浅层地基土应用的新途径

李三鹏

身份证号：410811198108135018

浅层地基土应用的新途径

李三鹏

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文章通过考察目前对浅层地基土的强度和变形研究现状及应用方法，提出了既能够利用浅部低强度地基土作为高层建筑基础的持力层，又能够反映土和工程结构之间相互作用，同时具备简单、方便、经济、安全等特点的土层围压应用。通过试验测试、工程实践效果证明了这种应用的合理性及有效性。

浅层土；工程结构；围压应用；地基

1　高层建筑地基及设计现状分析

1.1高层建筑地基及设计历史

每次高层建筑的空间和平面的拓展，都为地基基础的设计理论提供了新的研究课题和方向，同时也为土力学研究成果的工程实现提供了应用空间。20世纪80年代初期，在大厚度松散土上建筑高层建筑，基本上以结构力学的理论为依据，提出了以桩内全置换土为主的桩基设计理论，施工工艺，检测措施等。但仍存在不足：①虽然桩基系列具有明显的安全性，但是由于舍弃浅层有一定承载能力、抗变形能力的软弱土，无疑要求基础的刚度、长度、整体强度加大，故此直接导致基础的工程造价飙升以及施工工艺的复杂化；②由于桩结构体在地基土内所占的面积比例为10%左右，却承担100%的建筑荷载作用，桩的应用集中效应明显；③桩体表面与土的接触面积有限，大多情况下桩的承载力有土的摩阻力和端阻力，而影响范围之外的土并不能充分提供其强度试验和真三轴剪切试验，对土力学性质和行为的深入探讨有一定的积累，土的宏观、微观试验研究［1］，对于土的微观结构从认识方面进一步深化，开始注意到土的应力应变特征。

1.2多层软弱土基础设计方式

到目前为止，对于浅层土的利用有三种设计方式：①沿袭结构力学理论和集中荷载方式发展而来的桩基础设计，绝大多数软弱地层中的基础采用桩孔内部分或全部的置换土并填充人工高强度材料实现，即将上部荷载通过桩、土的端阻力等传递到土深部以及借助于桩表面与土的摩擦力消散于土内。②以土力学对土应力应变规律研究的最新成果，采用复合地基加固原理为依据的地基加固设计［2］，利用率由原来的10%上升到20%以上［3］。它源于三轴剪切试验对于土在受力过程中变形特性和破坏特点的微观描述和认识及对土固结机理的深化认识［4］。③结构力学和土力学理论相对融合的思路，即桩基础和地基处理相结合的混合设计［5］，由此部分地实现了经济、安全、高效的地基基础设计要求和土利用率提高。

然而，这些地基基础的设计均忽略了三轴强度试验中的围压对于土强度和变形的控制作用，或只针对土的某些特殊性质提出相应的处理措施，更是忽略了土中围压作用整体性改变土的力学属性的围压结构地基基础形式。

2　软弱土层应用新思路

新的围压结构地基应该是这些认识的实质性，结合性反映。新的围压结构地基设计，无疑需要现代土力学中最新研究成果的支持，势必可以为地基基础设计增添新的设计方法以及改善长期以柔土力学研究成果与工程实践的脱节观象。因此，在探讨浅软弱土应用高层建筑之间，必须建立如下几点认识：软弱土不能直接作为地基。原因在于没有考虑土中应力场会随着土中应力状态的改变而变化，更没有考虑到软弱土塑性变形方向大小与应力场改变的关系，甚至一个公认的三轴强度试验土围压力增加直接导致主应力产生的应变减少，抗剪强度增加的试验事实被忽略。土是由固相颗粒孔隙（含浓相、气相、胶结物质等）组构，在通常的工程范围内，可以认为岩矿颗粒、黏土围粒构成了固相颗粒的基本强度单元，并假设基本强度单元在通常的围岩条件下不发生颗粒破坏。三轴强度试验中，土的初始孔隙比对土的应力应变有很大的影响，初始孔隙比越小，围压力越大，最大主应力越大。相同的土大于不同围压（σ2=σ3=χ1）作用下，主应力σ1不变，且σ1＞σ2=σ3条件下，峰值强度和屈服强度随着围压（σ2= σ3=χ2）的升高（即χ1＞χ2）而增加；主应力对应的变形则随着围压（σ2=σ3=χ2）升高相应减少。松散土样因孔隙比较大，应力应变曲线中没有峰值应力升观。但是在足够围压力和最大主应力的作用下，体积首先垂直压缩并且压缩变形的增加量的逐渐减少，而无侧向变形的增量。对于无偏向荷载作用的软弱地基土，控制土的侧向变形要比限制垂直沉降意义更大。大量测试资料表明，地基土的侧向变形是沉降、差异变形、倾斜的决定性因素。

3　围岩结构地基的设计

基于上述对土的认识，得到浅层软弱地层地基设计的合理启发，继而形成有效的、与之相适应的地基结构设计思路：充分反映土所特有的属性，即随时间和环境产生的结构变形结构破坏循环。首先建立具有针对性的、以土结构破坏过程机理分析-量化评价为宗旨的工程结构设计概念。其次在设计更具针对性、系统性与有效性确保经济合理的要求下，对现有的各种地基设计选择适宜性的围压结构，最后实现地基土和围压结构共同作用的要求。实现上述要求，必须对软弱土侧向变形稳定性实施工程控制，即限制土的侧向变形并将其通过与土紧密结合的结构得以实现。用系统分析原理对土和围压结构之间的相互作用进行分析，把围压结构视为土中即新结构体系。以室内土三轴剪切试验原理为指导，辅以原位静荷载试验对围压结构进行足尺寸的观场研究，分别进行软土中无侧限围压结构，存测限围压结构和土结构共同作用的试验，把获得的数条试验压缩曲线作为研究的根据，并作为基本判识依据。围压结构地基的计算式指导，视围压在结构地基为均匀，各向同性的弹性体，结构地基的分层与原天然地基土相同，依据弹性理论，极限平衡理论、有效应力原理进行地基的承载力特征值、压缩衡量结构强度等计算式指导。

4　结论

1）把当代土力学研究成果应用到地基基础设计中是研究的最终目标。浅层土作为高层建筑地基虽然有不同的缺陷，但是采用围压结构设计后，直接作为地基满足建筑要求，同时减少地基基础的加固和处理的深度。2）围压工程设计必须对浅层土的结构强度、影响结构强度的各种因素、工程结构强度、土与工程结构之间相互作用进行全面分析和合理认识后进行。3）围岩结构并非单纯的原位水泥搅拌桩一种，而是以其结构深度与土层相匹配、与土结合程度高、经济、安全、易行为标准选用，这方面继续探索的空间相当广。4）浅土层作为地基的设计方法很多，但满足高层建筑要求的设计方法还没有系统化。文章把围压增加土强度效应与工程结构巧妙结合起来，用简单的方法解决了困难、复杂的问题，可见进一步深化探索意义显著。

［1］宰金珉，宰金璋.高层建筑基础分析与设计［M］.北京：中国建筑与工业出版社，1994：1-10.

［2］曾国熙，卢肇钧，等.地基处理手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1993：339-442.

［3］陈仲颐，叶书麟，等.基础工程学［M］.北京：中国建筑工业出版社，1993：90-116.

［4］闫明礼，王名山，等.多桩型复合地基设计计算方法探讨［J］.岩土工程学报，2003，5（3）：352-355.

［5］葛修润，任建喜，等.岩土损伤力学宏细观试验研究［M］.北京：科学出版社，2004：277.