一種淺層地基土應(yīng)用的新途徑
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摘要：本文通過考察目前對淺層地基土的強(qiáng)度和變形研究現(xiàn)狀及應(yīng)用方法，提出了既能夠利用淺部低強(qiáng)度地基土作為高層建筑基礎(chǔ)的持力層，又能夠反映土和工程結(jié)構(gòu)之間相互作用，同時(shí)具備簡單、方便、經(jīng)濟(jì)、安全等特點(diǎn)的土層圍壓應(yīng)用。通過試驗(yàn)測試、工程實(shí)踐效果證明了這種應(yīng)用的合理性及有效性。
論文關(guān)鍵詞：淺層土,工程結(jié)構(gòu),圍壓應(yīng)用,地基
在千米厚度以上的松散沉積地層中，進(jìn)行高層建筑地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)受到關(guān)注的焦點(diǎn)內(nèi)容莫過于解決如何經(jīng)濟(jì)合理地做好地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。隨著高層建筑的規(guī)劃建設(shè)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方式已經(jīng)難以對高層建筑地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)給出滿意的解釋和詮釋。這些建立在樁基和復(fù)合地基原理上的設(shè)計(jì)理論，特別是對于河湖相沉積的、呈薄層及互層狀的飽和粉土及粉質(zhì)粘土層，則是把基礎(chǔ)底板下一定厚度的承載力小于130KPa的該類土層用高強(qiáng)度、低變形量的樁基礎(chǔ)方法或高強(qiáng)度加強(qiáng)體為主的復(fù)合地基加以處理，這無疑確保了高層建筑的安全，但是在經(jīng)濟(jì)、施工便利、簡單等方面失去了優(yōu)越性。土的三軸強(qiáng)度試驗(yàn)，真三軸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：土的強(qiáng)度并非定值，而是隨土圍壓力的增高有所增加；土的軸向變形則隨土的圍壓增加而減弱。本文擬以三軸強(qiáng)度試驗(yàn)為原理，提出圍壓結(jié)構(gòu)的具體工程設(shè)計(jì)及思路，利用圍壓結(jié)構(gòu)將地基土分割為等面積，等體積，土的大型三軸強(qiáng)度試驗(yàn)組合，使得圍壓結(jié)構(gòu)和土體形成新的共同工作的結(jié)構(gòu)地基，以解決高層建筑地基基礎(chǔ)中淺層軟土為高層建筑地基利用的現(xiàn)實(shí)問題。
2、 高層建筑地基及設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析
2.1高層建筑地基及設(shè)計(jì)歷史
每次高層建筑的空間和平面的拓展，都為地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論提供了新的研究課題和方向，同時(shí)也為土力學(xué)研究成果的工程實(shí)現(xiàn)提供了應(yīng)用空間。上世紀(jì)80年代初期，在大厚度松散土上建筑高層建筑，基本上以結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論為依據(jù)，提出了以樁內(nèi)全置換土為主的樁基和列成熟設(shè)計(jì)理論，施工工藝，檢測措施等。但存在的不足：①雖然樁基系列具有明顯的安全性，但是由于舍棄淺層有一定承載能力、抗變形能力的軟弱土，無疑要求基礎(chǔ)的剛度，長度，整體強(qiáng)度加大，故此直接導(dǎo)致基礎(chǔ)的工程造價(jià)飆升以及施工工藝的復(fù)雜化；②由于樁結(jié)構(gòu)體在地基土內(nèi)所占的面積比例為10%左右，卻承擔(dān)100%的建筑荷載作用，樁的應(yīng)用集中效應(yīng)明顯；③樁體表面與土的接觸面積有限，大多情況下樁的承載力由土的摩阻力和端阻力，而影響范圍之外的土并不能充分提供其強(qiáng)度試驗(yàn)和真三軸剪切試驗(yàn)，對土力學(xué)性質(zhì)和行為的深入探討有一定的積累，土的宏觀、微觀試驗(yàn)研究【1】，對于土的微觀結(jié)構(gòu)從認(rèn)識(shí)方面進(jìn)一步深化，開始注意到土的應(yīng)力應(yīng)變特征。
2.2多層軟弱土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方式
