[分享]龚晓南院士:地基基础工程若干问题讨论

发表于2021-11-09     829人浏览     1人跟帖     总热度:834  

地基基础工程若干问题讨论

文/龚晓南
摘  要

近年来,我国工程技术人员在地基基础工程领域发展了许多新技术、新理论,就复合地基形成条件的重要性,复合地基在基础工程中的地位,复合地基理论对基础工程理论发展的贡献,复合桩基,复合桩基与复合地基的关系,一种新的在地基中设置桩的技术即桩植入技术,以及岩土工程按变形控制的设计理论等问题进行分析讨论。

00
前  言

改革开放促进了我国国民经济的飞速发展,自20世纪90年代以来,我国土木工程建设发展迅速。在地基基础工程领域,结合工程建设实践,我国工程技术人员发展了许多新技术、新理论,使得地基基础工程理论和技术水平不断提高。在众多新技术和新理论中,本文就复合地基形成条件、复合地基在基础工程中的地位、复合桩基、复合桩基与复合地基的关系、桩的植入技术、岩土工程按变形控制设计理论等问题谈谈笔者的观点和思考,抛砖引玉,希望能展开讨论,共同促进地基基础工程新技术、新理论不断发展。

01
复合地基的形成条件

复合地基因其能较好地发挥增强体和天然地基土体的承载潜能而具有较好的经济性与实用性。复合地基已经在我国各地工程中得到了广泛的应用,产生了良好的社会效益和经济效益。
桩体复合地基的本质是桩和桩间土共同直接承担荷载[1-2]。如果在荷载作用下,桩体与地基土体不能共同直接承担上部结构传来的荷载,或者在荷载作用下,地基土体不能与桩体共同直接承担上部结构传来的荷载,此时地基中设置的桩体与地基土体不能形成复合地基。
如何保证在荷载作用下,增强体与天然地基土体能够共同直接承担荷载的作用?在图1中,Ep>Es1,Ep>Es2,其中Ep为桩体压缩模量,Es1为桩间土压缩模量,图1(a),(d)中Es3为加固区下卧层土体压缩模量,图1(b)中Es2为加固区垫层土体压缩模量。散体材料桩在荷载作用下产生侧向鼓胀变形,能够保证增强体和地基土体共同直接承担上部结构传来的荷载。因此当增强体为散体材料桩时,图1中各种情况均可满足增强体和土体共同承担上部荷载。然而,当增强体为黏结材料桩时情况就不同了。在图1(a)中,荷载作用下刚性基础下的桩和桩间土沉降量相同,这可保证桩和桩间土共同直接承担荷载。在图1(b)中,桩落在不可压缩层上,且在刚性基础下设置一定厚度的柔性垫层。一般来说在荷载作用下,通过刚性基础下柔性垫层的协调,也可保证桩和桩间土两者共同承担荷载。但需要注意分析柔性垫层对桩和桩间土的差异变形的协调能力及桩与桩间土之间可能产生的最大差异变形两者的关系。如果桩和桩间土之间可能产生的最大差异变形超过柔性垫层对桩和桩间土的差异变形的协调能力,则虽然在刚性基础下设置了一定厚度的柔性垫层,在荷载作用下,也不能保证桩和桩间土始终能够共同直接承担荷载。在图1(c)中,桩落在不可压缩层上,而且未设置垫层。在刚性基础传递的荷载作用下,开始时增强体和桩间土体中的竖向应力大小大致上按两者的模量比分配,但是随着土体产生蠕变,土中应力不断减小,而增强体中应力逐渐增大,荷载逐渐向增强体转移。若Ep≫Es1,则桩间土承担的荷载比例极小。特别是若遇地下水位下降等因素,桩间土体进一步压缩,其可能不再承担荷载。在这种情况下增强体与桩间土体两者难以始终共同直接承担荷载,也就是说桩和桩间土不能形成复合地基以共同直接承担上部荷载。在图1(d)中,复合地基中增强体穿透最薄弱土层,落在相对好的土层上,Es3>Es1。在这种情况下,应重视Ep,Es1和Es3三者之间的关系,保证在荷载作用下通过桩体和桩间土变形协调来保证桩和桩间土共同承担荷载。因此采用黏结材料桩,特别是对采用刚性桩形成的复合地基,需要重视对复合地基的形成条件的分析。
龚晓南院士:地基基础工程若干问题讨论_1
△ 图1 复合地基形成条件示意图

