减沉桩在软土区浅地基加固中的分析和设计

　徐赐敏 赵卫华
　　(上海宝冶工程技术有限公司 上海200941)
　　摘 要：在上海地区的大批校安抗震加固工程中，有些校舍抗震能力极差，上部采用钢筋混凝土板墙抗震加固后，传递到基础的荷载增加量已超规范要求的“不超过原基础承受荷载的10%”，因此对原基础以减少沉降而加固的锚杆静压短桩，通过ABAQUS有限元对桩的荷载沉降曲线，桩侧摩擦力，桩周孔压力场，桩端土体应力路径进行应用分析，再根据勘察报告提供的侧摩力数据，验算地基设计中强度安全满足规范要求（安全系数取2.0），同时利用Lee提供的单桩的沉降计算公式预估了桩的沉降值。分析认为：采用短桩进行浅基础加固，让桩端位于第④层土淤泥质粘土，比第⑥层粉砂土，桩端土体更易破坏，从而桩与浅基础下的土体共同载上部荷载。同时要保证强度验算要求。这样做经济又安全。本文对上海梅园小学教学楼浅基础加固，对减沉桩分析和设计，工程实施后，根据检测数据方法是可行的。
　　关键词：减沉短桩；浅础加固；有限元分析；锚杆静压桩

　　0 引 言
　　在上海地区的大批校安抗震加固工程中，有些校舍抗震能力极差，上部采用钢筋混凝土板墙抗震加固后，传递到基础的荷载增加量已超规范[1]要求的“不超过原基础承受荷载的10%”，因此对原基础进行加固，以确保校舍安全。为验证减少沉降设计的短桩效果。进行有关岩土的数值分析是必要的。本文以上海市浦东新区梅园小学教学楼为工程实例，以减沉短桩对原浅基础进行加固。桩土荷载分摊比由褥垫层调节，让桩间土始终与基础底面接触，为达到上述要求，在原基础下加设褥垫层[2]，难度较大，采用短混凝土预制桩，让桩端位于第④层淤泥质土层，这样上部荷载让原条基沉降后，桩才受力，桩受力后可往下降，产生向上的摩阻力。同时利用桩将部分荷载向更深土层传递，减少加固后建筑物的沉降。如桩的底部位于⑥层粉砂土（较硬土层）时，桩端位于较硬土层，与原建筑物的条形基础，沉降将难以协调。工程实施后，根据现场沉降观测的数据说明方法是可行的。短桩是与桩端相对到达较硬土层的桩比要短，该桩端位于软土层上。
　　为了评价短桩位于软土层对加固工程中对减少沉降的量上的贡献，采用ABAQUS进行有限元数值分析，同时结合现场沉降观测的沉降数据进行对比。保证工程的安全。
　　1 桩基承载力理论
　　1.1 方法法，粘土中不排水下的桩
　　极限侧摩阻力:为不排水强度，为经验系数，API（1984）（American Petroleum Institue）标准中用分段函数式表达为

　　极限端阻力：，桩端处土体的排水强度，NC为系数，根据Skempton的建议取9.0。
　　1.2 方法2：法基于有效应力的分析方法
　　极限侧摩阻力:

　　μ为侧摩擦系数，为土体有效摩擦角。
　　对于超固结土，K0 =（1-sin）OCR0.5，OCR为超固结比。
　　极限端阻力：

　　Janbu（1976）提供的公式

　　?
　　2 工程概况案例
　　上海梅园小学教学楼建于1980 年，砌体结构，4 层，面积1570m2,4 层，抗震横墙很少，竖向承载力不足，加上2011 年时，建筑物东边有一高层地下室施工，井点降水等原因，第4 层墙体出现宽20mm，长3m 的裂缝，裂缝里外通透，结构采用了140mm 厚钢筋混凝土板墙加固及梁下增设截面300x500 钢筋混凝土柱加固，每个墙（柱）垛新增上部结构传递下来的恒载标准值为：fk= 107.8 kN,活载标准值为： 0kN。设计为在新加柱下，增设锚杆静压桩一根6 节，每节2 米，桩总长12m,桩截面200mmx200mm,桩顶与原浅基础条基底部用钢筋混凝土浇为一体。
　　2.1 按中国规范方法计算：（安全系数取2.0）
　　根据桩基规范[3]和地质资料，近似按轴心荷载。

