软土地区重型设备桩筏基础变刚度调平设计
0 引言
传统的基础设计理念有两个缺陷:一是明显的碟形沉降会引起上部结构的较大次应力;二是基底马鞍形反力分布会导致基础板或承台的冲切力、剪切力和弯矩显著增大[1]。为使差异沉降和基础内力减至最小, 并改善上部结构受力性状, 相关学者提出变刚度调平概念设计方法。两种设计理念的基底反力及变形示意见图1。
变刚度调平是考虑上部结构形式、荷载和地层分布以及上述因素之间相互作用效应, 通过调整桩径、桩长、桩距等改变基桩支承刚度分布, 以使建筑物沉降趋于均匀、承台内力得到降低的设计方法[2]。针对这一设计方法, 国内外学者做了大量的理论研究、试验以及实测对比分析。在国内, 刘金砺、迟铃泉[3]通过理论分析和试验研究表明, 土-土、桩-土、桩-桩相互作用效应较连续介质弹性理论值明显弱化, 这是导致按弹性理论计算沉降数值和相互作用效应偏大的根本原因;针对此问题, 提出了相互作用影响计算修正模型, 同时提出了上部结构与地基、基础共同作用变刚度调平优化设计的概念和方法。张武、迟铃泉等[4]以天然地基筏板和4组变刚度桩筏基础模型的对比试验为基础, 分析了基桩平面布置、几何尺寸与基础沉降的关系, 为桩筏基础的变刚度调平提供试验依据。王涛[5]通过大比例尺模型试验、工程实测结果对基础筏板中的应力进行了分析, 指出在上部结构-地基-基础 (桩基) 共同作用下基础筏板钢筋的实测应力值与设计值 (容许应力值) 存在显著差异。王涛、高文生等[6]对高层建筑桩-箱、桩-筏基础的反力、变形进行实测, 并进行了大比例尺模型试验;通过对实测数据和试验结果分析, 提出了以调整桩土支承刚度分布为主线, 根据荷载、地质特征和上部结构布局, 考虑桩-土相互作用效应, 采取增强与弱化结合、减沉与增沉结合、局部平衡、整体协调, 实现差异沉降、承台 (基础) 内力和资源消耗的最小化的设计思想;并结合工程实例对变刚度调平设计中的支承刚度具体强化指数和弱化指数的取值进行分析说明。在国外, Meyerhof[7]首先提出了框架结构与地基土的共同作用概念。Chamecki[8]对单独基础上多层多跨框架结构的基础、地基与上部结构共同作用进行系统研究。Poulos等[9]利用R.D.Mindlin解提出了桩和地基土相互作用的弹性理论法, 推动了桩、土与上部结构共同作用的深入研究。1986年, Price[10]应用上部结构与基础、地基的共同作用原理设计了一栋11层的高层建筑桩筏基础。
图1 均匀布桩和变刚度布桩的反力和变形示意图
以上的研究都基本集中在理论分析和试验, 并且大多数是针对高层住宅等民用建筑, 此类建筑具有平面布置比较规则、荷载分布比较均匀的特点, 研究具有一定的局限性;而工业设备基础的平面和立面很不规则, 荷载大且分布复杂, 针对此类基础的变刚度调平设计研究却很少。基于此, 本文对一重型设备桩筏基础分别采用传统矩形均匀布桩方案1和变刚度布桩方案2进行布桩, 对两种不同布桩方案下的基础沉降进行了对比分析, 设计过程可为类似的工程基础设计提供有意义的借鉴和思考。
1 工程概况
某工程位于宁波市鄞州区, 拟建场地地貌类型属滨海冲积平原, 场地内主要由第四系冲湖相、海相、冲积相及湖相组成, 场地类别为Ⅳ类, 场地土类型为软弱土, 各土层物理力学指标见表1。该设备为一进口精轧机, 加工高精度铜带, 对基础的整体稳定性要求较高, 对基础的不均匀沉降比较敏感。如何在软土地区满足基础承载力要求的前提下, 通过基础优化设计, 控制差异沉降、减小板底弯矩是工作的重点难点。综合考虑经济性、施工进度、上部结构类型、荷载特征以及结合当地地基处理的成熟工程经验, 采用沉管灌注桩, 桩径为426mm, 有效桩长分别为24, 25m, 桩身混凝土强度等级为C30, 持力层选用 (5) 1, 单桩承载力特征值经现场试桩确定为400k N。
