減沉樁在軟土區(qū)淺地基加固中的分析和設(shè)計

　徐賜敏 趙衛(wèi)華
　　(上海寶冶工程技術(shù)有限公司 上海200941)
　　摘 要：在上海地區(qū)的大批校安抗震加固工程中，有些校舍抗震能力極差，上部采用鋼筋混凝土板墻抗震加固后，傳遞到基礎(chǔ)的荷載增加量已超規(guī)范要求的“不超過原基礎(chǔ)承受荷載的10%”，因此對原基礎(chǔ)以減少沉降而加固的錨桿靜壓短樁，通過ABAQUS有限元對樁的荷載沉降曲線，樁側(cè)摩擦力，樁周孔壓力場，樁端土體應(yīng)力路徑進(jìn)行應(yīng)用分析，再根據(jù)勘察報告提供的側(cè)摩力數(shù)據(jù)，驗算地基設(shè)計中強度安全滿足規(guī)范要求（安全系數(shù)取2.0），同時利用Lee提供的單樁的沉降計算公式預(yù)估了樁的沉降值。分析認(rèn)為：采用短樁進(jìn)行淺基礎(chǔ)加固，讓樁端位于第④層土淤泥質(zhì)粘土，比第⑥層粉砂土，樁端土體更易破壞，從而樁與淺基礎(chǔ)下的土體共同載上部荷載。同時要保證強度驗算要求。這樣做經(jīng)濟又安全。本文對上海梅園小學(xué)教學(xué)樓淺基礎(chǔ)加固，對減沉樁分析和設(shè)計，工程實施后，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)方法是可行的。
　　關(guān)鍵詞：減沉短樁；淺礎(chǔ)加固；有限元分析；錨桿靜壓樁

　　0 引 言
　　在上海地區(qū)的大批校安抗震加固工程中，有些校舍抗震能力極差，上部采用鋼筋混凝土板墻抗震加固后，傳遞到基礎(chǔ)的荷載增加量已超規(guī)范[1]要求的“不超過原基礎(chǔ)承受荷載的10%”，因此對原基礎(chǔ)進(jìn)行加固，以確保校舍安全。為驗證減少沉降設(shè)計的短樁效果。進(jìn)行有關(guān)巖土的數(shù)值分析是必要的。本文以上海市浦東新區(qū)梅園小學(xué)教學(xué)樓為工程實例，以減沉短樁對原淺基礎(chǔ)進(jìn)行加固。樁土荷載分?jǐn)偙扔扇靿|層調(diào)節(jié)，讓樁間土始終與基礎(chǔ)底面接觸，為達(dá)到上述要求，在原基礎(chǔ)下加設(shè)褥墊層[2]，難度較大，采用短混凝土預(yù)制樁，讓樁端位于第④層淤泥質(zhì)土層，這樣上部荷載讓原條基沉降后，樁才受力，樁受力后可往下降，產(chǎn)生向上的摩阻力。同時利用樁將部分荷載向更深土層傳遞，減少加固后建筑物的沉降。如樁的底部位于⑥層粉砂土（較硬土層）時，樁端位于較硬土層，與原建筑物的條形基礎(chǔ)，沉降將難以協(xié)調(diào)。工程實施后，根據(jù)現(xiàn)場沉降觀測的數(shù)據(jù)說明方法是可行的。短樁是與樁端相對到達(dá)較硬土層的樁比要短，該樁端位于軟土層上。
　　為了評價短樁位于軟土層對加固工程中對減少沉降的量上的貢獻(xiàn)，采用ABAQUS進(jìn)行有限元數(shù)值分析，同時結(jié)合現(xiàn)場沉降觀測的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。保證工程的安全。
　　1 樁基承載力理論
　　1.1 方法法，粘土中不排水下的樁
　　極限側(cè)摩阻力:為不排水強度，為經(jīng)驗系數(shù)，API（1984）（American Petroleum Institue）標(biāo)準(zhǔn)中用分段函數(shù)式表達(dá)為

　　極限端阻力：，樁端處土體的排水強度，NC為系數(shù)，根據(jù)Skempton的建議取9.0。
　　1.2 方法2：法基于有效應(yīng)力的分析方法
　　極限側(cè)摩阻力:

　　μ為側(cè)摩擦系數(shù)，為土體有效摩擦角。
　　對于超固結(jié)土，K0 =（1-sin）OCR0.5，OCR為超固結(jié)比。
　　極限端阻力：

