长短组合桩复合地基沉降预测研究
陆华，高全臣，吴浩，赵化帅，孟猛
（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083）
[摘要】采用理论计算与现场实测数据分析相结合的方法，研究长短组合桩复合地基的沉降预测问题.按照规范各层压缩量，最后通过叠加得到了长短组合桩复合地基沉降计算公式.选择CM（1.1）灰色模型和双曲线拟合的方 方法中的分层总和法把组合植复合地基治竖向依次划分为垫层、加固1区、加圆Ⅱ区和下卧层4个区域，分别计算法分别对组合桩型复合地基的工后沉降进行预测，通过对比分析2种方法预测的工后沉降与实测结果，提出灰色模型预测方法能较好地预测深那软土中组合桩暨复合地基的工后沉降量.
[关键调]地基：复合地基：组合桩：灰色模型：沉降：预测
[文章编号]1002-8498（2013)19-0030-04
[中图分类号】TU47 [文献标识码]A
SettlementPrediction of Long-short-pile Composite Foundation
Lu Hua Gao Quanchen Wu Hao Zhao Huashuai Meng Meng
(ShfMch&CiEninrgChUiy MnngTehlngBejg10hi）
Abstract; This paper studied the long-short-pile posite foundation which is divided into cushion No. I strengthening area No. I strengthening area and the underlying layer four areas along the verticalfoundation by the superposition of cach layer of pression which is separately calculated acording to direction in tum. It has obtained the setlement calculation formula of the long-short-pile positethe standard method of layer-wise summation method. Seleeting GM (1 1) model and the hyperbolicfitting method to predict the post-selement construction of the bined pile posite foundationrespectively. It is put forward that the gray model forecasting methods can be used to predict the post-settlement construction of the posited pile posite foundation in deep soft soil by paring the twomethods of the predicted post-settlement construction with the measured results.
Key words;foundations; posite foundations; bined piles; grey model; setlement; prediction
被传递给土体的荷载产生的位移用Mindin位移解长短组合桩复合地基的设计思想一般是采用计算，由桩、土界面的位移协调求解.王启铜”、龚
1复合地基沉降计算
短桩加固浅层软土，提高其承载力和压缩模量，减晓南基于在轴向荷载作用下，推导出桩侧摩阻力少沉降；而长桩则考虑应力扩散的关系，上部荷载分布公式和端承力公式，按桩身压缩量法得出了复通过桩身向深层传递，控制沉降.复合地基沉降计合地基的沉降公式.陈善雄基于武汉双狮涂料算是值得研究的重要问题之一，但由于复杂性，沉厂采用长、短结合的水泥搅拌桩加固16m软基实降规律和计算仍处于发展之中.Seed和Reese提例，探讨了设计计算方法，提出了沉降计算公式. 出了“单桩荷载传递”的概念，通过桩侧摩阻力与剪结合长短组合桩复合地基的敬坏过程，设计宜线弹性理论为基础，把桩沿长度离散成多个单元，
