软基中木桩复合地基的分析与设计.pdf
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第22卷第9期岩石力学与工程学报22(9):
156015652003年9月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringSep.,20032002年5月8日收到初稿,2002年7月11日收到修改稿。
作者杨挺简介:
男,1956年生,现为同济大学地下建筑与工程系博士研究生、南京市市政设计研究院高级工程师,主要从事工业与民用建筑、桥隧与地下工程结构、地基及基础方面的设计和研究工作。
软基中木桩复合地基的分析与设计软基中木桩复合地基的分析与设计杨挺1,2周健1周晨2(1同济大学地下建筑与工程系上海200092)(2南京市市政设计研究院南京210008)摘要摘要结合南京市内秦淮河三期综合整治污水截流沟地基处理设计与施工,采用木桩复合地基处理技术,安全、经济、高效地解决了古河道内高压缩性软土地基上的构筑物结构设计难题。
就木桩复合地基的竖向和水平抗滑承载力、沉降及有关施工问题作了较详细的分析与设计。
关键词关键词土力学,截流沟,软土地基,木桩复合地基,分析与设计,施工质量分类号分类号TU473文献标识码文献标识码A文章编号文章编号1000-6915(2003)09-1560-06ANALYSISANDDESIGNOFTIMBER-PILECOMPOSITEFOUNDATIONONSOFTSOILSYangTing1,2,ZhouJian1,ZhouChen2(1DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092China)(2NanjingMunicipalDesignandResearchInstitute,Nanjing210008China)AbstractIndesignandconstructionworksofsoftfoundationtreatmentfortheinterceptingditchofsewageinthethird-stageregulationworksoftheNanjingInnerQinhuaiRiver,thetechniqueoftimber-pilecompositefoundationissuccessfullyusedtosolvetheproblemofbuildingspecialstructureonsoftsoilswithhighcoefficientofcompressibilityinancientriverbed.Thistechniqueisprovedtobereliable,economicalandefficient.Theproblemsofconstruction,bearingcapacityinverticalandhorizontaldirectionsandsettlementoftimber-pilecompositefoundationareanalyzedandsolved.Keywordssoilmechanics,interceptingditchofsewage,softsoilsfoundation,timber-pilecompositefounda-tion,analysisanddesign,constructionquality1前前言言20世纪80年代以来,随着多、高层建筑的兴起,钢筋混凝土结构和钢结构以其材料结构的特性,在工程建设中得到广泛应用;因此,现代建(构)筑物的木结构愈来愈少,木桩基础几乎不用。
然而,不能就此认为,木桩地基处理已退出了工程界,相反,在某些特定的条件下,木桩复合地基仍有其特效的应用性。
在南京市内秦淮河三期综合整治污水截流沟的软土地基及基础设计中,笔者采用了木桩复合地基处理技术,安全、经济、高效地解决了古河道内高压缩性软土地基上的构筑物结构设计难题。
该工程实例在国内现代给排水结构设计中尚属首次,且国家目前尚无设计规范。
