):170-173.

[2] 王从才,孙秋荣.长短桩的联合应用[J].徐州建筑职业技术学院学报,2007,7(2):8-10.

[3] 潘林有.饱和软土刚性短桩复合地基———强度及变形实用计算公式[J].自然灾害学,2007,16(2):154-159.

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