樁伴侶(變剛度樁)對(duì)直接基礎(chǔ)與間接基礎(chǔ)的優(yōu)化研究.pdf

1、樁伴侶是中國發(fā)明專利樁頭的箍與帶箍的樁(200710160966.1)的俗稱:樁頭側(cè)面上下一設(shè)定高度范圍設(shè)置一閉合環(huán)形箍，箍的內(nèi)徑大于樁頭的外徑，箍與樁是分開的，樁與樁頭的箍通過樁間土和墊層的傳力來協(xié)同工作，組合成帶箍的樁。因其具有對(duì)樁豎向支承剛度簡(jiǎn)單靈活調(diào)整的屬性，其專業(yè)學(xué)術(shù)名稱為“變剛度樁”。為了深入了解樁伴侶的作用機(jī)理和承載性狀，本文對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了初步研究。主要的研究成果、創(chuàng)新和結(jié)論包括:
　　 (1)人為地將樁土共同受力

2、體的某些環(huán)節(jié)削弱或增強(qiáng)，可改變共同工作的方式，使承載和沉降性狀向預(yù)定的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)工程上可以接受較大的總體沉降與較小的差異沉降和較小的工后沉降，從而極大地促進(jìn)巖土工程的技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)上的巨大節(jié)約。
　　 (2)以相對(duì)的深和淺來劃分基礎(chǔ)類型不盡合理，而用“直接基礎(chǔ)”和“間接基礎(chǔ)”的表述來劃分基礎(chǔ)類型更加合理，傳統(tǒng)上“深基礎(chǔ)”與“淺基礎(chǔ)”的表述可以特指基礎(chǔ)的埋深或相對(duì)埋深;直接基礎(chǔ)可簡(jiǎn)單定義為能夠直接將荷載傳遞到上層天然地基的基礎(chǔ)

3、;間接基礎(chǔ)也可定義為穿過上部持力層將荷載傳遞到下部持力層并間接影響上層天然地基的基礎(chǔ)。顯然，這樣一種分類方法同時(shí)包含了地基與地基兩方面的因素，更客觀地反映地基與基礎(chǔ)之間相互依存、相互影響、相互作用的關(guān)系。
　　 (3)“用沉降量換承載力”的等價(jià)說法或具體解釋是地基承載的良性循環(huán)，即“上部荷載增大→壓實(shí)地基土→地基土性質(zhì)改善→可以承擔(dān)更大的荷載→進(jìn)一步壓實(shí)地基土→地基土性質(zhì)更加改善→……”，現(xiàn)有研究沒有或沒有充分考慮作用于滑移線上

4、的附加應(yīng)力對(duì)抵抗剪切滑動(dòng)的貢獻(xiàn);樁伴侶可減小直接基礎(chǔ)發(fā)生整體剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
　　 (4)選擇適宜的滑移線可以將地基承載力問題轉(zhuǎn)化為傾覆問題來研究;有樁伴侶的地基基礎(chǔ)非常符合較小剛體位移的“圓弧滑動(dòng)和向下沖剪”假設(shè)，滑移線是以基礎(chǔ)底板寬度為直徑的一個(gè)半圓，圓心位于基礎(chǔ)底板的中心，基于莫爾庫倫強(qiáng)度理論，以符拉蒙的附加應(yīng)力解答推導(dǎo)出考慮附加應(yīng)力和土自重的滑移線上土剪力對(duì)基底中心抵抗力矩的解析解，將所有的傾覆力矩歸結(jié)為等效偏心，得到了

5、評(píng)價(jià)地基承載力的等效偏心法，與通常的地基承載力的計(jì)算方法不同，等效偏心法不僅考慮土體性質(zhì)、基礎(chǔ)寬度、埋深等因素，同時(shí)考慮了上部結(jié)構(gòu)的等效偏心來綜合評(píng)價(jià)地基承載力，不同的等效偏心對(duì)應(yīng)不同的地基承載力值，等效偏心越小則承載力越大，經(jīng)初步對(duì)比，不考慮地震等水平荷載形成的等效偏心因素，在靜力荷載下太沙基公式的極限承載力所對(duì)應(yīng)的相對(duì)等效偏心△F/B在0.154左右，而承載力標(biāo)準(zhǔn)值所對(duì)應(yīng)的相對(duì)等效偏心△F/B在0.188左右;以等效偏心法分析了樁伴

6、侶“止沉”與“止轉(zhuǎn)”的計(jì)算思路，中樁對(duì)于“止轉(zhuǎn)”力矩的貢獻(xiàn)很小，基樁設(shè)置應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)加強(qiáng)邊樁、角樁。
　　 (5)論述了間接基礎(chǔ)的缺點(diǎn);進(jìn)行了復(fù)合樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)間接基礎(chǔ)改進(jìn)的局限分析;提出個(gè)別安全系數(shù)的概念解釋和質(zhì)疑常規(guī)變剛度調(diào)平“內(nèi)強(qiáng)外弱”的結(jié)果，指出當(dāng)只有基礎(chǔ)底板沉降均勻這唯一的一個(gè)控制參數(shù)時(shí)，間接基礎(chǔ)調(diào)平只能調(diào)整樁下部支承剛度的單一手段是產(chǎn)生變剛度調(diào)平優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)平的結(jié)果不符合常理的重要原因，是用降低個(gè)別安全系數(shù)為代價(jià)換取了基礎(chǔ)