本文就木桩复合地基的竖向和水平抗滑承载力、沉降计算及有关施工方法作了较详细的分析与设计。
2工程概述工程概述南京市内秦淮河三期综合整治截流沟工程始于第22卷第9期杨挺等.软基中木桩复合地基的分析与设计15611999年9月,2000年2月完成。
实施范围主要路段为珍珠河(五庙闸至浮桥)、北段(浮桥至竺桥)、东段(竺桥至大中桥),全长4.75km,河面宽1245m。
综合治理包括截污、清淤、护砌、补水及河边景观5大工程,本文重点论述截污工程。
经工艺和结构多方案比选,最终确定沿河一侧和两侧设置污水截流沟,各段截流沟顶、底标高及断面尺寸详见图1。
3工程地质条件工程地质条件十里秦淮的历史可以追溯到我国六朝时期,秦淮河在历史上曾经历了多次的变迁,所以,其沿线的地质条件十分复杂。
现将内秦淮河(五庙闸大中桥)勘察情况综述如下。
3.1河道沿线土层分布河道沿线土层分布河道两侧勘探点标高:
市政府浮桥段为7.88.2m;浮桥大中桥为7.208.9m。
勘探深度为标高以下615m,其深度范围内土层分布见表1。
3.2各土层的主要参数各土层的主要参数根据勘察报告的结果,各土层物理力学指标及地基承载力标准值fk,见表2。
3.3结构地基的土层特征结构地基的土层特征单位:
标高:
m;其余:
mm。
图1各段截流沟标高及断面尺寸Fig.1Thesectionsofeveryinterceptingditchofsewage表表1土层分布土层分布Table1Soilsdistribution层号土名埋深/m层厚/m土体描述-1杂填土0.64.0灰色,松散,以碎石、瓦块为主-2素填土0.63.50.52.8灰色灰黄色,软流塑,夹碎砖瓦-1淤泥质粉质粘土2.510.40.9未穿灰色,流塑-2粉土1.83.51.7未穿灰色灰黄色,流塑-3粉细砂3.55.8未穿灰色,稍密东段桩号0-19.50-32木桩150012003503007.50380035012001700046507.50(a)桩号0+3650+704东段大中桥竺桥桩号0-320+365木桩9.504000120028001200300300200035203400370035207.503.984.103.803.986.00(b),(c)4600430025004.174.214.104.1740002000120012003003009.507.50木桩6.00334029604.164.5420004.234.383800东段大中桥竺桥桩号0+7041+515(d)40001000160012003003009.507.504.504.484.384.40200030003020312031004.434.504.384.4332002600木桩桩号1+8132+123东段大中桥竺桥桩号0+5421+813(e),(f)6.001000北段竺桥浮桥桩号0+0.000+994215010002755002503508.507.504.895.41261020904.505.001000(g)木桩600珍珠河段浮桥武庙闸桩号0+0630+9602400木桩3502508006.001000247020205.535.98(h)8.009.001562岩石力学与工程学报2003年表表2土层主要参数土层主要参数Table2Majorparametersofsoils层号w/%/kNm3eIpILEs12/MPac/kPa/()fk/kPaqsi/kPa-225301919.80.90130.70.855620152070908-1374018.01.01.112151.21.433.511141215759-2394217.81.11.291.41.66.58.5723288010011从截流沟全线地基所在土层特征来看,五庙闸逸仙桥段结构位于古河道漫滩上;逸仙桥复成桥段结构位于古河道冲淤积河漫滩上;复成桥大中桥段结构位于古河道冲洪积埋藏阶地与冲淤积之河漫滩上。
截流沟基础下部地基均为流塑状淤泥质粉质粘土。
4结构地基处理方案的选择结构地基处理方案的选择根据结构荷载计算出地基应力设计值p=90kPa,而基础落在-1层上,地基承载力的设计值f=1.1fk=82.5kPa,地基承载力不足,且变形过大,不能满足结构和使用要求,故地基应进行处理。