到目前為止，對于淺層土的利用有三種設(shè)計(jì)方式：①沿襲結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和集中荷載方式發(fā)展下來的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，幾乎是基礎(chǔ)的代名詞，絕大多數(shù)軟弱地層中的基礎(chǔ)采用樁孔內(nèi)部分或全部的置換土并填充人工高強(qiáng)度材料和實(shí)現(xiàn)，籍此將上部荷載通過樁、土的端阻力等傳遞到土深部以及借助于樁表面與土的摩擦力消散于土內(nèi)。②以土力學(xué)對土應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律研究的最新成果，采用復(fù)合地基加固原理力依據(jù)的地基加固設(shè)計(jì)【2】，利用率由原來的10%上升到20%以上【3】。它源于三軸剪切試驗(yàn)對于土在受力過程中變形特性和破壞，特點(diǎn)的微觀描述和認(rèn)識(shí)【4】及對土固結(jié)機(jī)理的深化認(rèn)識(shí)。出現(xiàn)了以樁側(cè)摩阻力和樁端阻力聯(lián)合貢獻(xiàn)于樁承載力的，在原位半置換土的粉噴樁、高壓施噴樁、深層攪拌樁等滲透性設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)雖然對淺層軟弱土的工程實(shí)踐產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用，但是廣泛的利用于高層建筑地基中的地基處理設(shè)計(jì)尚在探索階段。③結(jié)構(gòu)力學(xué)和土力學(xué)理論相對融合的思路，即樁基礎(chǔ)和地基處理相結(jié)合的混合設(shè)計(jì)【5】，由此部分地實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、安全、高效的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求和土利用率提高，顯然受到現(xiàn)代土力學(xué)研究成果的影響，地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方面又前進(jìn)了一步。
然而，這些地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)均忽略了三軸強(qiáng)度試驗(yàn)中的圍壓對于土強(qiáng)度和變形的控制作用，或只針對土的某些特殊性質(zhì)提出相應(yīng)的處理措施，更是忽略了土中圍壓作用整體性改變土的力學(xué)屬性的圍壓結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)形式。
3、軟弱土層應(yīng)用新思路
新的圍壓結(jié)構(gòu)地基應(yīng)該是這些認(rèn)識(shí)的實(shí)質(zhì)性，結(jié)合性反映。新的圍壓結(jié)構(gòu)地基設(shè)計(jì)，無疑需要現(xiàn)代土力學(xué)中最新研究成果的支持，勢必可以為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)增添新的設(shè)計(jì)方法以及改善長期以柔土力學(xué)研究成果與工程實(shí)踐的脫節(jié)觀象。因此，在探討淺軟弱土應(yīng)用高層建筑之間，必須建立如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：
�。�1）軟弱土不能直接作為地基。原因在于沒有考慮土中應(yīng)力場會(huì)隨著土中應(yīng)力狀態(tài)的改變而變化，更沒有考慮到軟弱土塑性變形方向大小與應(yīng)力場改變的關(guān)系，甚至一個(gè)公認(rèn)的三軸強(qiáng)度試驗(yàn)土圍壓力增加直接導(dǎo)致主應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變減少，抗剪強(qiáng)度增加的試驗(yàn)事實(shí)被忽略。
�。�2）土是由固相顆�？紫叮ê瑵庀�、氣相、膠結(jié)物質(zhì)等）組構(gòu)，在通常的工程范圍內(nèi)，可以認(rèn)為巖礦顆粒、粘土圍粒構(gòu)成了固相顆粒的基本強(qiáng)度單元，并假設(shè)基本強(qiáng)度單元在通常的圍巖條件下不發(fā)生顆粒破壞。
（3）三軸強(qiáng)度試驗(yàn)中，土的初始孔隙比對土的應(yīng)力應(yīng)變有很大的影響，初始孔隙 比越小，圍壓力越大，最大主應(yīng)力越大。相同的土大于不同圍壓（σ2=σ3=χ1）作用下，主應(yīng)力σ1不變，且σ1>σ2=σ3條件下，①峰值強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著圍壓（σ2=σ3=χ2）的升高（即χ1>χ2）而增加；②主應(yīng)力對應(yīng)的變形ɛ1則隨著圍壓（σ2=σ3=χ2）升高相應(yīng)的減少。
（4）松散土樣因孔隙比較大，應(yīng)力應(yīng)變曲線中沒有峰值應(yīng)力升觀。但是在足夠圍壓力和最大主應(yīng)力的作用下，體積首先垂直壓縮并且壓縮變形的增加量的逐漸減少，而無側(cè)向變形的增量。