现行国家标准《复合地基技术规范》(GB/T 50783—2012)[3]第3.0.4条规定:“在复合地基设计中,应根据各类复合地基的荷载传递特性,保证复合地基中桩体和桩间土在荷载作用下能够共同承担荷载”。复合地基中桩体采用刚性桩时应选用摩擦型桩。当地基处理中的桩体采用端承桩时,就很难保证在荷载作用下桩和桩间土共同直接承担荷载。即使铺设一定厚度的柔性垫层,也要分析柔性垫层对桩和桩间土的差异变形的协调能力以及桩和桩间土之间可能产生的最大差异变形两者的关系。如果桩和桩间土之间可能产生的最大差异变形超过柔性垫层对桩和桩间土的差异变形的协调能力,即使设置了一定厚度的柔性垫层,在荷载作用下,也不能保证桩和桩间土始终能够共同直接承担荷载,即无法形成复合地基。对此不少工程师和专家不够重视,甚至存在错误概念。
在实际工程中设置的增强体和桩间土体不能满足形成复合地基的条件,而以复合地基理念进行设计是不安全的。将不能直接承担荷载的桩间土承载力计算在内,高估了承载能力,降低了安全度,可能造成工程事故,应引起设计人员的充分重视。

02
复合地基在基础工程中的地位

复合地基理论和工程应用近年来发展很快,复合地基技术在我国建筑工程、交通工程和市政工程等土木工程建设中得到广泛应用,复合地基在我国已成为一类重要的地基基础形式。在我国已形成复合地基理论和工程技术应用体系。客观评价复合地基在基础工程中的地位,对复合地基合理定位,既有利于进一步扩大复合地基技术的应用,也有利于复合地基理论的进一步发展。
浅基础、复合地基和桩基础已经成为工程中常用的三种地基基础形式。下文分析浅基础、桩基础和桩体复合地基的荷载传递机理和基本特征。
图2~4分别为浅基础、桩基础和复合地基的示意图。在图2所示的浅基础中,上部结构荷载是通过基础板直接传递给地基土体的。图3(a),(b)分别表示端承桩基础和摩擦桩基础。按照经典桩基理论,在图3(a)所示的端承桩基础中,上部结构荷载通过基础板传递给桩体,再依靠桩的端承力直接传递给桩端持力层。不仅基础板下地基土不传递荷载,而且桩侧土也基本上不传递荷载。在图3(b)所示的摩擦桩基础中,上部结构荷载通过基础板传递给桩体,再通过桩侧摩阻力和桩端端承力传递给地基土体,而以桩侧摩阻力为主。经典桩基理论不考虑基础板下地基土直接对荷载的传递作用。虽然客观上大多数情况下摩擦桩桩间土是直接参与共同承担荷载的,但在计算中是不予以考虑的。图4(a),(b)分别表示设垫层和不设垫层的两类复合地基。在图4(a)所示的复合地基中,上部结构荷载通过基础板直接同时将荷载传递给桩体和基础板下地基土体。对散体材料桩,由桩体承担的荷载通过桩体鼓胀传递给桩侧土体和通过桩体传递给深层土体。对黏结材料桩由桩体承担的荷载则通过桩侧摩阻力和桩端端承力传递给地基土体。图4(b)与图4(a)不同的是由基础板传递来的上部结构荷载先通过垫层再直接同时将荷载传递给桩体和垫层下的桩间土体。垫层的效用不改变桩和桩间土同时直接承担荷载这一基本特征。
龚晓南院士:地基基础工程若干问题讨论_2
△ 图2 浅基础示意图

