淺層地基土應用的新途徑

王廷磊

身份證410782198101144253

淺層地基土應用的新途徑

王廷磊

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通過考察對淺層地基土的強度和變形研究現狀及應用方法，提出了既能夠利用淺部低強度地基土作為高層建筑基礎的持力層，又能夠反映土和工程結構之間相互作用，同時具備簡單、方便、經濟、安全等特點的土層圍壓應用。通過試驗測試、工程實踐效果證明了這種應用的合理性及有效性。

淺層土；工程結構；圍壓應用；地基

在千米厚度以上的松散沉積地層中進行高層建筑地基基礎設計的關鍵莫過于解決合理地做好地基基礎設計。隨著高層建筑的規劃建設，傳統的設計理論和方式已經難以對高層建筑地基基礎的設計給出滿意的解釋和詮釋。這些建立在樁基和復合地基原理上的設計理論，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黏土層，則是把基礎底板下一定厚度的、承載力小于130 kPa的該類土層用高強度、低變形量的樁基礎方法或以高強度加強體為主的復合地基加以處理,這無疑確保了高層建筑的安全,但是在經濟、施工便利、簡單等方面失去了優越性。試驗結果表明：土的強度并非定值，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力增加而減弱。這里擬以三軸強度試驗為原理，提出圍壓結構的具體工程設計及思路，利用圍壓結構將地基土分割為等面積、等體積土的大型三軸強度試驗組合，使得圍壓結構和土體形成新的共同工作的結構地基，以解決高層建筑地基基礎中淺層軟土為高層建筑地基利用的現實問題。

1 高層建筑地基及設計現狀

1.1 高層建筑地基及設計歷史

高層建筑的空間和平面的拓展為地基基礎的設計理論提供了新的研究課題和方向，同時也為土力學研究成果的工程實現提供了應用空間。上世紀80年代初期，在大厚度松散土上建筑高層建筑,基本上以結構力學的理論為依據，提出了以樁內全置換土為主的樁基和列成熟設計理論、施工工藝，檢測措施等。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，無疑要求基礎的剛度、長度、整體強度加大，故直接導致基礎的工程造價飆升以及施工工藝的復雜化；②由于樁結構體在地基土內所占的面積比例為10%左右,卻承擔100%的建筑荷載作用，樁的應用集中效應明顯；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共同作用，而影響范圍之外的土并不能充分提供其強度試驗和真三軸剪切試驗。

1.2 多層軟弱土基礎設計方式

到目前為止，對于淺層土的利用有三種設計方式：①沿襲結構力學理論和集中荷載方式發展下來的樁基礎設計。絕大多數軟弱地層中的基礎采用樁孔內部分或全部的置換土并填充人工高強度材料，借此將上部荷載通過樁、土的端阻力等傳遞到土深部，借助于樁表面與土的摩擦力消散于土內。②采用復合地基加固原理為依據的地基加固設計[1],利用率由原來的10%上升到20%[2]。這種設計方式源于三軸剪切試驗對于土在受力過程中變形特性和破壞特點的微觀描述和認識[3]及對土固結機理的認識。因此，出現了以樁側摩阻力和樁端阻力聯合貢獻于樁承載力的，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計。這種設計雖然對淺層軟弱土的工程實踐產生積極的推動作用，但是廣泛地利用于高層建筑地基中的地基處理設計還在探索階段。③樁基礎和地基處理相結合的混合設計[5]。這種設計方式部分地實現了經濟、安全、高效的地基基礎設計要求，顯然受到現代土力學研究成果的影響，地基與基礎設計又前進了一步。

然而，這些地基基礎的設計均忽略了三軸強度試驗中的圍壓對于土強度和變形的控制作用，或只針對土的某些特殊性質提出相應的處理措施，更忽略了土中圍壓作用整體性改變土的力學屬性的圍壓結構地基基礎形式。

1.3 軟弱土層應用新思路

新的圍壓結構地基設計，無疑需要現代土力學中最新研究成果的支持，勢必可以為地基基礎設計增添新的設計方法，改善長期以來柔土力學研究成果與工程實踐的脫節現象。因此，在探討淺軟弱土應用于高層建筑，必須有如下幾點認識：

