岩土工程中部分桩筏基础的设计

岩土工程中局部桩筏基础的设计

摘要：本文描述了在加拿大的多伦多地区在复杂的岩土工程条件下的局部桩筏基础（PPRF）的设计。PPRF是根据侧向土压力，不均匀分布的建筑荷载和地基不均匀承载力来设计的。该桩主要布置在地基沉陷教的地区。也就是在筏板基础承受较大压力而土体承载力较低的西北部地区。为了保持PPRF的完整性，一个统一的单位标准被应用于桩筏设计。整体的稳定，包括滑动和倾覆也是PPRF设计的一部分。同时，也使用了计算机软件分析。

高园项目是位于加拿大多伦多的一个中密度公寓建设项目。其海拔变化从101.6到102.1米。沿着BloorStreet West/Ellis 公园道大约在其东南方11米，详见图1.

在整个建筑物下面建了三层车库。在西北部边缘下挖11m在东南边界挖了大概1m。虽然沿着Bloor Street West and Ellis Park Road没有安装永久锚杆。

沿着北部和西部的边界的地下室墙壁受到140.4KPa的土压力。

地质条件

在实地4个钻井中，最大深度为37.4米。土壤样本检测方法采用标准贯入度。在实验室内进一步检测和表征土壤样本。

工程土壤条件概括如下：在北部14米到14.2米和南部的1.7米到7米处被深棕色粉质砂土和砂质粉土填充。灰色粉砂质粘土扩展至深处14.6到30.0米，非常坚硬。在深21.9米到32.9米处富集紧密的砂纸淤泥。在深22.6到34.3米处风化页岩的顶端存在一层坚硬的灰色潮湿的粘土质粉砂层。详见图 2.乔治

亚湾的灰页岩，石灰岩在钻井深度扩展延伸范围的探索结果。

在已经完成的开放的钻井处出现地下水时要被监测。从地表到地下水的深度为10到18.3米。

局部桩筏基础

基于现存地质条件，局部桩筏基础只在未收到扰动的残积土和工程填土中使用，并按容许承载力250KPa设计。该桩基的使用，可以在保证基础安全的情况下减少筏板基础使用面积并减低成本。

筏板基础厚度取决于原状天然砂和少灰混凝土在换填的过程中对一个地域的扰动程度。筏板的底面高程变化从东部的87.90米到西部的92.00米，并通过一系列步骤来完成沿筏板长度和宽度的高程变化。

计算筏板基础压力公式如下：

∑P是垂直荷载组合的总和；A是筏板面积；Mx和My分别是沿X轴和Y轴的弯矩；Ix和Iy是X轴和Y轴的惯性矩。定义建筑物的总荷载是P，固定荷载，活荷载和侧向土压力的六种荷载组合形式也都被分析。

筏板基础的沉降值按照砂土层和粘性土层分别的弹性沉降和固结沉降值之和。

Z1和Z2分别是砂土层和粘性土层的厚度；E 和mv 分别是杨氏模量和体积压缩系数； σs 和σc 为作用于砂土和粘土质土层的压应力。对筏板基础进行应力和沉降分析时大概分成80个节点。没有堆积荷载，在西北角筏板基础的沉降计算是最高的——大概94.7mm 在超过20年的时间里。这是因为该点所受的压力在整个基础中最大，大概391KPa 。

按照比较基础压力，计算的地基沉降量和土层承载标准来布置桩并不超预期的总沉降值。地基在施工完成后20年的时间内可允许沉降25mm 。

然后我们按照25mm 的总沉降限制重新计算筏板基础的底部压力。当比较土层所受压力σ和所需的抵抗力σo ，则Δσ = σ – σo 的差值Δσ由桩筏承受。Δσ > 0的区域为需要布置桩筏区域。总设计荷载Q 将由桩和筏板共同承担及Q = Qo + QP 。

所需的桩的数量n 由桩所承受的总的荷载Qp 决定。每根单桩承载力为QH ，则有n = QP / QH 。

这里必须指出的是设计的桩与筏板可承受的沉降值相等。单桩极限承载力R 设计按如下公式：

sh σ为沿着桩轴线的剪应力；t σ和At 为桩刃脚的承载力和面积。Wp 为桩的重量。

土工参数

筏板基础的土工参数设计依据基础反作用力，杨氏模量和固结沉降系数。地基反力系数是土层压力和挠曲的概念联系。同时考虑到粘性土的固结变形，地基反力系数ks被定义为：ks =σ / ΔS。且有：

ksE为地基反力弹性系数。杨氏模量E标准贯入试验(SPT)的次数N的函数随土壤类型和土壤结构改变。相同类型的土壤，杨氏模量总是尾随SPT的N值改变。冰碛物在GTA的SPT数据的经验方程和相关性如图3所示。

固结沉降系数mv为土体体积压缩量，计算公式如下：

eo 和e1分别为固结前后孔隙比；σ0’ 和σ1’为固结前后土层应力。假设mv 和Δσ’= σ1’ - σ0’不随深度改变，则固结沉降可以计算为：sc = mv Δσ’H，与单位mv压力(m2 / MN)相反。

基础设计

结构工程师们密切合作对基础进行详细设计。根据初步设计结果，共需要30根H型桩布置在西北部用于减小沉降。它们共同承受30000KN荷载，每根桩承受1000KN的荷载。该设计的重点是基础总的沉降量在20到25mm之间，沉降差不超过5到10mm。大概60%到80%的沉降量会在两年内沉降完毕。专门有一款软件为混凝土筏板系统开发，并应用于PPRF设计。纵向和横向荷载分析结果被应用于SAFE模型输入。建筑基础和剪力墙也被纳入安全分析范围。

深基坑

因为在所有可能出现过度沉降的区域布置了桩，PPRF关于沉降部分的设计也多种多样，随着荷载在桩筏基础的分布不同，因此基础的模量也必须不同。

地基反力模型通过不同的基础压力和沉降值来建立。为了确定筏板基础不同位置地基模型的合适的量级，需要结构工程师和岩土工程师的紧密合作。

结构工程师通过控制SAFE模型来用计算机软件分析承压应力分布情况。基础最初的反力系数ks由岩土工程师根据土壤的条件按下式给出：

Ks为在整个基础尺寸上的地基反力系数，K1从0.3x0.3m尺寸的平板载荷试验得到；m为在硬粘土或中砂上的矩形基础的长宽比。

使用计算承压应力时，计算土层的沉降不考虑筏板基础刚度。随后，通过FEM计算的基础压力和筏板沉降量来更新基础反力。

通过使用更新的地基反力系数来就计算每个节点，重新修订过的承压应力重新分布。值得注意的是在修正分析过程中，地基反力系数变化是在筏板基础内部，并与桩的作用耦合，详见图4。