切位移之间的关系，来求解荷载作用下的单桩位按“变形控制”，这是在确保安全、满足使用功能基移.何思明用荷载传递法来分析柔性桩复合地础上控制施工期沉降和工后沉降，从面控制投资，基的性状，根据桩、土的变形协调关系，建立了求解因而在实际工程中需要采用实测的方法，分析总结复合地基沉降的方法.Poulos34等积分方法是以沉降规律，提高沉降计算精度.陈龙珠等测试了杭州市某14层建筑的沉降规律，该工程采用钢管桩 与砂石桩按一定的间距组合，在工程建设近1年半的时间里共观测21次，实测总沉降为18~25mm，最后一次观测时，各测点沉降均<0.01mm/d，沉降 楼采用钢筋混凝土桩与水泥搅拌桩组合，从施工 趋于稳定，如图1所示.杭州白荡海小区某12层塔地下室到整体结构完工、装饰初期，实测沉降仅8.8mm.北京某小区27层住宅楼采用CFG桩和夯实水泥土桩组合的复合地基[，24层施工完毕后的最大沉降量约为26~31mm.陶景晖等采用素 混凝土桩复合地基，施工至15层后最大沉降为9.10mm，最小为6.02mm，远小于规范限值.这些实测结果表明，组合桩型复合地基沉降量仅8-31mm，建筑物交付使用时沉降即可稳定，对于深厚软基和岩溶地基等具有重要的推广应用价值.但 沉降计算理论研究相对滞后，目前尚无比较成熟的分析方法供设计使用.因此本文试图在变形特性和沉降计算方面进行探索. 图2长短组合桩复合地基分区及其竖向复合模量、附加应力Fig. 2 The areas of long-short pile positeof posite module and subsidiary stress foundation & the distribution (3) 图1组合桩型复合地基沉降时间曲线Fig. 1 Settlement-time curves of bined pile posite foundation 式中：s为组合桩型复合地基的最终沉降量（mm）；.为沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及附加压力（kPa）；z，2-分别为基底至第i层土、第 经验确定；p.为对应荷载效应准永久组合时的基底i-1层土底面的距离（m）；α，a分别为基底计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内的平均附加应力系数；E为第i层组合桩型复合地基的复合压缩模量（MPa）；E为第i层主桩压缩模量（MPa）；E为第i层次桩压缩模量（MPa）；E为第i层桩间 土的压缩模量（MPa）；E为基底下第i层土的复合压缩模量（MPa）；m，为第i层主桩的置换率；m为第i层次桩的置换率：f为第i层组合桩型复合地基的承载力特征值（kPa）：f为第i层天然地基的承载力特征值（kPa）. 2最终沉降量计算方法研究 土是岩石经过外力地质作用形成的，性状复杂，各向异性明显，但实践表明，采用均质各向同性线性变形体理论计算地基中的应力分布依然可满足工程实践的要求. 在长短组合桩复合地基中，用“短桩复合地基”等效为长桩复合地基的”桩间土”.插人长、短桩桩体后，长短桩组合桩型复合地基在竖向形成了4个区域：垫层区、模量提高幅度高的主次桩共同加固 区、模量提高幅度较高的主桩加固区和主桩桩端下卧区.长短桩组合型复合地基各层”土体”在竖直方向上的模量和复合地基所承受的附加应力有对应关系，有利于承受随深度衰减的附加应力，以减少沉降量，如图2所示. 复合模量法适用于散体桩或柔度较大的桩，对于半刚性桩和刚性桩以及桩距较大、桩长较短的柔性桩，桩刺人土中，无法在抵抗变形中完全贡献自已的刚度，宜考虑模量发挥系数或模量发挥度μ[13，即： 作为地基的一种，其最终沉降量可按式（1））计算，其中复合压缩模量由静载试验确定，或按式（2）.（3）计算，即“分层总和法”： (4) （1） 式中：，， 分别为桩的上刺入量、下剩人量和桩长范围内土层的压缩量. (2) 万方数据 （2）.，x（n））为原始数据列，如果将生成数列记为x（1，那么x（=（x1（1），x（2） ，x（1） （n）），如果x（）与x（1之间满足x（k）=x（m），则称x为x的一次累加生成数列.基本原理如下：对给定的N个数列x，就会有与之对应的一次累加生成数列x，其中，x（k）=x（m），对x可建立白化形式的微分方dx()bx，记β=[a，b，b ，bx]²，则按最小二乘法求出β=（BB）BY，其中： 故式（2）变为式（5）： E=μm，EμmEa（1-m-m)E (5) 3长期沉降预测方法研究 沉降主要由构筑物的荷载引起，总沉降按发生的先后顺序分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降3部分，或者分为施工期沉降、施工后沉降2部分.不同的地基类型，其沉降-时间曲线特征、累计沉降、 沉降速率和沉降发展趋势等均相差甚远.对于长短组合桩复合地基由于竖向长短桩增强体的加人，压缩模量增加，最终沉降量很小，沉降主要发生在结构封顶之前，交付使用时已基本稳定.本文根据长沙某工程的实际沉降监测数据，对比分析研究长短组合桩复合地基的长期沉降量预测方法. 3.1实际工程长期沉降监测数据 长沙某工程采用长短组合搅拌桩复合地基处理，实际监测的地基各点沉降量与时间关系如图3所示，以图中地基各点的平均沉降量为例，数据如表1所示.