笔者对多种地基处理设计方案作了认真优化比选,方案有:
换填法;预制方桩;沉管灌注桩;深层搅拌法;钻孔灌注桩;木桩复合地基。
最终择优选择了方案,详见图1,2。
其理由是:
单位:
mm图2木桩设计Fig.2Designoftimber-pile
(1)安全可靠。
秦淮河上的几座古桥地基都采用了木桩处理;南京明代古城墙的地基也是采用了木桩处理。
这些木桩基础历经几百年,上部结构安然无恙,从工程类比法上定性分析,足见其安全可靠,能够满足地基承载力、沉降和抗滑要求。
(2)施工简便。
木桩施工可采用人工或半机械化即可完成,适合在狭长地段施工,相对方案施工操作简便,可全线开打。
(3)方法实用。
采用木桩一方面起着加固软土地基的作用,另一方面还可在结构底板两侧分别打12排木护桩,可以起着在施工期间防止原有护砌挡墙的滑移、挡水土堰的侧向加固及对木桩地基侧向保护的三重作用。
(4)满足工期。
采用木桩复合地基,无需混凝土或水泥的龄期要求,木桩施工完毕,即可做垫层和基础,为工程抢得至少30d以上的时间。
(5)造价较低。
如图1,2所示,经计算,方案木桩地基平均造价为6442元/延米,分别是方案地基处理总费用的78.8%,83.6%,73.4%,87.7%,61.3%,节省地基处理总造价达429.41930万元。
可见,木桩复合地基的经济合理性是非常明显的。
5木桩复合地基的内力分析与设计木桩复合地基的内力分析与设计5.1木桩复合地基承载力的确定木桩复合地基承载力的确定木桩复合地基设计,首先遇到的是承载力的确定。
由于采用木桩进行地基处理,目前,国家尚无设计规范可循,故在设计中,笔者按照两种方法进行计算。
木桩平剖面布置如图2所示。
(1)计算方法一。
木桩复合地基参照深层搅拌法进行计算1:
kspkksp)1(,fmARmf+=
(1)式中:
ksp,f为复合地基的承载力标准值(kPa);m为面积置换率;pA为桩的截面积(m2);ks,f为桩间天然地基土承载力标准值(kPa);为桩间土承载力折减系数,当桩端土为软土时,可取0.51.0,本工程取0.6;kR为单桩竖向承载力标准值(kN)。
为偏于安全,木桩单桩竖向承载力标准值不计端阻力值,则有24=iilquRspk
(2)式中:
pu为桩截面周长(m),iqs为桩周第i层土的侧阻力标准值(kPa),il为按土层划分的各段桩长(m)。
根据图2所示,已知木桩直径d=140mm,桩(a)平面图块石挤密木桩梢径(b)剖面图截流沟底板宽度C10混凝土垫层6006006004000500100第22卷第9期杨挺等.软基中木桩复合地基的分析与设计1563距600mm,桩长l=4.0m,iqs=9kPa,ks,f=75kPa。
则按式
(2)得=kR15.83kN现将各段ksp,f值计算如下:
在图1(b)情况下,每排桩的置换率mb为mb=3.1441(0.14)27/(4.60.6)=3.9%+=2)140(78508315%93bksp.f,=75)%931(600.83.37kPa则复合地基承载力设计值为f=1.1bksp,f=91.71kPap=90kPa以此类推,图1(c)(h)情况下均有f=92.79107.29kPa,可见,满足设计要求。
(2)计算方法二。
此法是按木桩处理前后的孔隙比e的大小变化进行计算4。
根据图3进行分析:
假定木桩处理前后土体的总体积不变,即木桩取代了木桩所占土中水、气的体积(即占土中孔隙体积VV),则木桩处理前土体中VV=0e,V=01e+;木桩处理后木桩的孔隙体积VV=ee0,V=01e+;若将土体的孔隙比由0e=1.1提高到0e=1.0,计算木桩间距S值,则有00V1eeeVV+=(3)亦即有00221)4/1(eeelSld+=解此方程得=+=eeedS0010.8860.11.11.110.140.866+0.556m取S=600mm。