龚晓南院士:地基基础工程若干问题讨论_3
△ 图3 桩基础示意图

龚晓南院士:地基基础工程若干问题讨论_4
△ 图4 桩体复合地基示意图

由以上分析可以看出,浅基础、桩基础和复合地基的分类主要是考虑了荷载传递路线。荷载传递路线也是上述三种地基基础形式的基本特征。简言之,对浅基础,荷载直接传递给地基土体;对桩基础,荷载通过桩体传递给地基土体;对复合地基,荷载一部分通过桩体传递给地基土体,一部分直接传递给地基土体。
通过分析浅基础、桩基础和复合地基在荷载作用下的荷载传递路线和传递规律可以进一步较好地认识复合地基的本质,并获得浅基础、桩基础和复合地基三者之间的关系,可以认为桩体复合地基介于浅基础与桩基础之间,如图5所示。浅基础、复合地基和桩基础三者之间并不存在严格的界限,是连续分布的。复合地基置换率等于0时就是浅基础。复合地基中桩的荷载分担比等于1时就是桩基础。若复合地基中不考虑桩间土的承载力,复合地基承载力计算与桩基础相同。摩擦桩基础中若能考虑桩间土直接承担荷载的作用,也可属于复合地基[4-5]。或者考虑桩土共同作用,也可将其归属于复合地基。复合桩基是一种桩基础,也可以认为是一种复合地基。
龚晓南院士:地基基础工程若干问题讨论_5
△ 图5 浅基础、复合地基和桩基础之间关系示意图

03
复合桩基及其与复合地基的关系

在传统的桩基理论中,出于以下原因一般不考虑摩擦桩基中桩间土直接参与承担荷载:1)不知如何评估桩和桩间土直接共同承担荷载的条件;2)在桩和桩间土能共同承担荷载条件下,不知如何计算桩土分担荷载的比例;3)考虑大部分条件下,桩间土所承担荷载的比例较小。
随着桩基础理论的发展和实践的开展,许多学者从不同角度出发不断探讨了如何让桩间土也能直接承担部分荷载。管自立提出了“疏桩基础”的概念[6];黄绍铭等提出了“减小沉降量桩基”的概念[7];刘金砺等通过大量现场试验,探讨研究了桩土共同作用[8]。这些概念不断碰撞、融合、发展,形成了复合桩基的概念,即:在荷载作用下,桩和桩间土同时直接承担荷载的桩基础称为复合桩基。复合桩基不同于传统的桩基础,而是桩基础理论和实践的扩展与发展,已经超越了经典桩基础的概念。在《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[9]中复合桩基称为软土地基减沉复合疏桩基础。
在复合桩基的发展中,采用长短不一的桩形成长短桩复合桩基。当长短桩复合桩基中长桩和短桩采用不同材料时,短桩常采用地基处理加固形成的水泥土桩、石灰桩和散体材料桩。然而这些桩并不属于桩基础。在这类长短桩复合桩基中,可以理解为由水泥土桩、石灰桩和散体材料桩等增强体与天然地基形成复合地基,复合地基与桩形成复合桩基。这类长短桩复合桩基也称为刚柔性桩复合桩基。复合地基中也有长短桩复合地基,杨军龙等通过数值模拟研究了长短桩复合地基中的机理[10],并提出了与之相应的沉降计算模式和计算方法[11]。可以发现,长短桩复合桩基与长短桩复合地基有许多类同之处,特别是刚柔性桩复合地基。
复合桩基的本质与复合地基的本质是一样的,都是考虑桩间土与桩体共同直接承担荷载。同复合地基一样,如果不能保证桩和桩间土能够同时直接承担荷载,复合桩基被视为是偏不安全的。所以在复合桩基理论和实践的发展中,要十分重视形成复合桩基的条件。
目前学术界和工程界对于复合桩基是属于复合地基还是属于桩基础是有争议的。正如前述,浅基础、复合地基与桩基础三者之间并不存在严格的界限,因此笔者认为既可以将复合桩基视作桩基础,也可将其视为复合地基的一种形式。目前最重要的是对复合桩基的本质、形成条件、承载力、变形特性以及其与传统桩基之异同进行研究,为复合桩基之后在工程中的应用奠定坚实的理论基础。

04
桩的植入技术

以往,预制桩一般采用锤击法或静压法在地基中设置。采用锤击法或静压法在地基中设置桩,因存在挤土效应,对环境影响大,而且锤击法噪声大,不适宜在城市中采用。采用锤击法或静压法设置桩还会遇到复杂地层难以穿透的问题。采用钻孔灌注法在地基中设置桩,泥浆排放对环境影响大,而且有时施工质量难以保证。采用植入法在地基中设置桩可以解决采用锤击法和静压法在地基中设置桩可能产生的环境影响问题,也可以解决采用钻孔灌注法在地基中设置桩可能产生的桩施工质量难以保证的问题。近年来,我国引进、发展了多种桩的植入技术。下面简要介绍一种新型的预制桩植入法:静钻根植工法[12]
静钻根植工法主要包括钻孔、桩端扩底、桩端水泥浆注入、桩周水泥浆注入与拔桩、植入预制桩五个施工步骤,如图6所示。图7为静钻根植桩的示意图。
龚晓南院士:地基基础工程若干问题讨论_6
△ 图6 静钻根植工法主要施工流程  

