減沉樁在軟土區淺地基加固中的分析和設計

　徐賜敏 趙衛華
　　(上海寶冶工程技術有限公司 上海200941)
　　摘 要：在上海地區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，傳遞到基礎的荷載增加量已超規范要求的“不超過原基礎承受荷載的10%”，因此對原基礎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，樁側摩擦力，樁周孔壓力場，樁端土體應力路徑進行應用分析，再根據勘察報告提供的側摩力數據，驗算地基設計中強度安全滿足規范要求（安全系數取2.0），同時利用Lee提供的單樁的沉降計算公式預估了樁的沉降值。分析認為：采用短樁進行淺基礎加固，讓樁端位于第④層土淤泥質粘土，比第⑥層粉砂土，樁端土體更易破壞，從而樁與淺基礎下的土體共同載上部荷載。同時要保證強度驗算要求。這樣做經濟又安全。本文對上海梅園小學教學樓淺基礎加固，對減沉樁分析和設計，工程實施后，根據檢測數據方法是可行的。
　　關鍵詞：減沉短樁；淺礎加固；有限元分析；錨桿靜壓樁

　　0 引 言
　　在上海地區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，傳遞到基礎的荷載增加量已超規范[1]要求的“不超過原基礎承受荷載的10%”，因此對原基礎進行加固，以確保校舍安全。為驗證減少沉降設計的短樁效果。進行有關巖土的數值分析是必要的。本文以上海市浦東新區梅園小學教學樓為工程實例，以減沉短樁對原淺基礎進行加固。樁土荷載分攤比由褥墊層調節，讓樁間土始終與基礎底面接觸，為達到上述要求，在原基礎下加設褥墊層[2]，難度較大，采用短混凝土預制樁，讓樁端位于第④層淤泥質土層，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，沉降將難以協調。工程實施后，根據現場沉降觀測的數據說明方法是可行的。短樁是與樁端相對到達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，采用ABAQUS進行有限元數值分析，同時結合現場沉降觀測的沉降數據進行對比。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
　　極限側摩阻力:為不排水強度，為經驗系數，API（1984）（American Petroleum Institue）標準中用分段函數式表達為

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

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

　　Janbu（1976）提供的公式

　　?
　　2 工程概況案例
　　上海梅園小學教學樓建于1980 年，砌體結構，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 層墻體出現寬20mm，長3m 的裂縫，裂縫里外通透，結構采用了140mm 厚鋼筋混凝土板墻加固及梁下增設截面300x500 鋼筋混凝土柱加固，每個墻（柱）垛新增上部結構傳遞下來的恒載標準值為：fk= 107.8 kN,活載標準值為： 0kN。設計為在新加柱下，增設錨桿靜壓樁一根6 節，每節2 米，樁總長12m,樁截面200mmx200mm,樁頂與原淺基礎條基底部用鋼筋混凝土澆為一體。
　　2.1 按中國規范方法計算：（安全系數取2.0）
　　根據樁基規范[3]和地質資料，近似按軸心荷載。

　　2.2 按Randolph 和Wroth(1979)提出的方程經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[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，當孔壓消散后，屬于排水條件下的長期承載力。
　　為此本文根據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) 設置材料及截面特性，土體有效重度8.1KN/M3，滲透系數設為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,摩擦系數取0.41；
　　(6) 定義荷載、邊界條件；
　　(7) 劃分網格；
　　(8) 修改模型輸入文件，設置初始應力和孔隙比；
　　(9) 提交任務，創建計算任務；
　　(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土體向上滑動變形，類似于Terzaghi(1943)[7]理論中淺基礎地基整體剪切破壞時，基礎兩側的土體明顯隆起變形一樣。

　　4 結 語
　　(1) 在上海地區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，傳遞到基礎的荷載增加量已超規范要求的“不超過原基礎承受荷載的10%”，因此對設計原基礎以減少沉降而加固的錨桿靜壓短樁。
　　(2)分析認為：采用短樁進行淺基礎加固，讓樁端位于第④層土淤泥質粘土，比第⑥層粉砂土，樁端土體更易破壞，從而樁與淺基礎下的土體共同載上部荷載。同時要保證強度驗算要求。這樣做經濟又安全。
　　(3) 通過ABAQUS有限元對樁的荷載沉降曲線，樁側摩擦力，樁周孔壓力場，樁端土體應力路徑進行應用分析，再根據勘察報告提供的側摩力數據，驗算地基設計中強度安全滿足規范要求（安全系數取2.0），同時利用Lee提供的單樁的沉降計算公式預估了樁的沉降值。
　　本文對上海梅園小學教學樓淺基礎加固，對減沉樁分析和設計，工程實施后，根據檢測數據方法是可行的。
　　短樁相對淺基寬度而言，能把部分荷載導入到更深的土體中，對淺基礎的減沉效應是明顯的，為今后的工程中設計提供了一種新的方法。
　　參考文獻
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