分析图中曲线和表中数据，长期沉降量 不超过7mm，在结构施工200d封顶后沉降量约6mm，说明最终沉降很小，地基沉降主要在结构封顶之前，交付使用时已稳定. 当x，i=2，3，，N呈缓变时，x的时间（离散）关系式为： 若上述关系式不成立，则只有通过x，x，"，x的N个1阶微分方程联立求解. 建模步骤如下：①选用GM（1，1）模型，进行一次累加生成；②构造矩阵B与Y，按最小二乘法求出GM（1 1）模型中的β：③建立时间响应函数，即将求得的参数列B的各个分量代人所构造的微分动态方程，然后按一般微分方程求解.对于GM（1，1） dr(1)间响应函数为： 图3实测组合桩型复合地基时间-沉降曲线Fig.3 Measured settlement-time curve of binedpile posite foundation 表1组合桩型复合地基沉降观测值 Table 1The measured settlement of binedpile posite foundation 0℃007P/沉降差a±/mm1.42.2 0.4 1.0 0.2 0.8000.10.1累计沉降 ±/mm1.43.64.0 5.05.25.85.85.85.96.0 为保证预测结果的可靠性，可采用残差检验、后验差检验和灰色关联度检验等. 设沉降差组成原始数据列，即：x（i）=As（i），i=1，2 .，10，作一次累加生成： 3.2长期沉降预测方法研究 3.2.1灰色理论模型预测方法和结果 生成、均值化生成及归一化生成等.对于沉降问 灰色生成可分为累加生成、累减生成、初值化题，可用一次累加生成，即：令x=（x（1），x（0） 构造数据矩阵Y.B： Y=(2.2 0.4 1.0 0.2 0.8 0 0 0.1 0.1) 图4组合桩复合地基沉降-时间拟合曲线 Fig. 4 The fitting settlement-time curve bined pileposite foundation [0.52]_[] 按最小二乘法求出β=（B²B）B'Y=[3.12][6] ，所以；a=0.52，b=3.12.建立如下GM（1 1）预测模型： (6) 采用”相对误差检验法”检验上述初始模型的精度.沉降预测计算值与实测值的相对误差如表2所示（平均相对误差2.9%）：当：趋于无穷大时，最终沉降量为6.0mm，面实际观测值为6.0mm.表2说明，该灰色模型GM（1，1）可靠，精度满足工程 要求. 图5组合桩型复合地基沉降预测值与实测值对比Fig. 5 Comparison between predicting and measuredsettlement for bined pile posite foundation Table 2Relative deviation between predicting 表2沉降预测计算值与实测值的相对误差 型预测组合桩型复合地基均有较高精度，预测最终沉降量分别为6.0，7.34mm，面实测沉降为6.0mm， 故灰色模型更便于预测沉降.现分析精度的主要影响因素：①GM（1，1）灰色模型实测数据越多，精度越高；数据位置越靠后，精度越高.②双曲线模型拟合数据的起始点一般可选施工中期、竣工时或s-曲线出现平直段的起点，后者精度较高，但 观测时间较长；实测沉降时间应超过s-曲线的反弯点；实测沉降次数多，精度越高. and measured setlement实测沉降 现测时间/d40 6080 100 120 140 160 180 200536s/ms 3.6 4.0 5.0 5.2 5.8 5.8 5.8 5.9 6.0 6.0/mm 预测沉降 3.3 4.4 5.0 5.4 5.7 5.8 5.9 5.9 5.95相对 8.31003.81.701.700.8误差/% 3.2.2双曲线拟合预测结果 4结语 组合桩型复合地基典型的沉降-时间曲线如图4所示，可表示成双曲线： 1）本文结合现有“沉降-时间”实测资料，在刚性群桩复合地基沉降计算方法的基础上，用“短桩 复合地基”作为”桩间土”，组合桩型复合地基成为合地基最终沉降量的”分区总和法”，并针对不同类型的桩，采用不同复合模量的计算公式. (7) 式中：为时间（d）;s为地基沉降量（mm）；a和b均为线拟合参数. 由图4和表3.得拟合双曲线方程： 2）分析了组合桩型复合地基的长期沉降特征，即：最终沉降量很小，沉降主要发生在结构封顶之 前，交付使用时已稳定. (8) =7.34mm. 3）总结现有长期沉降主要预测模型，结合实例比较了灰色GM（1，1）模型和双曲线模型的预测精度，并确定灰色模型预测方法为一种能较好地预测 3.3灰色模型与双曲线模型预测沉降结果对比 组合桩型复合地基沉降预测值与实测值的对比如图5所示.经对比表明，双曲线模型和灰色模 （下转第36页） 图3钢连桥支撑示意 Fig.3Supports of steel continuous bridge 出的级配砂石全部及时回填至房心. 