巖土工程中部分樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì).

1、巖土工程中局部樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)摘要：本文描述了在加拿大的多倫多地區(qū)在復(fù)雜的巖土工程條件下的局部樁筏基 礎(chǔ)（PPRF的設(shè)計(jì)。PPRF是根據(jù)側(cè)向土壓力，不均勻分布的建筑荷載和地基不 均勻承載力來設(shè)計(jì)的。該樁主要布置在地基沉陷教的地區(qū)。也就是在筏板基礎(chǔ)承受較大壓力而土體承載力較低的西北部地區(qū)。為了保持PPRF的完整性，一個(gè)統(tǒng)一的單位標(biāo)準(zhǔn)被應(yīng)用于樁筏設(shè)計(jì)。整體的穩(wěn)定，包括滑動(dòng)和傾覆也是PPRF設(shè)計(jì)的一部分。同時(shí)，也使用了計(jì)算機(jī)軟件分析。高園項(xiàng)目是位于加拿大多倫多的一個(gè)中密度公寓建設(shè)項(xiàng)目。其海拔變化從101.6至U 102.1米。沿著 BloorStreet West/Ellis公園道大約在其東南方 11

2、米，詳見圖1.Stneei Wem 1（；* L Site plan and borehole hctions在整個(gè)建筑物下面建了三層車庫(kù)。在西北部邊緣下挖11m在東南邊界挖了大概1m雖然沿著 Bloor Street West and Ellis Park Road沒有安裝永久錨桿。沿著北部和西部的邊界的地下室墻壁受到140.4KPa的土壓力。地質(zhì)條件在實(shí)地4個(gè)鉆井中，最大深度為37.4米。土壤樣本檢測(cè)方法采用標(biāo)準(zhǔn)貫入 度。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)一步檢測(cè)和表征土壤樣本。工程土壤條件概括如下：在北部14米到14.2米和南部的1.7米到7米處被 深棕色粉質(zhì)砂土和砂質(zhì)粉土填充?；疑凵百|(zhì)粘土擴(kuò)展至深處14.

3、6到30.0米,非常堅(jiān)硬。在深21.9米到32.9米處富集緊密的砂紙淤泥。在深 22.6到34.3 米處風(fēng)化頁巖的頂端存在一層堅(jiān)硬的灰色潮濕的粘土質(zhì)粉砂層。詳見圖2.喬治 亞灣的灰頁巖，石灰?guī)r在鉆井深度擴(kuò)展延伸范圍的探索結(jié)果。在已經(jīng)完成的開放的鉆井處出現(xiàn)地下水時(shí)要被監(jiān)測(cè)。從地表到地下水的深度為10到18.3米。局部樁筏基礎(chǔ)基于現(xiàn)存地質(zhì)條件，局部樁筏基礎(chǔ)只在未收到擾動(dòng)的殘積土和工程填土中使 用，并按容許承載力250KPa設(shè)計(jì)。該樁基的使用，可以在保證基礎(chǔ)安全的情況 下減少筏板基礎(chǔ)使用面積并減低成本。筏板基礎(chǔ)厚度取決于原狀天然砂和少灰混凝土在換填的過程中對(duì)一個(gè)地域 的擾動(dòng)程度。筏板的底面高程變化從

4、東部的87.90米到西部的92.00米，并通過 一系列步驟來完成沿筏板長(zhǎng)度和寬度的高程變化。riLLSAND/SILTY SAND /SANDY SILT/5ILTFig. 2. Stratigraphic profile of subsurface conditions計(jì)算筏板基礎(chǔ)壓力公式如下:刀P是垂直荷載組合的總和；A是筏板面積；Mx和My分別是沿X軸和Y軸 的彎矩；lx和Iy是X軸和丫軸的慣性矩。定義建筑物的總荷載是P，固定荷載， 活荷載和側(cè)向土壓力的六種荷載組合形式也都被分析。筏板基礎(chǔ)的沉降值按照砂土層和粘性土層分別的彈性沉降和固結(jié)沉降值之AS =込 + ASrZ1和Z2分別是砂土層

5、和粘性土層的厚度；E和mv分別是楊氏模量和體積 壓縮系數(shù)；(7 S和(T C為作用于砂土和粘土質(zhì)土層的壓應(yīng)力。對(duì)筏板基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)力和沉降分析時(shí)大概分成80個(gè)節(jié)點(diǎn)。沒有堆積荷載，在西北角筏板基礎(chǔ)的沉 降計(jì)算是最高的一一大概94.7mm在超過20年的時(shí)間里。這是因?yàn)樵擖c(diǎn)所受的壓 力在整個(gè)基礎(chǔ)中最大，大概391KPa按照比較基礎(chǔ)壓力，計(jì)算的地基沉降量和土層承載標(biāo)準(zhǔn)來布置樁并不超預(yù)期 的總沉降值。地基在施工完成后 20年的時(shí)間內(nèi)可允許沉降25mm然后我們按照25mm的總沉降限制重新計(jì)算筏板基礎(chǔ)的底部壓力。當(dāng)比較土 層所受壓力T和所需的抵抗力T 0，則At = T - T 0的差值 T由樁筏承 受。At