图3土的三相物理指标Fig.3Three-phasephysicalcharacteristicsofsoillayersforcomputing根据文2附表5-3,并结合南京工程地质软土地基处理经验,孔隙比由0e=1.1提高到0e=1.0,其复合地基的承载力标准值可提高15kPa,故取木桩间距S=600mm时,复合地基的fsp,k=75+15=90kPa,复合地基承载力设计值f=1.1fsp,k=99kPap=90kPa,满足截流沟的设计要求。
5.2木桩复合地基的沉降计算木桩复合地基的沉降计算木桩复合地基的沉降计算,目前尚无明确的计算公式,笔者在设计中将地基处理前后的沉降计算进行分析比较,得出了木桩复合地基的最终沉降量。
(1)未打木桩时地基沉降计算。
因限于篇幅,只做地基中点沉降量的计算。
取截流沟平均宽4m,长40m,基础底面处附加压力0p=40kPa,土的压缩模量Es=3.5MPa,按文2附表5.2-5得沉降计算经验系数s=1.0。
将基础分为4块,其中,中点O最终沉降量按文2式(5.2.5)分层总和法计算,即)(111s0ss=iiiiniiazazEpSS(4)nS=niiS1025.0(5)已知中点O的沉降设计参数为:
l=20m,b=4/2=2m,l/b=20/2=10;当深度为z时,可查文2附录和附表10-2。
深度04m时的沉降为=m90036.04)08201.04(5003400.11S36.90mm;深度48m时的沉降为2S=18.54mm;深度811m时的沉降为3S=8.87mm;深度011m时的沉降为321SSS+=64.3mm;深度1111.6m时的沉降为mm61.1025.0mm44.114=niiSS;故地基最终沉降量S=64.3mm。
(2)木桩复合地基沉降计算。
木桩复合地基改变了土的孔隙比e值,同时,也提高了土的压缩模量Es值。
根据复合地基变形协调的原则,木桩复合地基的最终沉降量由复合层的沉降变形S1和下卧层的沉降变形S2组成。
沉降计算公式为57(a)打桩前土粒水气(b)打桩后水木桩气土粒VV=e0Vs=1V=1+e0V=1+eV=1+e0Vs=Vs=1VV=ee0e1564岩石力学与工程学报2003年S=S1+S2(6)S1=)(111sp01=iiiiniazazEp(7)S2=)(111s0s21+=iiiinniiazazEp(8)spE=miEp+(1m)iEs(9)式中:
Esp为复合地基压缩模量,Epi为木桩压缩模量。
关于木桩的Epi的取值,因没有这方面的试验资料及计算公式,笔者参照文1的条文说明第9.2.5条中搅拌桩的压缩模量Ep=(100120)fcu,k公式,其中,fcu,k为水泥桩抗压强度标准值,根据经验推算,取木桩Epi=100fc,其中,fc为木桩顺纹抗压强度设计值8,fc=10MPa,则Epi=1.0103MPa。
Esp=4%1.0103+(14%)3.5=43.36MPa深度04m时的沉降为4)08201.04(360434011=SS=m1098.232.98mm;深度48m时的沉降为2S=18.54mm;深度811m时的沉降为3S=8.87mm;深度1115m时的沉降为4S=8.58mm;4322SSSS+=35.99mm;深度015m时的沉降为S=S1+S2=38.97mm;深度1515.6m时的沉降为5S=0.99mm0.025(S1+S2)0.99mm。
故木桩复合地基最终沉降量S=38.97mm。
5.3木桩复合地基水平抗滑承载力的分析木桩复合地基水平抗滑承载力的分析由图1所示,截流沟基础最低底面标高低于驳岸护砌底标高100cm,故木桩还承受护砌产生的水平推力。
通过分析,木桩基础最不利的水平推力有两种工况:
第一种是在施工期,临河一侧无河水压力,临护砌一侧有土压力的工况;第二种是截流沟在检修期,沟中无污水,沟两侧面有水压力和土压力,竖向有地下水浮托力的工况。
第一种工况可采取木桩支护措施解决,详见图4。
本文重点分析第二种工况下木桩抗水平滑移的能力。
现取图1(b)为例分析,分析简图如图5所示。
(1)已知条件。
由于截流沟两侧均有水压力,故抵消,只考虑土压力,由于二台挡墙基底压力扩图4基坑木桩支护图Fig.4Timber-pilesupportforfoundationpit图5抗滑分析简图Fig.5Diagramofstabilityanalysis散角30,且距离一台水平距离4m,故对一台沟背被动土压力不产生附加压力。
