补偿性复合地基及其按沉降控制的优化设计方法

技术领域

本发明涉及房建、交通等领域中使用的复合地基技术，尤其涉及一种补偿性复合地基及其按沉降控制的优化设计方法。

背景技术

复合地基技术可以较好地发挥出桩体和桩周土体的承载能力，具有经济性好、适用性强等优点，在岩土工程中的应用极其广泛。目前，复合地基所用桩体材料的重度大多接近或超过地基土，如碎石、水泥土、混凝土等。在一些复合地基施工技术中，还有将桩体材料以静压、锤击等方式打入地层，或以高压喷射、渗透等方式将材料注入地层，由此形成桩基。上述两点都会导致地基土的自重应力增大，这对复合地基的承载性能存在不利影响。

近年来，土木工程中发展出轻质建筑材料，如轻质混凝土、轻质土等。轻质建筑材料的力学性能虽然较低，但其体积密度要远低于常规的建筑材料。对于由桩土共同承载的复合地基而言，在一些工况下，桩身强度无需过高。此时，选用轻质建筑材料制作桩体和垫层，便能够减小地基土的自重应力，由此可以抵消一部分上部荷载，进而提高复合地基的承载力。鉴于上述工作机理，对于以轻质材料/结构桩+轻质垫层为结构形式的复合地基，从设计角度而言，可称之为补偿性复合地基，而从材料角度而言，也可称之为轻质桩复合地基。

目前，《复合地基技术规范GB/T50783-2012》推荐了复合地基的设计方法，但它针对的是桩体材料密度接近或超过地基土的情况。如果在补偿性复合地基设计中完全套用现有规范的设计方法，便会低估复合地基的承载性能，从而造成工程造价的不必要增加。此外，复合地基沉降过大是其常见破坏形式。因此，针对补偿性复合地基，提出其按沉降控制优化的设计方法，以此确定出既满足地基承载要求且工程造价最低的设计方案，这对于提升复合地基承载性能、节省工程造价，是很有必要的。

二氧化碳等温室气体产生的重要来源便是水泥制造。选用轻质材料或轻质结构来建造复合地基，即补偿性复合地基，进一步提出它的优化设计方法，可以显著减少水泥、砂石等工程材料的用量。

名词解释：加固区：指由桩体和桩周土体组成的人工地基。下卧层：指加固区以下未被桩体加固的天然地基。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提出一种由轻质材料/结构桩+轻质垫层构成的补偿性复合地基，以提高复合地基承载性能；同时，针对缺乏合理、可靠的设计方法的现状，提出一种补偿性复合地基按沉降控制的优化设计方法，为补偿性复合地基的工程设计、造价节省等提供理论依据。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种补偿性复合地基，包括轻质桩，轻质桩之间填充有桩间土，轻质桩和桩间土顶部设置有轻质垫层，轻质垫层的材料选用重度小于桩间土的轻质填料，所述轻质填料包括轻质土和轻质混凝土；所述轻质桩是以挖土的方式成孔，再灌入重度小于桩间土的轻质混凝土或植入小于挖出土体重量的轻质结构桩，所述轻质结构桩包括预制薄壁管桩和现浇空心桩；所述轻质桩底部为桩底土。

一种补偿性复合地基按沉降控制的优化设计方法，所述补偿性复合地基包括若干根设置于地基中的轻质桩，轻质桩之间为桩间土；轻质桩底部为桩底土，轻质桩和桩间土的顶部覆盖有轻质垫层，轻质垫层的重度小于桩间土的重度；补偿性复合地基的优化设计方法包括如下步骤：

S1：确定补偿性复合地基的设计参数：

X＝[L

式中，X为补偿性复合地基设计参数向量；L

S2：根据地层情况，设置优化设计的初始参数X

S3：建立以工程造价最小为导向的优化设计目标函数：

f(X)＝f

式中，f(X)为工程总造价；f

S4：提出优化设计目标函数的约束条件g(X)，所述约束条件包括加固区承载力约束条件、下卧层承载力约束条件、最大沉降约束条件、差异沉降约束条件、稳定性约束条件；

S5：目标函数f(X)与约束条件g(X)结合形成补偿性复合地基优化设计数学模型；

S6：采用智能优化方法求解补偿性复合地基优化设计数学模型，得到满足所有约束条件g(X)且使目标函数f(X)的值最小的补偿性复合地基的最优设计参数，即最优解；

S7：参照S6得到的补偿性复合地基的最优设计参数，并根据现场施工条件，设计补偿性复合地基施工方案。

进一步的改进，步骤S4中，

①加固区承载力约束条件如下：

g

式中，p

②下卧层承载力约束条件如下：

g

式中，p

③最大沉降约束条件如下：

g

式中，s

④差异沉降约束条件如下：

式中，s

⑤稳定性约束条件如下：

g

式中，F

进一步的改进，所述加固区承载力约束条件中，经轻质垫层(1)和轻质桩(2)重量补偿后的复合地基上的修正压力值p′

式中，p

进一步的改进，所述下卧层承载力约束条件中，下卧层顶面处经轻质垫层和轻质桩重量补偿后的地基土修正自重压力值p′

进一步的改进，所述补偿性复合地基沉降约束条件中，加固区压缩变形量s

式中，Ψ

下卧层压缩变形量s

式中，L

进一步的改进，轻质桩选用轻质结构形式，则其实心等效重度

式中，ξ为轻质桩的截面面积实心比，即桩的实心段面积与总面积之比；γ

轻质桩的实心等效压缩模量

式中，γ

进一步的改进，所述智能优化方法包括小生境遗传算法、灰狼算法、细菌觅食算法、鲸鱼算法和粒子群算法；经轻质垫层和轻质桩重量补偿后，复合地基的承载力得到提高，承载力提高量ΔP按下式进行估算：