　　Janbu（1976）提供的公式

　　?
　　2 工程概況案例
　　上海梅園小學(xué)教學(xué)樓建于1980 年，砌體結(jié)構(gòu)，4 層，面積1570m2,4 層，抗震橫墻很少，豎向承載力不足，加上2011 年時，建筑物東邊有一高層地下室施工，井點降水等原因，第4 層墻體出現(xiàn)寬20mm，長3m 的裂縫，裂縫里外通透，結(jié)構(gòu)采用了140mm 厚鋼筋混凝土板墻加固及梁下增設(shè)截面300x500 鋼筋混凝土柱加固，每個墻（柱）垛新增上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的恒載標(biāo)準(zhǔn)值為：fk= 107.8 kN,活載標(biāo)準(zhǔn)值為： 0kN。設(shè)計為在新加柱下，增設(shè)錨桿靜壓樁一根6 節(jié)，每節(jié)2 米，樁總長12m,樁截面200mmx200mm,樁頂與原淺基礎(chǔ)條基底部用鋼筋混凝土澆為一體。
　　2.1 按中國規(guī)范方法計算：（安全系數(shù)取2.0）
　　根據(jù)樁基規(guī)范[3]和地質(zhì)資料，近似按軸心荷載。

　　2.2 按Randolph 和Wroth(1979)提出的方程經(jīng)Lee(1993)修正和擴展后的方程估算單樁的沉降值[4]：

　　3 基于ABAQUS對該案例樁的有限元計算
　　ABAQUS計算法的步驟見文獻(xiàn)[5]。
　　加載條件，加載過程中，樁周土的孔壓沒有足夠時間消散，屬于不排水條件下短期下的承載力，當(dāng)孔壓消散后，屬于排水條件下的長期承載力。
　　為此本文根據(jù)修正后的劍橋模型理論土體中的不排水剪切強度Cu的分布計算式：
　　模型建立和求解步驟如下：
　　(1) 建立部件；
　　(2) 設(shè)置材料及截面特性，土體有效重度8.1KN/M3，滲透系數(shù)設(shè)為1x10-6；
　　(3) 裝配部件；
　　(4) 定義分析步；
　　(5) 定義接觸面，摩擦特性選Penalty,摩擦系數(shù)取0.41；
　　(6) 定義荷載、邊界條件；
　　(7) 劃分網(wǎng)格；
　　(8) 修改模型輸入文件，設(shè)置初始應(yīng)力和孔隙比；
　　(9) 提交任務(wù)，創(chuàng)建計算任務(wù)；
　　(10) 在Visualization模塊[6]中，可得載荷沉降曲線，樁周摩阻力，土體孔壓場，應(yīng)力路徑；
　　從樁周摩阻力，載荷沉降曲線中，類似樁端摩阻力最大值有逐漸上移的特點，這是因為樁端以下的破壞區(qū)土體向上滑動變形，類似于Terzaghi(1943)[7]理論中淺基礎(chǔ)地基整體剪切破壞時，基礎(chǔ)兩側(cè)的土體明顯隆起變形一樣。

　　4 結(jié) 語
　　(1) 在上海地區(qū)的大批校安抗震加固工程中，有些校舍抗震能力極差，上部采用鋼筋混凝土板墻抗震加固后，傳遞到基礎(chǔ)的荷載增加量已超規(guī)范要求的“不超過原基礎(chǔ)承受荷載的10%”，因此對設(shè)計原基礎(chǔ)以減少沉降而加固的錨桿靜壓短樁。
　　(2)分析認(rèn)為：采用短樁進(jìn)行淺基礎(chǔ)加固，讓樁端位于第④層土淤泥質(zhì)粘土，比第⑥層粉砂土，樁端土體更易破壞，從而樁與淺基礎(chǔ)下的土體共同載上部荷載。同時要保證強度驗算要求。這樣做經(jīng)濟又安全。
　　(3) 通過ABAQUS有限元對樁的荷載沉降曲線，樁側(cè)摩擦力，樁周孔壓力場，樁端土體應(yīng)力路徑進(jìn)行應(yīng)用分析，再根據(jù)勘察報告提供的側(cè)摩力數(shù)據(jù)，驗算地基設(shè)計中強度安全滿足規(guī)范要求（安全系數(shù)取2.0），同時利用Lee提供的單樁的沉降計算公式預(yù)估了樁的沉降值。
　　本文對上海梅園小學(xué)教學(xué)樓淺基礎(chǔ)加固，對減沉樁分析和設(shè)計，工程實施后，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)方法是可行的。
　　短樁相對淺基寬度而言，能把部分荷載導(dǎo)入到更深的土體中，對淺基礎(chǔ)的減沉效應(yīng)是明顯的，為今后的工程中設(shè)計提供了一種新的方法。
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