6、0的區(qū)域?yàn)樾枰贾脴斗^(qū)域?？傇O(shè)計(jì)荷載 Q將由樁和筏板共同承 擔(dān)及 Q = Qo + QP。所需的樁的數(shù)量n由樁所承受的總的荷載Qp決定。每根單樁承載力為QH貝U有 n = QP / QH。這里必須指出的是設(shè)計(jì)的樁與筏板可承受的沉降值相等。單樁極限承載力R設(shè)計(jì)按如下公式：二sh為沿著樁軸線的剪應(yīng)力；二t和At為樁刃腳的承載力和面積。 Wp為樁 的重量。土工參數(shù)筏板基礎(chǔ)的土工參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)基礎(chǔ)反作用力， 楊氏模量和固結(jié)沉降系數(shù)。地 基反力系數(shù)是土層壓力和撓曲的概念聯(lián)系。同時(shí)考慮到粘性土的固結(jié)變形，地基 反力系數(shù)ks被定義為：ks = c / A S。且有：1 40ksE為地基反力彈性系數(shù)。楊氏模量

7、 E標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)的次數(shù)N的函數(shù) 隨土壤類型和土壤結(jié)構(gòu)改變。相同類型的土壤，楊氏模量總是尾隨SPT的N值改 變。冰磧物在GTA的SPT數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)方程和相關(guān)性如圖3所示。卜Ay = 1 ；048 6x - 1 .7028 R?= 0.9355I0406000ICOSPT- No. of Blows (N)120Modulus of Elasticity E vs No o50固結(jié)沉降系數(shù)mv為土體體積壓縮量，計(jì)算公式如下:JI1eo和el分別為固結(jié)前后孔隙比；c 0和c 1為固結(jié)前后土層應(yīng)力。假設(shè)mv和Ac = c 1 - c O不隨深度改變，則固結(jié)沉降可以計(jì)算為：sc =mv A c

8、H,與單位 mv壓力(m2 / MN)相反?；A(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)工程師們密切合作對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。根據(jù)初步設(shè)計(jì)結(jié)果，共需要30根H型樁布置在西北部用于減小沉降。它們共同承受30000KN荷載，每根樁承受1000KN的荷載。該設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是基礎(chǔ)總的沉降量在 20到25mm之間，沉降 差不超過5到10mm大概60雅U 80%勺沉降量會(huì)在兩年內(nèi)沉降完畢。專門有一款 軟件為混凝土筏板系統(tǒng)開發(fā)，并應(yīng)用于 PPRF設(shè)計(jì)?？v向和橫向荷載分析結(jié)果被 應(yīng)用于SAFE模型輸入。建筑基礎(chǔ)和剪力墻也被納入安全分析范圍。深基坑因?yàn)樵谒锌赡艹霈F(xiàn)過度沉降的區(qū)域布置了樁，PPR咲于沉降部分的設(shè)計(jì)也多種多樣，隨著荷載在樁筏基礎(chǔ)的分布

9、不同，因此基礎(chǔ)的模量也必須不同。地基反力模型通過不同的基礎(chǔ)壓力和沉降值來建立。為了確定筏板基礎(chǔ)不同位置地基模型的合適的量級(jí)，需要結(jié)構(gòu)工程師和巖土工程師的緊密合作。結(jié)構(gòu)工程師通過控制SAFE模型來用計(jì)算機(jī)軟件分析承壓應(yīng)力分布情況?；?礎(chǔ)最初的反力系數(shù)ks由巖土工程師根據(jù)土壤的條件按下式給出：1 j/i +0.5Ks為在整個(gè)基礎(chǔ)尺寸上的地基反力系數(shù)，K1從0.3x0.3m尺寸的平板載荷試 驗(yàn)得到；m為在硬粘土或中砂上的矩形基礎(chǔ)的長(zhǎng)寬比。使用計(jì)算承壓應(yīng)力時(shí)，計(jì)算土層的沉降不考慮筏板基礎(chǔ)剛度。隨后，通過 FEM計(jì)算的基礎(chǔ)壓力和筏板沉降量來更新基礎(chǔ)反力。通過使用更新的地基反力系數(shù)來就計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)，重新修

10、訂過的承壓應(yīng)力重 新分布。值得注意的是在修正分析過程中，地基反力系數(shù)變化是在筏板基礎(chǔ)內(nèi)部， 并與樁的作用耦合，詳見圖4。Iod cl嚴(yán) nuXFig. Pliite-on-spring upprouch of piled raft foundation再次使用修正后的土層承壓應(yīng)力，一個(gè)新的地基反力和ks就會(huì)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生。使用新的地基反力系數(shù)來重新分布計(jì)算承壓應(yīng)力，見圖5。Fig. 5. Computed footing pressure by using FEM program SAFE從本質(zhì)上講，這個(gè)程序就是利用土層承壓作用力來計(jì)算沉降量， 再修正地基 反力系數(shù)，然后重復(fù)該過程，直到土層承壓作用力和沉降值達(dá)到預(yù)期范圍， 見圖 6。當(dāng)土層的壓力和位移的有限元分析和巖土工程師的預(yù)期吻合時(shí)，該收斂值確定。側(cè)向壓力和擬建結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域的整體穩(wěn)定，通過使用 Simplified Bishop 方法對(duì)圓弧滑動(dòng)面進(jìn)行分析。SB-Slope這款被Von Gunten Engineering Software 開發(fā)的已經(jīng)許可的商業(yè)軟件也被應(yīng)用于二維分析。最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果是1.52，該值在加拿大基礎(chǔ)工程規(guī)范中是允許的。Fig. 6. Computed potential setdement by using FEM program SAF