式中，m为面积置换率；γ

进一步的改进，所述轻质垫层的材料选用重度小于桩间土的轻质填料，所述轻质填料包括轻质土和轻质混凝土；所述轻质桩是以挖土的方式成孔，再灌入重度小于桩间土的轻质混凝土或植入小于挖出土体重量的轻质结构桩，所述轻质结构桩包括预制薄壁管桩和现浇空心桩。

本发明的有益效果为：

1、提出了由轻质材料/结构桩+轻质垫层组成的补偿性复合地基，相较于常规的复合地基，补偿性复合地基的桩体和垫层材料的重度更小、结构形式更轻巧，由此减小了地基土的自重应力，进而抵消了地面荷载引起的部分附加应力，这使得补偿性复合地基具有更高的承载力、更小的沉降和更好的稳定性。

2、提出了补偿性复合地基按沉降控制的优化设计方法，在复合地基承载力、沉降和稳定性验算中，该方法考虑了地基土自重应力减小对复合地基承载性能的补偿效应，故计算结果更加准确；基于智能算法开展优化设计，可获得能够满足复合地基承载力、沉降和稳定性要求，能用于现场施工，且工程造价最低的设计方案。本方法的提出，为补偿性复合地基的工程设计、成本节省等提供了理论依据。

3、本发明提出的补偿性复合地基及其优化设计方法，相较于常规的复合地基，可以显著地减少工程中水泥、砂石等材料的用量，进而减少碳排放，对环境保护具有重要价值。

附图说明

图1为本发明补偿性复合地基结构示意图。

图2为本发明补偿性复合地基按沉降控制的优化设计方法流程图。

图3为本发明补偿性复合地基加固区和下卧层的附加应力和自重应力分布。

图4为本发明轻质结构情况下轻质桩示意图

图中标号名称为：

1-轻质垫层；2-轻质桩；201-空心段；202-实心段；203-上封头；204-下封头；3-桩周土；4-桩底土。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步描述。需要说明的是，实施例并不对本发明要求保护的范围构成限制。

实施例1

如图1所示，一种补偿性复合地基，包括轻质垫层1和轻质桩2。所述轻质垫层1设置于轻质桩2和桩间土3顶部，轻质垫层1的材料选用重度小于桩间土3的轻质填料，如轻质土、轻质混凝土等。所述轻质桩2是以挖土的方式成孔，如旋挖或人工挖孔等，以减小加固区的自重应力。桩孔成孔后，灌入重度小于桩间土3的轻质混凝土或植入/现浇小于挖出土体重量的轻质结构桩，如预制薄壁管桩和现浇空心桩，以此成桩，可以进一步减小加固区的自重应力，如图3；所述轻质桩2底部为桩底土4。

本实施例中，桩间土3和桩底土4均为粉质黏土，其重度γ

实施例2

如图2所示，在轻质桩2的材料为轻质混凝土情况下，一种补偿性复合地基按沉降控制的优化设计方法，其步骤如下：

S1：确定补偿性复合地基的设计参数X。

本实施例以轻质桩2的桩长L

X＝[x

S2：根据地层情况，设置优化设计初始参数X

本实施例中，复合地基顶面作用有路堤荷载，压力值p

S3：建立以工程造价最小为导向的优化设计目标函数f(X)：

经调研，轻质垫层1所用气泡轻质土为400元/m

经计算，在初始设计参数X

提出按沉降控制的优化设计约束条件，包括如下4个条件：

①加固区承载力满足要求：

g

按《复合地基技术规范GB/T50783-2012》推荐方法计算出补偿性复合地基承载力特征值f

初始设计参数下，经轻质垫层1和轻质桩2重量补偿后的复合地基上的修正压力值为：

②下卧层承载力满足要求：

g

按《复合地基技术规范GB/T50783-2012》推荐方法计算出下卧层顶面处的附加压力值p

初始设计参数下，下卧层顶面处经轻质垫层1和轻质桩2重量补偿后的地基土修正自重压力值为：

③复合地基最大沉降满足要求：

g

按《复合地基技术规范GB/T50783-2012》推荐方法确定为地基容许沉降量[s]。

初始设计参数下，加固区复合压缩模量为：

沉降计算厚度h

下卧层压缩变形量s

本实施例为路堤荷载，即可视为条形基础，取应力扩散角β＝20°，经计算p

④差异沉降满足要求：

s

⑤复合地基稳定性满足要求：

g

F

S5：结合目标函数f(X)与约束条件g(X)，建立补偿性复合地基优化设计数学模型：

S6：基于粒子群算法，求解步骤S5建立的补偿性复合地基优化设计数学模型的全局最优解，即满足复合地基承载力、沉降和稳定性等约束条件下，工程造价最低的解答。本实施例选用灰狼算法求解出最优解为：L

S7：根据现场施工条件，确定出可用于施工的补偿性复合地基设计方案。本实施例设计为：L

实施例3

如图4，轻质桩2在选用轻质结构形式的情况下，其实心等效重度

轻质桩2的实心等效压缩模量按下式计算：

本实施例，用C30混凝土将轻质桩2现浇成空心桩，其外径D＝0.6m、内径D′＝0.4m，则轻质桩2的截面面积实心比ξ＝A