表1 土层物理力学指标
注: (1) 为粉质黏土; (3) 1为淤泥质粉质黏土; (3) 2为淤泥质黏土; (3) 3为粉质黏土; (4) 为黏土; (5) 1为粉质黏土; (5) 2为粉质黏土; (5) 3为砾砂; (6) 为粉质黏土;Ps为静力触探比贯入阻力;c为黏聚力;φ为内摩擦角。
2 变刚度调平设计基本概念
变刚度调平设计的基本目标是控制建筑物的差异变形, 以降低筏板内力和上部结构次应力, 减小板厚和配筋, 改善使用功能。其基本原理是:根据初始布桩进行桩土相互作用分析所得的沉降等值线, 实施变桩距或变桩径、变桩长 (视具体条件而定) 布桩。对于地基土承载力满足要求但变形不均匀的情况, 实施局部布桩。利用结构、筏板、桩调整变形的能力, 通过共同作用的迭代耦合计算, 最终实现差异变形减至最小的调平目标[11]。变刚度调平设计几种布桩模式如图2所示。
图2 变刚度调平设计布桩示意图
对于基础刚度调平计算, 可采用变刚度迭代法[11], 具体迭代过程为:第一步:通过初始布桩计算的平均桩反力和基础沉降数值或者通过试桩确定桩初始刚度, 并以桩初始刚度作为常刚度形成桩土体系刚度矩阵[Kps];第二步:对此常刚度桩, 考虑桩、土相互作用纳入上部结构进行整体计算分析, 结果表明, 桩顶反力与初始布桩的平均桩反力不同;第三步:在第二步桩顶反力作用下, 采用Mindlin-Geddes方法重新分析一次桩顶沉降, 得到新的桩顶反力;第四步:根据第三步计算的桩顶反力及各桩桩顶沉降重新确定各桩刚度, 进行变刚度桩的共同作用整体计算分析;第五步, 反复迭代计算几次, 直至计算的桩顶位移与桩顶反力作用下的地基沉降的差小于某个设定的数值为止。最终得到的底板内力及节点位移、桩位移、桩反力可作为设计值。本工程通过现场试桩方法确定桩初始刚度为33 000k N/m。
《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) [12]3.1.8条条文说明指出:天然地基和均匀布桩的初始竖向支承刚度是均匀分布的, 设置于其上的刚度有限的基础 (承台) 受均布荷载作用时, 由于土与土、桩与桩、土与桩的相互作用导致地基或群桩的竖向支承刚度分布发生内弱外强变化, 沉降变形出现内大外小的蝶形分布, 基底反力出现内小外大的马鞍形分布, 大量的工程实例证明了这一点。为避免上述负面效应, 突破传统设计理念, 通过调整地基或基桩的竖向支承刚度分布, 促使差异沉降减到最小, 基础或承台内力和上部结构次应力显著降低。本工程通过变桩距和桩长, 即在设备荷载核心区减小桩距, 增加桩长, 增强该区域的支承刚度, 相对弱化非核心区域的支承刚度, 以达到上述设计目标。
3 本工程桩基础设计
3.1 试桩方法及过程
前期现场试桩2根 (SZ01, SZ02) , 执行标准为《建筑基桩检测技术规程》 (DGJ 08-218—2003) [13], 加载方式为快速维持荷载法。按照4.3.4条规定进行试验加、卸载, 具体加荷过程为:1) 采用逐级等量分级加载, 分级荷载宜为最大加载量或预估极限承载力的1/10, 其中第一级可取分级荷载的2倍;2) 采用逐级等量分级卸载, 每级卸载量取加载时分级荷载的2倍;3) 加、卸载时荷载传递均匀、连续、无冲击, 每级荷载在维持过程中变化幅度不超过分级荷载的±10%;4) 每级荷载维持时间至少为1h, 是否延长维持荷载时间应根据桩顶沉降收敛情况确定。
3.2 测试结果及评价
试桩得到的荷载-变形曲线见图3。根据《建筑基桩检测技术规程》 (DGJ 08-218—2003) 4.4.2条, 对陡降型荷载-变形 (Q-s) 曲线, 取其发生明显陡降起始点对应的荷载值作为单桩竖向极限承载力Qu。本次加载陡降起始荷载分别为880, 1 040k N, 对应单桩承载力特征值为440, 520k N, 桩基设计时取单桩承载力特征值为400k N。