算，确保预留土全部预留级配砂石约32800m，肥 在方案制定时，对预留土区土量进行了仔细核植及房心回填（级配砂石）总量约为33000m².基本解决了肥槽及房心回填土源及运输问题，符合LEED-CS认证中比较关注的土方开挖与回填的适度平衡. 4.4缩短了中央预留土区施工工期 采用了中央预留土区方案后，最大限度减少了现场施工场地对施工的影响，使工程能够按照正常的施工工序进行.而中央预留土区结构为下沉广场，即实际结构为B3，B2两层，在地下室结构施工中，减少了该部分施工量，使得地下结构比预计工 期提前.而该部分结构被穿插在主体结构封顶以后，不占用关键线路时间，通过优化关键线路缩短了项目的总体施工工期. 4.5降低了中央预留土区施工成本 形式为5层至顶层逐渐收缩形式，在中央预留土区 1）材料节约由于银河SOHO项目主体建筑进行结构施工时，各塔楼主体基本完工，该部分结构采用各塔楼周转下来的模板架料，做到了物尽其用，极大节省了材料费用. 2）土方费用降低本工程肥槽及房心回填（级配砂石）总量约为33000m.在方案定制时，对预 留土区土量进行了仔细核算，确保全部预留土方（全部为级配砂石）约32800m.除房心土本身不需外购，该部分土本身节省运输成本总计约400万元. 单独投标，在钢连桥方案中，钢连桥支撑在中央预 3）钢结构支撑结构优化本工程钢结构作为留土区位置结构楼板上，由于采用了中央预留土区，钢连桥在安装时，支撑全部落在预留土区的原 5结语 参考文献： （上接第33页） 参考文献： 土上，节省楼板加固总费用约200万元. 综上所述，“推心置腹”式中央留土区综合施工方法，是一种完全创新的施工方案，结合本工程的特点，先四周，后中央，其挖土形式与”中心岛”式施工方法有异曲同工之妙.为其他异形建筑的施工组织提供了新的思路.“推心置腹”式中央留土区综 合施工方法促进了项目管理的高效运作，并协助实现了项目的综合目标. [1]赵志缙，赵帆，高层建筑施工（2版）[M].北京：中国建筑工 业出版社，2011.[2]中国建筑科学研究院.JCJ120-99建筑基坑支护技术规程[3]刘俊岩，深基坑工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2001. [S].北京：中国建筑工业出版社，1999.[4]建筑施工手册（4版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.[5]成军，刘加华，徐遂，某高层建筑超大深基坑土方开挖与支护 技术[J].施工技术，2012 41（19）：62-64. 深厚软土中组合桩型复合地基工后沉降的方法，具 有一定的工程实用价值. [ 1 Seed H B Reee L C. The acti ef soft clay long frction piles[2]何思明.桩竖向荷载-沉降特性的传通函数法综述[J].地基 [ 1] . ASCE Translatien 1957(13 ) :731-764.处理，1997 8(2) ：32-37.[ 3 ] Poulos H C Davis E H. The setlement behavier of single axially-oaded piles and piees[ J]. Geoechnique 1968 28 (3) :351-371.[ 4 ] Poulos H G Davis E H. Pile foundatiom analysis and design [ M] . Jobm Wiley and Sons 1980.[5]王启钢.柔性桩的沉降特性及荷载传递规律[D].杭州：浙江[6]粪晓南.复合地基[M].杭州：新江大学出版社，1992. 大学，1991.[7]陈善雄，长、短桩相结合的水泥粉喷桩复合地基设计计算方[8]陈龙珠，梁发云，黄大治，等.高层建筑应用长-短桩复合地基 法探讨[J].土木工程学报，2002 35（5）：79-81的现场试验研究[J].岩土工程学报，2004 26（2）：167-171.[9]葛忻声，粪晓南，张先明，长短桩复合地基有限元分析及设计 计算方法探讨[J].建筑结构学报，2003 24（4）：91-96.[10]同明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践（2版）[11]陶景晖，梁书亭，奖有维，等，高承载素混凝土桩复合地基现 [M].北京：中国水利水电出版社，2006.场试验研究（J].岩土工程学报，2012（4）：693-700.[12]中国建筑科学研究院，JGJ79-2002建筑地基处理技术规范 [S].北京：中国建筑工业出版社 2002.[13]毛前，龚晓南，桩体复合地基柔性垫层的效用研究[J].岩土[14]郭红梅，马培资，灰色理论在预测复合地基最终沉降变形中 力学 1998 19(2);67-72.的应用[J].工程勘察 2001(1);14-16.
