粉土中格柵結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的原理與技術(shù)方法研究.pdf

1、高層和超高層建筑的不斷發(fā)展，要求地基土承擔(dān)越來(lái)越高的荷載且變形也有更嚴(yán)格的限制。我國(guó)大部分城市內(nèi)的地基土具備二元結(jié)構(gòu)，其由表層土和下部硬土層組成。表層土因?yàn)榱W(xué)性質(zhì)較差大部分不能直接作為高層建筑的地基。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往忽略表層土有側(cè)限狀態(tài)下強(qiáng)度和變形破壞機(jī)理的有利因素，而是直接采用經(jīng)濟(jì)造價(jià)高的樁基礎(chǔ)穿越表層土，通過(guò)高強(qiáng)度樁身、高承載力持力層(硬土層)等實(shí)現(xiàn)荷載的傳遞和地基變形的控制。因此，高層建筑物地基基礎(chǔ)埋深越來(lái)越大，不符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)

2、和土力學(xué)發(fā)展的方向和要求。 隨著地基土研究的深入和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，解決高層建筑的地基基礎(chǔ)埋深大和利用表層土?xí)r沒(méi)有合適地基類型等問(wèn)題就越加突出和迫切。本文通過(guò)研究，提出有側(cè)限結(jié)構(gòu)復(fù)合地基設(shè)計(jì)原理從理論上解決了上述問(wèn)題。為了使研究成果具有現(xiàn)實(shí)意義和客觀性，選擇二元結(jié)構(gòu)特征明顯的鄭州地區(qū)表層粉土為研究對(duì)象并設(shè)計(jì)新的地基類型對(duì)其驗(yàn)證。采用大型的破壞性靜載荷試驗(yàn)、室內(nèi)外測(cè)試、原型樁試驗(yàn)和理論分析等手段，對(duì)表層粉土的變形破壞方式、格柵結(jié)構(gòu)和

3、土共同作用的機(jī)理等進(jìn)行了系統(tǒng)性深入研究。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合一維固結(jié)理論、復(fù)合理論、均化理論、系統(tǒng)觀點(diǎn)并采用大量的地基工程設(shè)計(jì)資料、原位測(cè)試數(shù)據(jù)、以及國(guó)內(nèi)外已有的試驗(yàn)研究成果，建立了格柵結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工工藝及質(zhì)量控制體系。經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，取得的主要成果如下。 (1)通過(guò)工程勘察、室內(nèi)外試驗(yàn)及測(cè)試、實(shí)例調(diào)查、理論分析等，對(duì)鄭州市地基土的巖性組合類型、結(jié)構(gòu)類型、地基土強(qiáng)度、變形破壞機(jī)理等進(jìn)行了深入研究，得出集中大荷載作用

4、下的粉土破壞并非沿著傳統(tǒng)理論假設(shè)的剪切滑動(dòng)面移動(dòng)，也非地基土的沖剪破壞，而是粉土在基礎(chǔ)下首先發(fā)生擠密和鼓脹側(cè)擴(kuò)，隨著荷載增加產(chǎn)生隆起破壞，破壞土分布在基礎(chǔ)底板周邊很小的寬度內(nèi)，歸納出粉土的變形破壞方式為“擠擴(kuò)——隆起”。 (2)粉土地基的整體失穩(wěn)方式是通過(guò)地基中不同深度層次的局部化破壞而累積形成的整體變形破壞。這些局部化破壞的過(guò)程中包括滲流和擠擴(kuò)——隆起等破壞。在無(wú)側(cè)限條件下，局部化破壞過(guò)程沒(méi)有限制因素，表層土中地下水滲流途徑短

5、、滲流壓力較大，表層土側(cè)向變形破壞經(jīng)常發(fā)生，從而造成表層地基土中多發(fā)生局部化破壞。按照一定的方向、順序分層壓縮并分層擠擴(kuò)隆起破壞就構(gòu)成表層粉土地基的整體變形破壞。 (3)根據(jù)復(fù)合地基中人工結(jié)構(gòu)對(duì)地基土的側(cè)限作用、地基土的變形破壞機(jī)理、室內(nèi)外側(cè)限試驗(yàn)的結(jié)果，首次將高層建筑地基分為有側(cè)限結(jié)構(gòu)地基和無(wú)側(cè)限結(jié)構(gòu)地基兩大類型。無(wú)側(cè)限結(jié)構(gòu)地基中地基土的變形處在K0狀態(tài)(靜止土壓力)下，可發(fā)生無(wú)明顯人工結(jié)構(gòu)約束的側(cè)向變形破壞。有側(cè)限結(jié)構(gòu)地基中

6、由于人工結(jié)構(gòu)對(duì)地基土構(gòu)成側(cè)限和垂直向的強(qiáng)度增強(qiáng)，強(qiáng)制表層土地基以垂直變形為主，控制側(cè)向變形趨于零。根據(jù)一維固結(jié)理論和有側(cè)限試驗(yàn)，建立了有側(cè)限結(jié)構(gòu)復(fù)合地基設(shè)計(jì)原理并對(duì)其中一種地基類型—水泥攪拌樁格柵結(jié)構(gòu)復(fù)合地基進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)此類型地基對(duì)表層土的擠擴(kuò)—隆起和滲流破壞、地基土強(qiáng)度提高的有效性和對(duì)高層建筑基礎(chǔ)淺埋與表層土利用的適宜性。 (4)通過(guò)對(duì)水泥土攪拌樁和格柵結(jié)構(gòu)工程—力學(xué)性質(zhì)的研究，首次提出格柵結(jié)構(gòu)復(fù)合地基中采用單樁弱強(qiáng)度、垂向

7、變強(qiáng)度和群樁整體高剛度的理念。在完善了設(shè)計(jì)方法和施工工藝后，通過(guò)樁在地基土中受力狀況的分析，結(jié)合樁身應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)論，推導(dǎo)出樁身變強(qiáng)度的具體計(jì)算公式為：qu=(q-ps)/ηAp。該式表明樁任意深度處的截面強(qiáng)度qu隨著樁承擔(dān)荷載p與樁身摩阻力q的差值減少而減少。滿足這一計(jì)算公式的樁身強(qiáng)度即可實(shí)現(xiàn)地基中的附加應(yīng)力的有效傳遞。 (5)通過(guò)研究，指出樁與土、格柵結(jié)構(gòu)、復(fù)合地基等變形模量涵義的區(qū)別性，以及攪拌樁格柵結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的變

8、形模量與樁尺寸、樁端土模量E2、樁周土模量Es、格柵結(jié)構(gòu)模量Ep等具有相關(guān)性，通過(guò)應(yīng)力狀態(tài)分析，以彈性理論為基礎(chǔ)推導(dǎo)出地基模量計(jì)算公式為：E=mKK1E2+(1-m)Es，K1=p/(p-q)，K=Ep/(Ep+E2)。其相關(guān)性通過(guò)樁置換率m、樁端部土模量折減系數(shù)K、樁土間荷載折減系數(shù)K1等表達(dá)。 (6)推導(dǎo)出格柵結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的承載力fspk、承載力折減系數(shù)β等指標(biāo)的計(jì)算公式為：fspk=β(1-m)fsk+mRa/Ap、β=1