粉土中格柵結(jié)構復合地基的原理與技術方法研究.pdf

1、高層和超高層建筑的不斷發(fā)展，要求地基土承擔越來越高的荷載且變形也有更嚴格的限制。我國大部分城市內(nèi)的地基土具備二元結(jié)構，其由表層土和下部硬土層組成。表層土因為力學性質(zhì)較差大部分不能直接作為高層建筑的地基。傳統(tǒng)的設計方法往往忽略表層土有側(cè)限狀態(tài)下強度和變形破壞機理的有利因素，而是直接采用經(jīng)濟造價高的樁基礎穿越表層土，通過高強度樁身、高承載力持力層(硬土層)等實現(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埋深越來越大，不符合社會經(jīng)濟

2、和土力學發(fā)展的方向和要求。 隨著地基土研究的深入和經(jīng)濟發(fā)展的需要，解決高層建筑的地基基礎埋深大和利用表層土時沒有合適地基類型等問題就越加突出和迫切。本文通過研究，提出有側(cè)限結(jié)構復合地基設計原理從理論上解決了上述問題。為了使研究成果具有現(xiàn)實意義和客觀性，選擇二元結(jié)構特征明顯的鄭州地區(qū)表層粉土為研究對象并設計新的地基類型對其驗證。采用大型的破壞性靜載荷試驗、室內(nèi)外測試、原型樁試驗和理論分析等手段，對表層粉土的變形破壞方式、格柵結(jié)構和

3、土共同作用的機理等進行了系統(tǒng)性深入研究。在此基礎上，結(jié)合一維固結(jié)理論、復合理論、均化理論、系統(tǒng)觀點并采用大量的地基工程設計資料、原位測試數(shù)據(jù)、以及國內(nèi)外已有的試驗研究成果，建立了格柵結(jié)構復合地基的設計計算方法、施工工藝及質(zhì)量控制體系。經(jīng)過數(shù)年的努力，取得的主要成果如下。 (1)通過工程勘察、室內(nèi)外試驗及測試、實例調(diào)查、理論分析等，對鄭州市地基土的巖性組合類型、結(jié)構類型、地基土強度、變形破壞機理等進行了深入研究，得出集中大荷載作用

4、下的粉土破壞并非沿著傳統(tǒng)理論假設的剪切滑動面移動，也非地基土的沖剪破壞，而是粉土在基礎下首先發(fā)生擠密和鼓脹側(cè)擴，隨著荷載增加產(chǎn)生隆起破壞，破壞土分布在基礎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——隆起”。 (2)粉土地基的整體失穩(wěn)方式是通過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程中包括滲流和擠擴——隆起等破壞。在無側(cè)限條件下，局部化破壞過程沒有限制因素，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隆起破壞就構成表層粉土地基的整體變形破壞。 (3)根據(jù)復合地基中人工結(jié)構對地基土的側(cè)限作用、地基土的變形破壞機理、室內(nèi)外側(cè)限試驗的結(jié)果，首次將高層建筑地基分為有側(cè)限結(jié)構地基和無側(cè)限結(jié)構地基兩大類型。無側(cè)限結(jié)構地基中地基土的變形處在K0狀態(tài)(靜止土壓力)下，可發(fā)生無明顯人工結(jié)構約束的側(cè)向變形破壞。有側(cè)限結(jié)構地基中

6、由于人工結(jié)構對地基土構成側(cè)限和垂直向的強度增強，強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，建立了有側(cè)限結(jié)構復合地基設計原理并對其中一種地基類型—水泥攪拌樁格柵結(jié)構復合地基進行研究。發(fā)現(xiàn)此類型地基對表層土的擠擴—隆起和滲流破壞、地基土強度提高的有效性和對高層建筑基礎淺埋與表層土利用的適宜性。 (4)通過對水泥土攪拌樁和格柵結(jié)構工程—力學性質(zhì)的研究，首次提出格柵結(jié)構復合地基中采用單樁弱強度、垂向

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

8、形模量與樁尺寸、樁端土模量E2、樁周土模量Es、格柵結(jié)構模量Ep等具有相關性，通過應力狀態(tài)分析，以彈性理論為基礎推導出地基模量計算公式為：E=mKK1E2+(1-m)Es，K1=p/(p-q)，K=Ep/(Ep+E2)。其相關性通過樁置換率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。 (6)推導出格柵結(jié)構復合地基的承載力fspk、承載力折減系數(shù)β等指標的計算公式為：fspk=β(1-m)fsk+mRa/Ap、β=1