　　2.2 按Randolph 和Wroth(1979)提出的方程经Lee(1993)修正和扩展后的方程估算单桩的沉降值[4]：

　　3 基于ABAQUS对该案例桩的有限元计算
　　ABAQUS计算法的步骤见文献[5]。
　　加载条件，加载过程中，桩周土的孔压没有足够时间消散，属于不排水条件下短期下的承载力，当孔压消散后，属于排水条件下的长期承载力。
　　为此本文根据修正后的剑桥模型理论土体中的不排水剪切强度Cu的分布计算式：
　　模型建立和求解步骤如下：
　　(1) 建立部件；
　　(2) 设置材料及截面特性，土体有效重度8.1KN/M3，渗透系数设为1x10-6；
　　(3) 装配部件；
　　(4) 定义分析步；
　　(5) 定义接触面，摩擦特性选Penalty,摩擦系数取0.41；
　　(6) 定义荷载、边界条件；
　　(7) 划分网格；
　　(8) 修改模型输入文件，设置初始应力和孔隙比；
　　(9) 提交任务，创建计算任务；
　　(10) 在Visualization模块[6]中，可得载荷沉降曲线，桩周摩阻力，土体孔压场，应力路径；
　　从桩周摩阻力，载荷沉降曲线中，类似桩端摩阻力最大值有逐渐上移的特点，这是因为桩端以下的破坏区土体向上滑动变形，类似于Terzaghi(1943)[7]理论中浅基础地基整体剪切破坏时，基础两侧的土体明显隆起变形一样。

　　4 结 语
　　(1) 在上海地区的大批校安抗震加固工程中，有些校舍抗震能力极差，上部采用钢筋混凝土板墙抗震加固后，传递到基础的荷载增加量已超规范要求的“不超过原基础承受荷载的10%”，因此对设计原基础以减少沉降而加固的锚杆静压短桩。
　　(2)分析认为：采用短桩进行浅基础加固，让桩端位于第④层土淤泥质粘土，比第⑥层粉砂土，桩端土体更易破坏，从而桩与浅基础下的土体共同载上部荷载。同时要保证强度验算要求。这样做经济又安全。
　　(3) 通过ABAQUS有限元对桩的荷载沉降曲线，桩侧摩擦力，桩周孔压力场，桩端土体应力路径进行应用分析，再根据勘察报告提供的侧摩力数据，验算地基设计中强度安全满足规范要求（安全系数取2.0），同时利用Lee提供的单桩的沉降计算公式预估了桩的沉降值。
　　本文对上海梅园小学教学楼浅基础加固，对减沉桩分析和设计，工程实施后，根据检测数据方法是可行的。
　　短桩相对浅基宽度而言，能把部分荷载导入到更深的土体中，对浅基础的减沉效应是明显的，为今后的工程中设计提供了一种新的方法。
　　参考文献
　　[1] 建筑抗震加固技术规程[S],(JGJ 116-2009), 2009，5(8-9.) Technical specification for seismic strengthening of buildings 8–9.)
　　[2] 宰金珉.桩土明确分担荷载的复合桩基及其设计方法[J].建筑结构学报, 1995, 4(6):66 –74.(Zai jinmin. Composite pile foundation with distinct load distribution in piles and soils and its design method[J]. Journal of Building Structures, 1995,4(6):66–74.)
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　　[7] Terzaghi,K. Theoretical Soil Mechanics ,John Wiley&.Sons ,New York, 1943.510 pp.
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