高大钊——岩土工程设计方法讲座(下)

岩土工程设计岩土工程设计((下下))同济大学高大钊2011年11月岩土工程勘察与设计讲座之二引引言言z在中国工程勘察信息网的专栏中，提出了许多疑难问题，在答疑和讨论的过程中，积累了不少的资料，出版了《土力学与岩土工程师》和《岩土工程勘察与设计》两本书，主办单位提出围绕这两本书的主题开展讲座，也是一个很好的思路，值得尝试。z在2009年～2010年，主要环绕《岩土工程勘察规范》局部修订的宣讲，讲了岩土工程实务工作的一些问题，即勘察方案的编制、勘探孔的深度和平面布置、取样数量、土工试验和原位测试、地下水勘察、土和水对建筑材料腐蚀性评价等问题。2010年底至今年上半年，主要讲解岩土工程评价方法。从现在开始，将讲解岩土工程设计方法。第二部分第二部分岩土工程设计方法岩土工程设计方法z一.岩土工程设计的力学基础z二.浅基础设计的地基承载力问题z三.地基基础设计的变形控制方法z四.单桩、群桩的承载力与桩基础设计z五.地基处理的方案选择与设计控制z六.边坡稳定性分析与土压力计算z七.基坑工程方案设计与事故分析z八.地基基础抗震评价与抗震设计五五..地基处理的方案选择与设计控制地基处理的方案选择与设计控制z1.复合地基与褥垫层z2.地基处理如何验算承载力与沉降？z3.如何进行桩身强度验算？z4.怎么计算固结度？z5.搅拌桩的桩头为什么下沉了？z6.哪些因素影响水泥土的强度？z7.如何评价强夯的效果？z8.怎样控制填土辗压质量？z9.采用哪一种地基处理方案比较好？1.1.复合地基与复合地基与褥垫层褥垫层z1.1褥垫的作用是什么?z1.2这是复合地基吗?z1.3褥垫是复合地基的必要条件吗?z1.4什么是复合土层的压缩模量？z1.5桩间土的复合模量如何计算？z1.6这样对复合地基的设计要求合适吗？z1.7载荷试验的沉降能评价均匀性吗？1.11.1褥垫褥垫的作用是什么的作用是什么??z在路堤下采用水泥搅拌桩时，为了提高桩的应力比，才需要设置褥垫，但作用和刚性的混凝土基础下是不同的。问题是路堤下设置褥垫层的作用和刚性的混凝土基础下设置褥垫层作用各是什么？有什么区别？z在混凝土基础下和路堤下设置褥垫的作用是完全相反的。z加固地基的第一目的是为了提高地基承载能力，设置竖向加固体时，依靠加固体的竖向刚度来提高复合地基的承载能力。因此，桩土应力比就成为能否发挥桩的承载力的重要指标。在相同桩间土的前提下，桩土应力比越高，桩所承担的荷载越多，复合地基的承载能力就越高，当然这需要在桩身的强度容许的范围内。z刚性的混凝土基础底面不可能发生很大的挠曲变形，为桩、土应力分担提供了必要的条件。在桩、土的顶部位移相等的条件下，如已知桩和土刚度就可以分配桩、土的应力分担比，或者从实测的桩、土分担比，反向估计桩、土的刚度比。z对于路堤下的复合地基，情况就不同了，由于路堤是柔性的，即桩顶有条件可以挤入路堤土中，桩顶的应力不可能比土顶部的应力高出太多，即桩、土的应力均匀化了。这样一来，桩就不能发挥承载的作用，复合地基就不能形成。z认为在路堤下设置的半刚性垫层（如土工合成材料的加筋、各种掺加料的处理等）可以使桩顶的荷载得以提高，垫层的厚度和刚度可以调整桩土应力比，这种垫层本来是路堤的一部分，可以扩散底部压力，提高地基的承载能力，同时也有助于发挥桩顶的承载作用。z后来，在混凝土基础下出现采用了褥垫的情况，这几年研究得很火爆，把褥垫的作用说得非常多，但与未设置褥垫的混凝土基础底面相比较，褥垫的作用是降低桩顶的压力，减少桩、土应力比，则肯定是褥垫发挥了主要作用。z这就引出了一个悖论：在复合地基中设置桩体是为了提高复合地基的承载力，复合地基承载力的提高主要依赖桩的承载作用的发挥，也就是希望桩多发挥一些作用，而设置褥垫的目的是使桩体应力比降下来，希望桩少发挥一点作用。z路堤下设置垫层是为了提高桩、土应力比，让桩多承担一些荷载，提高复合地基的承载力；在刚性的混凝土基础下设置垫层是为了降低桩、土应力比，让桩少承担一些荷载，避免将桩头压碎了。