7、底板沉降均勻;樁伴侶具有調(diào)整樁上部支承剛度的能力，可均勻布樁、甚至局部加強(qiáng)邊樁、角樁，增大抵抗整體傾覆的能力，適當(dāng)調(diào)整樁頂與基礎(chǔ)底板的距離，即邊樁、角樁預(yù)留沉降大一些，中樁預(yù)留沉降小一些就可以實(shí)現(xiàn)變剛度調(diào)平。
　　 (6)比較分析了樁伴侶的類似技術(shù)，樁伴侶具有類似技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，且減震隔震，同時(shí)起到向土傳遞水平力、對(duì)樁阻隔水平力的雙重作用，并且增大了基礎(chǔ)底板的剛度;應(yīng)用剛性樁復(fù)合地基時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意地下室井坑破壞隔震、褥墊層模量影響隔震

8、對(duì)其抗彎、抗剪能力較低的樁的水平承載產(chǎn)生的不利因素，此外，常規(guī)采用褥墊層的剛性樁復(fù)合地基還存在反力“被平均”、基礎(chǔ)既不經(jīng)濟(jì)又不安全、“流動(dòng)補(bǔ)償”導(dǎo)致墊層流失等缺點(diǎn)。
　　 (7)按照有限元收斂準(zhǔn)則判斷樁伴侶的極限承載力有不同程度的提高，但有限元模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證明伴侶對(duì)于按照傳統(tǒng)方法判定承載力的無顯著影響，樁伴侶承載力的提高依賴于沉降量的增大和土塑性的充分發(fā)揮，需要打破土原有的本構(gòu)關(guān)系并建立新的體系，有限元軟件本質(zhì)上難以模擬出現(xiàn)“

9、拐點(diǎn)”的“止沉”曲線，最好的方法還是試驗(yàn);研究了剛?cè)針稄?fù)合地基靜載荷試驗(yàn)時(shí)設(shè)置伴侶對(duì)樁土應(yīng)力比的影響，設(shè)置伴侶后樁頂應(yīng)力大幅度減小，伴侶附近樁間土的應(yīng)力大幅度提高，證實(shí)伴侶較好地起到了替樁頭分擔(dān)荷載作用，伴侶的作用可解釋為由于樁頂向上刺入墊層發(fā)生剪脹增大了墊層的內(nèi)摩擦角，也可以理解為由于伴侶的約束作用增大了樁頂上方墊層土柱受到的被動(dòng)土壓力。
　　 (8)提出了整合復(fù)合地基和復(fù)合樁基的承載力計(jì)算公式并以位移調(diào)節(jié)裝置試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了

10、驗(yàn)證，建議復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）修改為:“僅采用褥墊層技術(shù)的剛性樁復(fù)合地基中的混凝土樁應(yīng)采用摩擦型樁，如果有可靠措施能夠保證樁土相繼同時(shí)共同工作時(shí)，樁頂與基礎(chǔ)底板之間的土或墊層不會(huì)發(fā)生整體剪切破壞或其他滑移型的破壞，則剛性樁復(fù)合地基中的混凝土樁應(yīng)采用端承效果好的樁型，樁端盡量落在好土層上”;推導(dǎo)了樁伴侶的整體承載力安全系數(shù)，只要下部持力層穩(wěn)定安全系數(shù)總能保證大于等于2，表明樁伴侶的安全度在合理的范圍內(nèi);建議對(duì)于不同的抗震設(shè)防等級(jí)

11、的建筑，采用不同的安全系數(shù);建議用適度的不均勻沉降作為檢驗(yàn)建筑工程實(shí)體質(zhì)量的外部荷載，以“抵抗不均勻沉降指數(shù)”來衡量建筑工程的施工和設(shè)計(jì)質(zhì)量水平;提出“最小配樁率”概念;樁伴侶具有“止沉”的沉降特性，沉降主要由上部地基土的壓縮引起，影響深度小的直接原位壓板試驗(yàn)得到的極限沉降量與最終沉降量可能會(huì)比較接近，可直接作為沉降量預(yù)測(cè)的依據(jù)，提出“整體傾斜”極限狀態(tài)的概念做為變剛度調(diào)平“概念設(shè)計(jì)”的實(shí)用方法;應(yīng)用樁伴侶對(duì)某處理基樁缺陷事故案例合理方

12、案進(jìn)行優(yōu)化，減薄承臺(tái)，取消片石找平層，提出一項(xiàng)“樁姐妹”的方案，使作為直接基礎(chǔ)的樁能夠承受上拔拉力，提出了現(xiàn)澆伴侶的施工方法。
　　 (9)建議將承臺(tái)與土之間的摩擦力小或地基土約束力差的低承臺(tái)樁基稱為“非典型高承臺(tái)樁基”，將其從“典型的低承臺(tái)樁基”中細(xì)分出來;當(dāng)不改變直接基礎(chǔ)的屬性，有限元數(shù)值模擬樁伴侶的改進(jìn)證實(shí):伴侶是承臺(tái)向地基土傳遞水平荷載的可靠媒介，即使承臺(tái)與土之間摩擦力小，也可大幅度減小基樁的應(yīng)力和位移，對(duì)于樁身范圍地基