因此,按荷载最不利情况下扣除沟前土被动土压力,实际净土压力P1=EaEp=30.75kN/m,沟自重W=240kN/m,浮力重F=124kN/m,实际沟净自重W1=116kN/m。
(2)抗滑系数选取。
按照m法计算木桩的单桩水平承载力,以变形10mm控制单桩水平力设计值约为1.2kN。
根据文9,把木桩作为风缆地锚时,其水平承载力达到10kN以上,说明木桩的抗水平变形能力具有较高的安全贮备。
所以,在截流沟的水平抗滑设计中,参照文2表6.4.8-2规定,土的摩擦系数1=0.20;把木桩及齿坎等抗滑措施综合考虑并根据经验,确定木桩抗滑摩擦系数2=0.35。
(3)抗滑安全系数K按1m宽计算。
当无木桩时,K=W11/P1=1160.20/30.75=0.751.3,不满足。
当有木桩时,K=W11/P1=1160.35/30.75=1.321.3,满足。
6施工中的质量控制施工中的质量控制木桩复合地基在施工中的主要问题就是基坑排水措施、木桩的选择和施工质量的控制。
底板宽度围堰原护坡木桩4000mm7.50m墙前土压力Ep=1.25kN/m自重W=240kN/m浮力F=124kN/m6.80m3700mm墙后土压力Ea=32kN/m4600mm第22卷第9期杨挺等.软基中木桩复合地基的分析与设计15656.1施工排水措施质量控制施工排水措施质量控制本段截流沟沿河内两侧和一侧(仅南珍珠桥浮桥)设置,因具体情况不同,施工中的排水措施主要有以下3种:
(1)渡槽排水法。
该法用于北段(浮桥竺桥)、珍珠河段(南珍珠桥浮桥),具体做法是在河内打50密排钢管作为支承结构体系,用钢管脚手架搭建平台,铺木板后盖PVC双层彩条布,成为一条架空的渡槽河。
(2)干塘法。
该法用于珍珠河段(五庙闸南珍珠桥),该段河面窄,采用抽干河水,局部导流排水措施。
(3)围堰排水法。
该法用于东段全部,具体是在河道两侧截流沟临水面分别设一道纵向围堰,每隔50m设横向围堰,把基坑分为多个分离的仓格。
对于围堰坝体的做法,采用了较为实用的草包围堰加木桩加固法。
在基坑地基施工期,采用潜水泵将基坑内积水抽到围堰内或渡槽里,降低水位,满足施工要求。
6.2木桩材料的选择木桩材料的选择经设计单位与建设单位综合比较,确定采用杉木为木桩材料,杉木具有直径变化小,直度好,材质较硬,耐腐蚀性能高和价格适中等优点。
6.3木桩施工质量的控制木桩施工质量的控制
(1)为了确保木桩施工质量,设计、建设和施工单位在施工中,结合试验段摸索出几种实用的施工方法。
人工打入法;40kg自制落锤法;日本产8t振动器法。
经过反复试验并结合人工打入对比,对自制落锤及振动器法提出了不同的施工技术控制参数,确保了木桩的施工质量,工期与造价因而得到有效的控制。
(2)木桩打入淤泥质粉质粘土层中4m长,其桩上部铺块石500mm厚,且木桩头嵌入混凝土垫层中,确保木桩复合地基与钢筋混凝土基础有效共同作用。
此法在截流沟通过一座古桥天津桥时,触及到古桥部分基础,天津桥的基础石板底下是木排桩,桩头采用方木连接,中间填碎石糯米石灰,桥下木桩至今保存较好。
其处理软土地基的方法也给工程提供了一个极好的例证。
7结结语语内秦淮河三期综合整治工程中的截流沟工程于2000年2月竣工,运行两年多以来,使用情况良好。
经观测,在荷载最不利条件下,截流沟最大水平位移在10mm以内,最大沉降在20mm以内。
从木桩复合地基处理方法的成功经验得到几点启示:
(1)木桩复合地基不仅能提高软土地基的承载力,且其刚度相对于钢筋混凝土桩或深层搅拌法的复合地基刚度具有更好的变形协调性,减少了地基的不均匀沉降。
(2)木桩具有良好的韧性,能有效地提高结构地基抗水平滑移的能力;而作为施工期间复合地基两侧的支护桩,它又具有约束复合地基横向变形及抵抗护砌背后土的水平推力的双重能力。
(3)木桩复合地基与上部结构能有效地形成共同作用体,有利于提高地基的抗震能力。
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