这是两种截然不同的作用。z说穿了，设置褥垫是怕桩顶分担荷载太大了，桩体被承台压碎了，这是脆性的CFG桩所要求的。但现在把褥垫推广到所有的复合地基是不合适的，如水泥搅拌桩的刚度有限，而且不那么脆性，从来也没有发生过桩体被压碎的情况，对水泥搅拌桩也用褥垫，有点“殃及池鱼”的味道。z有两种可以减少桩顶荷载的办法，一种是用褥垫，由于桩体进入褥垫而降低应力比来提高土的分担部分；另一种是把桩距做得大一些，降低置换率，也可以提高土的分担作用，降低桩体应力比。z能达到同一目的的这两种方法中，哪一种方法比较更经济呢？1.21.2这是复合地基吗这是复合地基吗??z拟建1幢12层楼，地下室1层深度4m，浅部粉土厚度20m，管桩长度10m，上部荷载由管桩（85％荷载）和粉土共同承担。这地基处理叫复合地基吗？z因为我一份勘察报告内写了复合地基（上部荷载由管桩（85％荷载）和粉土共同承担）的用词，施工图审查人提出些想法，我想请网友和高教授支援正确答案．z关于复合地基或复合桩基的说法很多，各种观点的分歧也比较大，目前还难以在学术上完全统一。z有的观点把什么都划到复合地基的范畴中，不管是刚性桩还是柔性桩，认为都可以形成复合地基。有的观点则认为只有柔性桩的才属于复合地基，用刚性桩的应称为复合桩基。至于用了刚性桩的是否都是复合桩基，也不尽然，要具备一定的条件。国内桩箱和桩筏基础实测数据上部结构基础型式基础尺寸(m)桩长(m)桩数实测沉降(cm)荷载分担比例（％）序号层数总压力(kPa)基础埋深(m)桩径(宽)(cm)桩距(m)计算沉降(m)筏或箱桩1剪力墙18～20桩箱25029.7×16.72.07.540×401831.20~1.3530.030.015852剪力墙12桩箱22825.2×15.94.525.545×45821.80~2.207.17.928723框剪16桩箱24044.1×12.34.527.045×452031.65~3.302.05.617834剪力墙32桩箱50027.5×24.54.554.050×501081.60~2.252.43.510905框筒26桩筏32038.7×36.47.653.0φ60.9×1.22001.90~1.953.65.325756筒仓桩筏28869.4×35.21.030.745x456041.95.214.510→090→1007框剪22桩箱31042.7×24.75.028.0φ55.03441.70~2.002.57.02080z只有在考虑复合桩基的必要条件条件下，复合才有可能。这是客观存在的条件，不是你主观上是否作为复合桩基设计。形成复合的关键是发挥承台底部土的作用需要一定的条件，如果客观上不具备形成复合桩基的条件，而你按复合桩基设计了，会出现什么情况？有的工程师说，工程不是很好吗？但工程没有出现问题，不等于说你这个设计就是正确了，这怎么说？z如果客观上不具备复合桩基的条件，而你把它作为复合桩基设计了。例如你认为土可以承担30%，桩承担70％的荷载，节省了造价，皆大欢喜。但事实上土不具备承担荷载的条件，就把这部分荷载又还给桩了，桩的名义上承担70％。而事实上却承担了90％甚至100％的荷载，那将会出现什么情况呢？就会出现桩的安全度下降的情况，例如从原来的安全系数2下降到1.4～1.5了，可怕吗？可是你还认为是节约了资金而洋洋自得呢？桩土分担原型观测的结果比较桩土分担原型观测的结果比较0.000.200.400.600.801.001.200.000.200.400.600.801.001.20荷载/最终荷载荷载/最终荷载桩土分担荷载随总荷载变化曲线土分担荷载桩分担荷载总荷载z那么，在什么条件下可以发挥土的承载作用呢？桩土分担荷载的大小，或者说是桩和土分担的应力比，是取决于桩和土的刚度的大小，可以用如图16-5所示并联的概念模型来理解。设桩的刚度系数Kp，土的刚度系数Ks，由于基础的刚度比较大，基底标高处桩和土的位移相同，即Sp＝Ss＝S。作用于桩顶的力为Fp，作用于土面的力为Fs，合力为F。