軟弱土不能直接作為地基。原因在于沒有考慮土中應力場會隨著土中應力狀態的改變而變化，更沒有考慮到軟弱土塑性變形方向大小與應力場改變的關系，甚至一個公認的三軸強度試驗土圍壓力增加直接導致主應力產生的應變減少、抗剪強度增加的試驗事實被忽略。

土是由固相顆粒孔隙（含濃相、氣相、膠結物質等）組構，在通常的工程范圍內，可以認為巖礦顆粒、黏土圍粒構成了固相顆粒的基本強度單元,并假設基本強度單元在通常的圍巖條件下不發生顆粒破壞。

三軸強度試驗中，土的初始孔隙比對土的應力應變有很大的影響。初始孔隙比越小，圍壓力越大，最大主應力越大。相同的土大于不同圍壓力（σ2= σ3=χ1）情況下，主應力σ1不變。在σ1＞σ2=σ3條件下，峰值強度和屈服強度隨著圍壓力（σ2=σ3=χ2）的升高（即χ1＞χ2）而增加；主應力對應的變形ε1則隨著圍壓力（σ2=σ3=χ2）升高而減少。

松散土樣因孔隙比較大，應力應變曲線中沒有峰值應力增加。但是在足夠圍壓力和最大主應力的作用下，體積首先垂直壓縮并且壓縮變形的增加量的逐漸減少，而無側向變形的增量。

對于無偏向荷載作用的軟弱地基土，控制土的側向變形要比限制垂直沉降意義更大。大量測試資料表明，地基土的側向變形是沉降、差異變形、傾斜的決定性因素。

1.4 圍巖結構地基的設計

充分反映土所特有的屬性，即隨時間和環境產生的“結構變形結構破壞循環”。首先建立具有針對性的、“以土結構破壞過程機理分析—量化評價”為宗旨工程結構的設計概念。其次在對設計更具針對性、系統性、有效性及經濟合理的要求下、對現有的各種地基設計選擇適宜的圍壓結構，實現地基土和圍壓結構共同作用的要求。

對軟弱土側向變形穩定性實施工程控制，即限制土的側向變形,并通過與土緊密結合的結構實現。

用系統分析原理對土和圍壓結構之間的相互作用進行分析，把圍壓結構視為土中新結構體系。

以室內土三軸剪切試驗原理為指導，輔以原位靜荷載試驗對圍壓結構進行足尺寸的觀場研究，分別進行軟土中無側限圍壓結構、存測限圍壓結構和土結構共同作用的試驗，把獲得的數條試驗壓縮曲線作為研究的根據。

圍壓結構地基的計算式指導：視圍壓在結構地基為均勻、各向同性的彈性體，結構地基的分層與原天然地基土相同，依據彈性理論，極限平衡理論、有效應力原理進行地基的承載力特征值、壓縮衡量結構強度等計算式指導。

2 結論

把當代土力學研究成果應用到地基基礎設計中是研究的最終目標。將土變形及強度過程屬性作為地基基礎設計的思路顯然比一味地采用高強度、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缺陷，但是采用圍壓結構設計后，淺層土可直接作為地基滿足建筑要求，同時減少地基基礎的加固和處理的深度。

圍壓工程設計必須對淺層土的結構強度、工程結構強度、土與工程結構之間相互作用進行全面分析和合理認識后進行。

圍巖結構并非單純的原位水泥攪拌樁一種，而是以其結構深度與土層相匹配、與土結合程度高、經濟、安全、易行為標準選用。這方面繼續探索的空間相當寬廣，可在任何形狀的基礎、任意深度的軟土層中使用。

淺土層作為地基的設計方法很多，但滿足高層建筑要求的設計方法還沒有系統化。本文把圍壓增加土強度效應與工程結構巧妙結合一起，用簡單的方法解決了困擾的、復雜的問題，探索意義顯著。

[1]曾國熙，盧肇鈞,等.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,1993：339-442.

[2]陳仲頤,葉書麟,等.基礎工程學[M].北京：中國建筑工業出版社,1993：90-116.

[3]閆明禮，王名山,等.多樁型復合地基設計計算方法探討[J]. 2003,5(3)：352-355.