龚晓南院士:地基基础工程若干问题讨论_7
△ 图7 静钻根植桩示意图

静钻根植工法具有经济环保的优点。静钻根植桩中,桩周水泥土应力较小,作为传递荷载的过渡层,能显著改善桩土界面的摩擦性质,使其桩侧摩阻力能达到灌注桩的1.05~1.20倍。同时,桩端水泥土扩大头的存在,能够较大幅度提高桩端承载性能。因此,相比于钻孔灌注桩,静钻根植桩承载性能更好,在同等性能下,静钻根植桩的造价低于钻孔灌注桩。因为不需要或者仅需要少量泥浆护壁,静钻根植工法施工过程中泥浆排放量大幅减少。同时静钻根植桩能减少混凝土用量和施工用水量。静钻根植竹节桩的各项指标均优于钻孔灌注桩,值得推广应用。

05
变形控制设计理论

在建筑基础工程设计中,按变形控制设计通常称为按沉降控制设计。在基坑工程围护结构设计中,按变形控制设计要求在最不利工况下,围护结构不会产生超过变形控制量的变形。总体来说,变形控制设计理论要求将变形控制作为首要设计目标,先满足变形的要求,再对稳定(承载力)进行验算。
发展岩土工程按变形控制的设计理论是工程建设发展的需要,越来越多的工程要求按变形控制设计。按变形控制设计有利于控制工后沉降,有助于控制岩土工程施工对周围环境的影响。发展岩土工程按变形控制的设计理论对岩土工程变形计算理论和方法提出了更高的要求。按沉降控制设计要求提高沉降计算的精度,要求进行优化设计,从而使工程设计更为合理[13]
近年来,岩土工程按变形控制的设计理论和设计计算方法发展较快,并取得了不少进展,但尚未形成系统,缺乏较成熟的岩土工程按变形控制的设计计算方法。后续岩土工程技术人员应重视发展岩土工程按变形控制的设计理论,不断提高岩土工程技术水平。

06
结   语

(1) 在复合地基设计和施工中要重视复合地基的形成条件。如果在荷载作用下,桩体与地基土体不能共同直接承担上部结构传来的荷载,此时地基中设置的桩体与地基土体不能形成复合地基。将不能直接承担荷载的桩间土承载力计算在内,高估了地基承载能力,降低了安全度,可能造成工程事故,应引起设计人员的充分重视。
(2) 复合地基理论和工程应用体系的形成发展了基础工程理论,浅基础、复合地基和桩基础已经成为工程中常用的三种地基基础形式。
(3) 复合桩基不同于传统的桩基础,是桩基础理论和实践的扩展与发展。复合桩基与复合地基两者的本质是一样的,都是考虑桩间土与桩体共同直接承担荷载。同复合地基一样,如果不能保证桩和桩间土能够同时直接承担荷载,而将其视为复合桩基进行设计是偏不安全的。所以在复合桩基理论和实践的发展中,也要十分重视形成复合桩基的条件。
(4) 采用植入法在地基中设置桩可以解决采用锤击法和静压法在地基中设置桩可能产生的环境影响问题,也可以解决采用钻孔灌注法在地基中设置桩可能产生的桩施工质量难以保证的问题。近年来,我国引进、发展了多种桩的植入技术。
(5) 工程建设对变形要求越来越高,应重视发展岩土工程按变形控制的设计理论,不断提高岩土工程技术水平。

参考文献

[1] 龚晓南.广义复合地基理论及工程应用[J].岩土工程学报,2007,29(1):1-13.
[2] 龚晓南.形成竖向增强体复合地基的条件[J].地基处理,1995,6(3):48.
[3] 复合地基技术规范:GB/T 50783—2012 [S].北京:中国计划出版社,2012.
[4] 龚晓南.复合地基理论和技术应用体系形成和发展[J].地基处理,2019,1(1):7-16.
[5] 龚晓南.复合地基理论及其工程应用[M].3版.北京:中国建筑工业出版社,2018.
[6] 管自立.软土地基“疏桩基础”应用实例报告[C]//城市改造中的岩土工程问题学术讨论会文集.杭州,1990.
[7] 黄邵铭,王迪民,裴捷.减小沉降量桩基的设计与初步实践[C]//第六届土力学及基础工程学术会议论文集.上海:同济大学出版社,1991.


来源:建筑结构
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