（5）對于無偏向荷載作用的軟弱地基土，控制土的側(cè)向變形要比限制垂直沉降意義更大。大量測試資料表明，地基土的側(cè)向變形是沉降、差異變形、傾斜的決定性因素。
4、圍巖結(jié)構(gòu)地基的設(shè)計(jì)
基于上述對土的認(rèn)識(shí)，得到淺層軟弱地層地基設(shè)計(jì)的合理啟發(fā)，繼而形成有效的、與之相適應(yīng)的地基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，即是：
�。�1）充分反映土所特有的屬性，即隨時(shí)間和環(huán)境產(chǎn)生的“結(jié)構(gòu)變形結(jié)構(gòu)破壞循環(huán)”。首先建立具有針對性的、“以土結(jié)構(gòu)破壞過程機(jī)理分析—量化評價(jià)”為宗旨工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念。其次在設(shè)計(jì)更具針對性、系統(tǒng)性與有效性確保經(jīng)濟(jì)合理的要求下、對現(xiàn)有的各種地基設(shè)計(jì)選擇適宜性的圍壓結(jié)構(gòu)，最后在完全滿足上述條件的前提下，實(shí)現(xiàn)地基土和圍壓結(jié)構(gòu)共同作用的要求。
�。�2）實(shí)現(xiàn)上述要求，必須對軟弱土側(cè)向變形穩(wěn)定性實(shí)施工程控制，即限制土的側(cè)向變形并將其通過與土緊密結(jié)合的結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。
（3）用系統(tǒng)分析原理對土和圍壓結(jié)構(gòu)之間的相互作用進(jìn)行分析， 把圍壓結(jié)構(gòu)視為土中即新結(jié)構(gòu)體系。
�。�4）以室內(nèi)土三軸剪切試驗(yàn)原理為指導(dǎo)，輔以原位靜荷載試驗(yàn)對圍壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行足尺寸的觀場研究，分別進(jìn)行軟土中無側(cè)限圍壓結(jié)構(gòu)，存測限圍壓結(jié)構(gòu)和土結(jié)構(gòu)共同作用的試驗(yàn)，把獲得的數(shù)條試驗(yàn)壓縮曲線作為研究的根據(jù)，并作為基本判識(shí)依據(jù)。
�。�5）圍壓結(jié)構(gòu)地基的計(jì)算式指導(dǎo)：視圍壓在結(jié)構(gòu)地基為均勻，各向同性的彈性體，結(jié)構(gòu)地基的分層與原天然地基土想同，依據(jù)彈性理論，極限平衡理論、有效應(yīng)力原理進(jìn)行地基的承載力特征值、壓縮衡量結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等計(jì)算式指導(dǎo)。
5、結(jié)論
�。�1）把當(dāng)代土力學(xué)研究成果應(yīng)用到地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中是研究的最終目標(biāo)。
將土變形及強(qiáng)度地過程屬性作為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的思路顯然比一味地采用高強(qiáng)度、深部硬土作為地基更加重要。淺層土作為高層建筑地基雖然有不同的缺陷，但是采用圍壓結(jié)設(shè)計(jì)后，直接作為地基滿足建筑要求，同時(shí)減少地基基礎(chǔ)的加固和處理的深度。
（2）圍壓工程設(shè)計(jì)必須對淺層土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的各種因素，工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、土與工程結(jié)構(gòu)之間相互作用進(jìn)行全面分析和合理認(rèn)識(shí)后進(jìn)行。
�。�3）圍巖結(jié)構(gòu)并非單純的原位水泥攪拌樁一種，而是以其結(jié)構(gòu)深度與土層相匹配、與土結(jié)合程度高、經(jīng)濟(jì)、安全、易行為標(biāo)準(zhǔn)選用，這方面繼續(xù)探索的空間相當(dāng)寬廣�？稍谌魏涡螤畹幕A(chǔ)、任意深度的薄層軟土層中使用。
�。�4）淺土層作為地基的設(shè)計(jì)方法很多，但滿足高層建筑要求的設(shè)計(jì)方法還沒有系統(tǒng)化。本文把圍壓增加土強(qiáng)度效應(yīng)與工程結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合一起，用簡單的方法解決了困擾的、復(fù)雜的問題，可見進(jìn)一步深化探索意義顯著。
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