某商业广场加固方案的分析

2022-10-11

高层建筑基础工程对整个建筑物的安全和寿命有举足轻重的影响, 其造价和工期分别约占建筑物土建总造价和总工期的20%~30%和30%~40%, 其重要性自不待言。国内外已不乏高层建筑因其基础处理不当, 而造成整个建筑物突然倾覆的实例, 对于这种情况, 我们要及时采取加固避免事故发生, 当桩基础下天然地基承载力或沉降变形不能满足设计要求时, 可采用桩加筏形基础, 形成桩筏基础, 桩筏基础以其明显的优点被广泛用作高层建筑的基础结构。以下我们提出的分析过程, 是桩基础更改为桩筏基础是否满足设计要求。

1 工程概况

某市中心商业广场由三层地下室和四栋1 6层商住楼组成, 建筑占地面积约6500m2。基础原设计采用人工挖孔混凝土灌注桩基础, 设计持力层为强风化、中风化或微风化花岗岩。目前基础已施工完毕, 地下室采用逆作法施工完负一层和负二层, 负三层正在采用逆作法施工。根据目前的超前钻资料及人工挖孔桩的施工完成情况, 由于部分桩底未达到设计持力层或部分桩未达到设计桩长, 这些桩是否安全?若不安全, 在保证基础安全和节省工期的情况下应采用何种加固措施?

2 桩基安全性分析

2.1 地质条件

根据提供的详细勘察阶段岩土工程勘察报告及其它地质资料, 地层自上而下分别为人工填土层、冲积砂层、冲积-洪积土层、残积层及白垩系上统基岩。场区内地下水类型为潜水类型。水力特点为无压或局部低压, 主要受大气降水影响变化明显。淤泥质土层为持水层, 细砂层为第四系孔隙含水层中主要含水层 (含水, 且强透水) , 但该层局部地段揭露。基岩裂隙水主要分布在岩石强风化带和岩石中风化带, 泥质砂岩区域裂隙水的赋存和运动条件较差, 其富水性不大, 中风化砾岩由于风化裂隙很发育, 其富水性较大。

2.2 对原设计挖孔桩的受力复核

桩身强度计算:根据各桩施工资料及桩的具体受荷情况, 对各桩的桩身强度、承载力及沉降分别计算如下。

由Ra=αfcApo≥Qk (α为桩身混凝土强度不均匀折减α=0.7) , 根据这得相同桩径桩身强度。

单桩承载力及沉降计算:

计算公式:

单桩承载力计算公式:

人工挖孔桩单桩承载力, 按桩侧及桩端土的计算可按下式 (DBJ15-31-2003 10.2.3) 计算:

(1) 土层中计算公式:Ra=u∑qsiali+qpaAp

式中:u为桩身截面周长;qsi、qp为桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值;li为第i层土的厚度;Ap为桩身截面面积。

(2) 岩层中计算公式:Ra=Rsa+Rra+Rpa;Rsa=u∑qsiali;Rra=upC2frshr;Rpa=C1frpAp

式中:Rsa为桩侧土总摩阻力特征值;Rra为桩侧岩总摩阻力特征值;Rpa为持力岩层总端阻力特征值;up为桩嵌岩段截面周长;hr为嵌岩深度, 当岩面倾斜时以低点起计;Ap为桩截面面积, 对扩底桩取扩大头直径计算桩截面面积;frs、frp分别为桩侧岩层和桩端岩层的岩样天然湿度单轴抗压强度;C1、C2系数, 根据持力层基岩完整程度及沉渣厚度等因素而定。取C1为0.4, C2为0.5。

沉降计算:

桩顶沉降按:S=S1+S2计算。式中:S1为桩身的压缩变形量;S2为桩底岩土的沉降量;

桩身压缩变形量:

按《建筑地基基础设计规范》 (DBJ15-31-2003 10.2.12) 所示方法, 计算地基沉降量公式为:

式中:Nk为桩顶压力标准值;Rvk为桩底反力;Ap为桩身截面积;l为桩身长度;Ec为桩身材料的弹性模量, 非预应力桩可取混凝土弹性模量的0.85倍;

桩底岩土沉降量:

按《建筑地基基础设计规范》 (DBJ15-31-2003 10.2.13) 所示方法, 计算地基沉降公式:

式中:S为地基沉降量 (mm) ;n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数;p0为基础底面附加压力 (kPa) ;Esi第i分层土的压缩模量 (MPa) ;Zi、Zi-1为基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离 (m) ;αi, αi-1为基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系。

根据计算复核可知, 有8条工程桩的承载力不能满足设计要求, 有2条工程桩的沉降量过大也需进行加固处理。

3 加固方案的选取及分析计算

(1) 目前地下室负二层楼板已施工完毕 (本工程负三层正采用逆作法进行施工) , 对进行加固的施工设备又较大的限制。另外, 本工程工期要求较紧, 因此加固方案还应考虑加固的施工时间。根据上述要求及本工程的实际情况, 基础加固方案拟采用加厚桩侧地下室底板的方法 (即桩基更改为桩筏基础) 来保证原基础的安全。

(2) 加固分析计算。

该加固采用的主要是由桩与筏基共同承受上部结构荷载的基础形式, 上部结构荷载的一部分通过桩传递到更深处的土体, 另一部分由筏基底板下的土体承受。

3.1 计算公式

各受荷的刚度及桩土复合体的总沉降为:

式中:S总为桩筏基础的沉降量;K总为桩、土的复合总刚度;K桩为桩体刚度;K土为土体刚度;N桩、N土为桩体、土体所受的上部荷载。

3.2 分析计算

3.2.1 桩刚度计算

由复核计算, 我们得知桩的桩顶沉降为S桩, 及荷载N, 则:

考虑到由于桩身承载力能满足要求, 但沉降量过大, 故考虑桩身沉降控制在20mm以内, 故可得桩所受荷载为:N=S桩×K桩, 则承台底部土体所受荷载为:N土=N总-N桩

3.2.2 筏板下土体的刚度计算

天然地基产生沉降是由基础持力层的压缩产生的, 采用以下计算其沉降量:

式中:N土为天然地基承受的标准荷载 (KN) ;B为基础宽度 (m) ;L为基础长度 (m) ;μ为持力层泊松比, 土层取0.3, 岩层取0.25;E0为持力层的变形模量 (MPa) , 参考地质报告;

ω为基础形状系数, 方形基础取0.88;

3.2.3 桩筏基础的沉降计算。

则土体所承受的实际反力为:则满足设计要求。

3.2.4、承台冲切、剪切、抗弯验算.根据规范进行承台高度及配筋计算。

(1) 计算公式。

(1) 按下式进行承台受冲切承载力验算:

式中:βhp为受冲切承载力截面高度影响系数, 当h不大于800时取1;当h大于等于2000mm时, 取0.9, 其间按线性内插法取用;ft为砼轴心抗拉强度设计值 (kN/m2) ;h0为基础冲切破坏锥体的有效高度 (m) ;αm为冲切破坏锥体最不利一侧计算长度 (m) ;αt为冲切破坏椎体最不利一侧斜截面的上边长, 当计算柱与基础交接处的受冲切承载力时, 取柱宽;当计算基础变阶处的受冲切承载力时, 取上阶宽;ab为冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础范围内的下边长, 当冲切破坏锥体的底面落在基础底面以内, 计算柱与交接处的承载力时, 取柱宽加两倍基础有效高度;当计算基础变阶处的冲切承载力时, 取上阶宽加两倍该处的基础有效高度。当冲切破坏锥体的底面在1方向上落在基础底面以外时, 取ab=1;pj为扣除基础自重及其上土重后相应于荷效应基本组合时的地基土单位面积净反力, 对偏心基础可取基础边缘处最大的地基土单位面积净反力 (kpa) ;Al为冲切验算时取用的部分基底面积 (m2) ;FI为相应于荷载效应基本组合时作用在AI上的地基土净反力设计值 (KN) 。

(2) 柱边的受剪承载力

式中:V为基础各竖向截面剪力值 (KN) ;为截面高度影响系数;fl为混凝土轴心抗拉强度设计值 (N/mm2) ;AC为剪切面的有效面积 (mm2) ;h0为计算截面处的截面有效高度 (mm) , 锥形基础取住边缘处截面高度;阶形基础取各阶变阶处和柱边缘处截面高度;h0<800mm时, 取h0=800mm;当h0>2000mm时, 取h0=2000mm;Pj为基础底面单位面积上净反力计算 (KN/m2) , 即基础反力扣除基础自重及其上的土重引起的反力。对轴心荷载取平均净反力设计值Pj, 对偏心荷载取最大边缘净反力设计值Pjmax;AJ为剪切荷载面积 (m2) , 即计算截面至基础边缘围成的面积;

(3) 按式, 计算基础底板受弯, 进行承台底板配筋计算。

式中:M1, M11-任意截面I-I、II-II处相应于荷载效应基本组合时的弯矩设计值;a1为任意截面至基底边缘最大反力处的距离 (m) ;l、b为基础底面的边长 (m) ;Pj、Pmax、Pmin相应于荷载效应基本组合时的基础地面净反力, 边缘最大和最小地基反力设计值 (KPa) ;P相应于荷载效应基本组合时在任意截面处地基反力设计值 (KPa) 。

4 结语

根据上述分析可知, 在本次复核的工程桩中, 其中有8条不满足设计要求, 不满足要求的主要原因是桩底末达到设计持力层, 导致单桩承载不满足原设计要求。不满足设计要求的工程桩采用加厚桩基周边底板厚度 (即桩筏基础) 的方案。采用上述方案, 经详细计算可知, 加固后各桩沉降沉降约为20mm左右, 各设计指标均能满足规划要求。

由于本工程部分基础砂质粘性土, 在地下水位以下, 因此, 在基础施工过程中一定要做好现场降水、排水工作, 要注意保护基础持力层, 以免被水泡湿软化, 影响基础的安全。天然地基开挖至底板底后, 一定要对每个柱位采用标贯试验验槽后, 设计人员根据标贯试验结果, 再对设计方案进行重新复核调整后, 才能开挖基础、浇筑层、施工基础。基础开挖至设计标高后, 要及时浇注素砼垫层, 以免地基泡水软化。在上部结构施工过程中, 一定要进行高精度的沉降观测。建议需待地下室基础、底板及墙柱施工完成并达到设计强度后上部方可施工。

摘要：根据某商业广场桩基的安全性分析, 提出相应的加固处理方案, 介绍该方案的分析设计过程。

关键词：桩基,加固,桩筏基础