刚性基础下桩、土分担比的概念模型刚性基础下桩、土分担比的概念模型sssSKF=pppSKF=()pspsKKSFFF+=+= Kp  Ks 1.31.3褥垫是复合地基的必要条件吗褥垫是复合地基的必要条件吗??z我觉得如果是桩基，承台下不用铺碎石褥垫层，如果是复合地基，不管采用什么样的基础形式，在基础下部应该铺设碎石褥垫层。加上碎石褥垫层，基础传下来的力才能够谈得上分摊，也才能谈得上是复合地基。z褥垫层不是构成复合地基的必要条件。复合地基的必要条件是桩头必须发生相对于周围的土体的沉降差量。z如果桩的刚度很大，桩头不下沉，则荷载都让桩承担了，就不能构成复合桩基。z在桩端存在比较软一点的土，也能创造降低桩的刚度的这个条件。例如在上海地区，复合地基从来不用褥垫层，也分担得很好。z如果桩端土太硬，桩的刚度太大，就采用褥垫层，让桩顶不致于顶着基础底板，以创造分担的条件。z目前有种把褥垫层的作用太夸大的倾向，是不好的，应当以科学的态度来对待。1.41.4什么是复合土层的压缩模量？什么是复合土层的压缩模量？z有一工程例子，要求复合地基承载力设计值为200kPa，桩径d=600mm,fcu=1300kPa。通过静载试验后复合地基承载力特征值（S/B）满足设计要求，平均为260kPa左右，承压板沉降量平均12mm。处理后桩间土的Es未作测定。搅拌桩为短桩，平均5m。桩底为坚硬基岩，那么S2就不考虑。z依勘察报告数据，如果按规范第11.2.9条之规定，Esp=55MPa。如果按勘察规范（GB5021-2001）求变形模量EO的方法（浅层法）。E0约为16MPa。z我的疑问是：z1、搅拌桩复合地基经处理后，因施工扰动，桩间土的原土层已变化，强度会增加。处理土层是否能按同一土层考虑？？z2、E0与Esp之间的差值较大，且Esp=55MPa的值按地区经验来看是偏大了（部分人的看法，呈密实状态）。两者之间有没有可比性、规律性或转换关系？？（复合地基的）E0与Es之间的关系如何？，z3、如采用现场采土样，桩间土样的Es可能会比原状土大，按11.2.9公式计算，E0将会更大！用标贯或重型触探试验来推算桩间土的E0值是否可行？？z4、静载试验后复合地基承载力特征值（S/B）满足设计要求后，是否一定要进行整体沉降验算？？z当搅拌桩复合地基经处理后，桩间土强度的变化程度是不清楚的，因此《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）11.2.9条的公式中，桩间土的模量是不需要也不可能考虑施工影响的，只能按处理前的土性指标来考虑。z11.2.9条的公式用压缩模量计算，是原土的模量。spspEmmEE)1(−+=z你提出的这个Esp=55MPa是按桩间土的变形模量E0＝16MPa计算的？勘察报告中没有提供压缩模量Es的数据？由于你没有给出桩间土的其他物理力学指标，无法判断这些模量的数值是否太大。E0和Es这两个模量之间虽然在理论存在定量的关系，但因为试验条件不同，实际的关系与理论关系的差别很大。需要总结地方的经验，才能提出可供工程应用的经验关系。z至于E0与Esp之间，没有什么内在的相关性物理基础，因此也没有什么可比性。z没有必要去测定施工后桩间土的模量再来用规范的公式组合，复合地基施工以后，关键是需要进行检验性的载荷试验，根据试验结果可以直接求得复合模量Esp。z施工以后测定的这个模量可能与设计时计算的结果不同，该取用哪个模量计算沉降？z复合地基承载力满足设计要求后，是否需要验算沉降，这应根据工程的要求而定。但我根据你们这个工程的地质条件，判断沉降量不会很大，如果上部结构没有特殊的要求，即使在地基基础设计时，也没有进行沉降验算的必要性。1.51.5桩间土的复合模量如何计算？桩间土的复合模量如何计算？z请问CFG桩复合地基设计中沉降计算需用到桩间土每层土的复合模量如何计算？例如：某CFG桩复合地基处理后地基承载力特征值fspk=150kPa,桩周第一层土Es=5.0MPa,