建筑基础工程与复合地基处理
关键词:基础，桩基，地基处理，复合地基，发展前景
1地基处理技术及分类
地基处理技术分类方法很多,按照加固地基的机理,常将地基处理技术分为六类:置换,排水固结,振密、挤密,灌入固化物,加筋和冷、热处理。可以将采用各类地基处理方法处理形成的人工地基分为两类:一类是天然地基土体的物理力学性质得到普遍的改良,类似于均质地基。这类人工地基的承载力和沉降计算方法基本上与原天然地基,或与浅基础的相同,不同的是地基土层的物理力学指标得到改善。另一类是在地基处理过程中部分土体得到增强,或被置换,或在天然地基中设置加筋材料,形成复合地基。例如:采用振冲置换法,强夯置换法,砂石桩置换法,石灰桩法,深层搅拌法,高压喷射注浆法,振冲密实法,挤密砂石桩法,土桩、灰土桩法,夯实水泥土桩法,孔内夯扩桩法,树根桩法,低强度桩复合地基法,钢筋混凝土桩复合地基法等,均可形成复合地基。
通过地基处理形成复合地基在地基处理形成的人工地基中占有很大的比例,而且呈发展趋势。浅基础的设计计算理论比较成熟,而复合地基设计计算理论正在发展之中。从上述分析可以看到重视复合地基理论研究的必要性和重要性。同时也应该看到,复合地基理论和实践的发展将进一步促进地基处理水平的提高。复合地基技术在地基处理技术中有着非常重要的地位。
2复合地基与双层地基
有的学者将复合地基视为双层地基,将双层地基有关计算方法应用到复合地基计算中。事实上,复合地基与双层地基在荷载作用下的性状有较大区别,在复合地基计算中直接应用双层地基计算方法是不妥当的,有时是偏不安全的,下面作简要分析。
分别为复合地基和双层地基。设复合地基加固区复合模量为E1,其他区域土体模量为E2,显然El>E2。设双层地基的上层土体模量为E1,下层土体模量为E2。双层地基上层土厚度与复合地基加固区深度相同,记为H。以条形基础为例,地基上荷载作用面宽度均为B而且荷载密度相同。现分析在荷载作用中心线下复合地基加固区下卧层中A点和双层地基中对应的B点]竖向应力情况。不难看出复合地基A点竖向应力σA,比双层地基中B点竖向应力σB大。如果增大El/E2值,则σA值增大,而σB值减小。理论上当El/E2趋向∞时,双层地基中B点竖向应力σB趋向零,而复合地基A点竖向应力σA是不断增大的。由上述分析可以看出复合地基与双层地基在荷载作用下地基性状的差别是很大的。
根据前面分析,在荷载作用下双层地基与复合地基中附加应力场分布及变化规律有着较大的差别,将复合地基认为双层地基,低估了深层土层中的附加应力值,在工程上是偏不安全的。
3复合地基与浅基础和桩基础
当天然地基能够满足建筑物对地基的要求时,通常采用浅基础;当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时,需要对天然地基进行处理形成人工地基以满足建筑物对地基的要求。桩基础是软弱地基最常用的一种人工地基形式。广义地讲,桩基技术也是一种地基处理技术,而且是一种最常用的地基处理技术。考虑桩基技术比较成熟,而且已形成一套比较全面、系统的理论,通常将桩基技术与地基处理技术并列,在讨论地基处理技术时一般不包括桩基技术。采用的地基处理方法不同,天然地基经过地基处理后形成的人工地基性态也不同。经过地基处理形成的人工地基多数可归属为两类:一类是在荷载作用范围下的天然地基土体的力学性质得到普遍的改良,如通过预压法、强夯法,以及换填法等形成的土质改良地基。这类人工地基承载力与沉降计算基本上与浅基础相同,因此可将其划归浅基础。另一类是在地基处理过程中部分土体得到增强,或被置换,或在天然地基中设置加筋材料,形成复合地基。例如水泥土复合地基、碎石桩复合地基、低强度混凝土桩复合地基等。根据上述分析,浅基础、复合地基和桩基础已成为工程建设中常用的三种地基基础型式。
在浅基础中,上部结构荷载是通过基础板直接传递给地基土体的。按照经典桩基理论,在端承桩桩基础中,上部结构荷载通过基础板传递给桩体,再依靠桩的端承力直接传递给桩端持力层。不仅基础板下地基土不传递荷载,而且桩侧土也基本上不传递荷载。在摩擦桩桩基础中,上部结构荷载通过基础板传递给桩体,再通过桩侧摩阻力和桩端端承力传递给地基土体,而以桩侧摩阻力为主。经典桩基理论不考虑基础板下地基土直接对荷载的传递作用。虽然客观上大多数情况下摩擦桩桩间土是直接参与共同承担荷载的,但在计算中是不予以考虑的。在复合地基中,上部结构荷载通过基础板直接同时将荷载传递给桩体和基础板下地基土体。对散体材料桩,由桩体承担的荷载通过桩体鼓胀传递给桩侧土体和通过桩体传递给深层土体。对粘结材料桩由桩体承担的荷载则通过桩侧摩阻力和桩端端承力传递给地基土体。
由上面分析可以看出,浅基础、桩基础和复合地基的分类主要是考虑了荷载传递路线。荷载传递路线也是上述三种地基基础型式的基本特征。简而言之,对浅基础,荷载直接传递给地基土体;对桩基础,荷载通过桩体传递给地基土体;对复合地基,荷载一部分通过桩体传递给地基土体,一部分直接传递给地基土体。通过上述对浅基础、复合地基和桩基础荷载传递路线的分析,可以认为复合地基是界于浅基础和桩基础之间的。摩擦桩基础中考虑桩间土直接承担荷载的作用,也可属于复合地基。或者说考虑桩土共同作用也可将其归属于复合地基。
4复合地基与复合桩基
在深厚软粘土地基上按桩基理论设计摩擦桩基础时,为了节省投资,管自立(1989年)采用稀疏布置的摩擦桩基(桩距一般在5倍～6倍桩径以上),并称为疏桩基础。疏桩基础比按桩基理论设计的常规摩擦桩基础,沉降量大,但考虑了桩间土对承载力的直接贡献,以较大的沉降换取工程投资的节约。事实上桩基础的功能主要有两方面:一方面可以提高承载力,另一方面可以减小沉降。以前人们往往侧重利用采用桩基解决地基承载力不足的问题,不重视采用桩基可以减小地基沉降的功能。将用于以减小沉降量为目的桩基础称为减少沉降量桩基。这里减小沉降量桩基一般是指摩擦桩基。减小沉降量桩基设计中考虑了桩土共同作用。在疏桩基础和减小沉降量两类桩基础中,均考虑了桩和土共同承担荷载。事实上,筏板基础下的摩擦桩基,桩间土一般直接承担一部分荷载,在经典桩基理论中只不过是主观上不考虑而已。以前主观上不予考虑的原因可能认为桩间土承担荷载比例小,不值得考虑,也可能是主动将其作为一种安全储备。还有一种可能是考虑到计算较困难,不确定因素较多而不予考虑,而且在工程上是偏安全的。近年来发展起来的桩土共同作用分析,主要也是考虑桩间土直接承担荷载。在疏桩基础、减小沉降量桩基和考虑桩土共同作用的思路中都是主动考虑摩擦桩基础中客观上存在的桩间土直接承担荷载的性状。考虑桩土共同直接承担荷载的桩基称为复合桩基。是否可以说复合桩基实质上是主动考虑桩间土直接承担荷载的摩擦桩基,而在经典桩基理论中,摩擦桩基中是不考虑桩间土直接承担荷载的。