1、巖土工程中局部樁筏基礎的設計摘要：本文描述了在加拿大的多倫多地區(qū)在復雜的巖土工程條件下的局部樁筏基 礎（PPRF的設計。PPRF是根據(jù)側(cè)向土壓力，不均勻分布的建筑荷載和地基不 均勻承載力來設計的。該樁主要布置在地基沉陷教的地區(qū)。也就是在筏板基礎承受較大壓力而土體承載力較低的西北部地區(qū)。為了保持PPRF的完整性，一個統(tǒng)一的單位標準被應用于樁筏設計。整體的穩(wěn)定，包括滑動和傾覆也是PPRF設計的一部分。同時，也使用了計算機軟件分析。高園項目是位于加拿大多倫多的一個中密度公寓建設項目。其海拔變化從101.6至U 102.1米。沿著 BloorStreet West/Ellis公園道大約在其東南方 11

2、米，詳見圖1.Stneei Wem 1（；* L Site plan and borehole hctions在整個建筑物下面建了三層車庫。在西北部邊緣下挖11m在東南邊界挖了大概1m雖然沿著 Bloor Street West and Ellis Park Road沒有安裝永久錨桿。沿著北部和西部的邊界的地下室墻壁受到140.4KPa的土壓力。地質(zhì)條件在實地4個鉆井中，最大深度為37.4米。土壤樣本檢測方法采用標準貫入 度。在實驗室內(nèi)進一步檢測和表征土壤樣本。工程土壤條件概括如下：在北部14米到14.2米和南部的1.7米到7米處被 深棕色粉質(zhì)砂土和砂質(zhì)粉土填充。灰色粉砂質(zhì)粘土擴展至深處14.

3、6到30.0米,非常堅硬。在深21.9米到32.9米處富集緊密的砂紙淤泥。在深 22.6到34.3 米處風化頁巖的頂端存在一層堅硬的灰色潮濕的粘土質(zhì)粉砂層。詳見圖2.喬治 亞灣的灰頁巖，石灰?guī)r在鉆井深度擴展延伸范圍的探索結(jié)果。在已經(jīng)完成的開放的鉆井處出現(xiàn)地下水時要被監(jiān)測。從地表到地下水的深度為10到18.3米。局部樁筏基礎基于現(xiàn)存地質(zhì)條件，局部樁筏基礎只在未收到擾動的殘積土和工程填土中使 用，并按容許承載力250KPa設計。該樁基的使用，可以在保證基礎安全的情況 下減少筏板基礎使用面積并減低成本。筏板基礎厚度取決于原狀天然砂和少灰混凝土在換填的過程中對一個地域 的擾動程度。筏板的底面高程變化從

4、東部的87.90米到西部的92.00米，并通過 一系列步驟來完成沿筏板長度和寬度的高程變化。riLLSAND/SILTY SAND /SANDY SILT/5ILTFig. 2. Stratigraphic profile of subsurface conditions計算筏板基礎壓力公式如下:刀P是垂直荷載組合的總和；A是筏板面積；Mx和My分別是沿X軸和Y軸 的彎矩；lx和Iy是X軸和丫軸的慣性矩。定義建筑物的總荷載是P，固定荷載， 活荷載和側(cè)向土壓力的六種荷載組合形式也都被分析。筏板基礎的沉降值按照砂土層和粘性土層分別的彈性沉降和固結(jié)沉降值之AS =込 + ASrZ1和Z2分別是砂土層

5、和粘性土層的厚度；E和mv分別是楊氏模量和體積 壓縮系數(shù)；(7 S和(T C為作用于砂土和粘土質(zhì)土層的壓應力。對筏板基礎進行應力和沉降分析時大概分成80個節(jié)點。沒有堆積荷載，在西北角筏板基礎的沉 降計算是最高的一一大概94.7mm在超過20年的時間里。這是因為該點所受的壓 力在整個基礎中最大，大概391KPa按照比較基礎壓力，計算的地基沉降量和土層承載標準來布置樁并不超預期 的總沉降值。地基在施工完成后 20年的時間內(nèi)可允許沉降25mm然后我們按照25mm的總沉降限制重新計算筏板基礎的底部壓力。當比較土 層所受壓力T和所需的抵抗力T 0，則At = T - T 0的差值 T由樁筏承 受。At