图3 试桩荷载-变形 (Q-s) 曲线
3.3 变刚度调平概念布桩
根据生产工艺需要, 该设备基础采用地下室筏板-剪力墙承重体系, 上部的设备荷载通过剪力墙体系传递到筏板, 再传递至桩身。运用变刚度调平概念, 桩位布置时, 在设备荷载核心区采用梅花形布桩, 桩间距1.7m, 桩长25m, 其余非核心区域采用矩形布桩, 桩间距2.06m×2.28m, 桩长24m, 核心区和非核心区桩端持力层均为 (5) 1层, 上述两者构成的桩承载密度比大致1.9∶1。按照上述思路, 筏板下矩形均布桩方式为方案1, 变刚度布桩方式为方案2, 两种方案的具体布桩参数见表2, 变刚度布桩桩位平面布置及剖面示意见图4。
表2 两种布桩方案的参数
3.4 沉降计算与分析
本文分别对3.3节的两种方案进行沉降数值计算与分析, 计算采用PKPM系列基础桩筏、筏板有限元模块, 计算理论采用《建筑桩基技术规范》 (JGJ94—2008) 所述的等效作用分层总和法, 该方法是对实体深基础Boussinesq解分层总和法的修正, 实质上纳入了按Mindlin位移解在计算桩基础沉降时附加应力及群桩几何参数的影响。等效作用面位于桩端平面, 等效作用面积为桩基承台投影面积, 在本次计算时即为基础筏板投影面积, 等效作用的附加压力取筏板底附加压力, 等效作用面 (即等代实体深基础底面) 以下的应力分布按弹性半空间Boussinesq解确定, 应力系数为均布荷载矩形角点下平均附加应力系数ā。两种布桩方案的筏板沉降等值线见图5, 差异沉降见表3。
从图5可以看出, 变刚度调平布桩方案2的沉降等值线梯度明显优于传统矩形均匀布桩方案1, 而且筏板沉降分布较为均匀, 大体以荷载核心区为中心对称分布, 而传统布桩方案1的筏板沉降则显得较为杂乱。
图4 桩位平面布置及剖面示意
图5 两种布桩方案的基础筏板沉降等值线/mm
表3 差异沉降
在上述两者沉降量绝对值和差异沉降量均控制在合理范围内的前提下, 从表3可以看出, 方案2可以使基础筏板的差异沉降得到明显减小, 方案1, 2的筏板差异沉降减小约30.8%, 调平效果显著。
4 沉降观测与对比分析
按照《建筑变形测量规程》 (JGJ 8—2007) 规定, 在基础筏板整体性较差的侧壁外侧设置2个沉降观测点, 具体位置见图4。观测时间为投产后第1年内, 观测频率为每月1次。具体的沉降观测结果见图6, 图7为累计沉降观测值与理论计算值对比。
从图6、图7中可以得到以下几点结论:1) 投产后第1个月沉降最大, 其中2号观测点的沉降值为0.9mm;2) 沉降在投产后第9个月趋于稳定, 两个观测点的沉降在数值上虽有差别, 但总体的变形趋势是一致的;3) 沉降稳定时的累积沉降量:1号观测点为2.36mm, 2号观测点为2.52mm。其中1号观测点累积沉降量大于计算值的7.3%, 2号观测点累积沉降量大于计算值的9.6%。
图6 沉降观测结果
图7 累计沉降观测值与计算值对比
5 结论
(1) 变刚度调平设计通过优化布桩, 可实现群桩在特定区域内刚度变化, 从而当基础上部荷载不均匀时, 可以将荷载“就近传递”或“直接传递”给基础, 减小了荷载传递路径, 实现了荷载局部平衡, 减小了差异沉降。同时也可以减小由差异沉降产生的基础底板弯矩, 对基础筏板优化具有积极意义。
(2) 累积沉降观测值与计算值的对比表明:基础沉降在设备投产后半年内完成了计算值的90%以上, 沉降观测值与计算值吻合较好。
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