6、0的區(qū)域為需要布置樁筏區(qū)域。總設計荷載 Q將由樁和筏板共同承 擔及 Q = Qo + QP。所需的樁的數(shù)量n由樁所承受的總的荷載Qp決定。每根單樁承載力為QH貝U有 n = QP / QH。這里必須指出的是設計的樁與筏板可承受的沉降值相等。單樁極限承載力R設計按如下公式：二sh為沿著樁軸線的剪應力；二t和At為樁刃腳的承載力和面積。 Wp為樁 的重量。土工參數(shù)筏板基礎的土工參數(shù)設計依據(jù)基礎反作用力， 楊氏模量和固結(jié)沉降系數(shù)。地 基反力系數(shù)是土層壓力和撓曲的概念聯(lián)系。同時考慮到粘性土的固結(jié)變形，地基 反力系數(shù)ks被定義為：ks = c / A S。且有：1 40ksE為地基反力彈性系數(shù)。楊氏模量

7、 E標準貫入試驗(SPT)的次數(shù)N的函數(shù) 隨土壤類型和土壤結(jié)構(gòu)改變。相同類型的土壤，楊氏模量總是尾隨SPT的N值改 變。冰磧物在GTA的SPT數(shù)據(jù)的經(jīng)驗方程和相關性如圖3所示。卜Ay = 1 ；048 6x - 1 .7028 R?= 0.9355I0406000ICOSPT- No. of Blows (N)120Modulus of Elasticity E vs No o50固結(jié)沉降系數(shù)mv為土體體積壓縮量，計算公式如下:JI1eo和el分別為固結(jié)前后孔隙比；c 0和c 1為固結(jié)前后土層應力。假設mv和Ac = c 1 - c O不隨深度改變，則固結(jié)沉降可以計算為：sc =mv A c

8、H,與單位 mv壓力(m2 / MN)相反。基礎設計結(jié)構(gòu)工程師們密切合作對基礎進行詳細設計。根據(jù)初步設計結(jié)果，共需要30根H型樁布置在西北部用于減小沉降。它們共同承受30000KN荷載，每根樁承受1000KN的荷載。該設計的重點是基礎總的沉降量在 20到25mm之間，沉降 差不超過5到10mm大概60雅U 80%勺沉降量會在兩年內(nèi)沉降完畢。專門有一款 軟件為混凝土筏板系統(tǒng)開發(fā)，并應用于 PPRF設計。縱向和橫向荷載分析結(jié)果被 應用于SAFE模型輸入。建筑基礎和剪力墻也被納入安全分析范圍。深基坑因為在所有可能出現(xiàn)過度沉降的區(qū)域布置了樁，PPR咲于沉降部分的設計也多種多樣，隨著荷載在樁筏基礎的分布

9、不同，因此基礎的模量也必須不同。地基反力模型通過不同的基礎壓力和沉降值來建立。為了確定筏板基礎不同位置地基模型的合適的量級，需要結(jié)構(gòu)工程師和巖土工程師的緊密合作。結(jié)構(gòu)工程師通過控制SAFE模型來用計算機軟件分析承壓應力分布情況。基 礎最初的反力系數(shù)ks由巖土工程師根據(jù)土壤的條件按下式給出：1 j/i +0.5Ks為在整個基礎尺寸上的地基反力系數(shù)，K1從0.3x0.3m尺寸的平板載荷試 驗得到；m為在硬粘土或中砂上的矩形基礎的長寬比。使用計算承壓應力時，計算土層的沉降不考慮筏板基礎剛度。隨后，通過 FEM計算的基礎壓力和筏板沉降量來更新基礎反力。通過使用更新的地基反力系數(shù)來就計算每個節(jié)點，重新修

10、訂過的承壓應力重 新分布。值得注意的是在修正分析過程中，地基反力系數(shù)變化是在筏板基礎內(nèi)部， 并與樁的作用耦合，詳見圖4。Iod cl嚴 nuXFig. Pliite-on-spring upprouch of piled raft foundation再次使用修正后的土層承壓應力，一個新的地基反力和ks就會在每個節(jié)點產(chǎn)生。使用新的地基反力系數(shù)來重新分布計算承壓應力，見圖5。Fig. 5. Computed footing pressure by using FEM program SAFE從本質(zhì)上講，這個程序就是利用土層承壓作用力來計算沉降量， 再修正地基 反力系數(shù)，然后重復該過程，直到土層承壓作用力和沉降值達到預期范圍， 見圖 6。當土層的壓力和位移的有限元分析和巖土工程師的預期吻合時，該收斂值確定。側(cè)向壓力和擬建結(jié)構(gòu)的關鍵區(qū)域的整體穩(wěn)定，通過使用 Simplified Bishop 方法對圓弧滑動面進行分析。SB-Slope這款被Von Gunten Engineering Software 開發(fā)的已經(jīng)許可的商業(yè)軟件也被應用于二維分析。最小安全系數(shù)計算結(jié)果是1.52，該值在加拿大基礎工程規(guī)范中是允許的。Fig. 6. Computed potential setdement by using FEM program SAF