De fundering vormt de onderste structuur die belastingen van gebouwen overbrengt naar de ondergrond, en dient als een kritieke schakel tussen bovenbouw en ondergrond. Het draagt interne krachten die ontstaan door de interactie van bovenbouwbelastingen en reactiekrachten van de ondergrond. Omgekeerd fungeren de reactiekrachten aan de basis van de fundering als belastingen op de ondergrond, wat spanning en vervorming veroorzaakt. De ondergrond verwijst naar het beperkte gebied dat de fundering van het gebouw ondersteunt. Wanneer de draagkracht van de ondergrond niet voldoet aan de belastingen die van de bovenbouw worden overgebracht, worden funderingsbehandeling of paalfunderingoplossingen noodzakelijk om aan de draagvermogenvereisten te voldoen. De effectiviteit van ondergrondbehandeling heeft directe invloed op de kwaliteit, kosten en planning van het project. Gangbare methoden voor ondergrondbehandeling omvatten vervangingsbedding, voorbelasting, verdichte ondergrond, samengestelde ondergrond en injectieversterking. Deze discussie richt zich op CFA-paal samengestelde ondergrond, een veelgebruikte techniek bij samengestelde ondergrondtoepassingen.

CFA-paal samengestelde funderingen worden veelvuldig toegepast in bouw- en funderingsbehandelingsprojecten vanwege hun eenvoudige constructie, kosteneffectiviteit en sterke aanpasbaarheid, met name bij meerlaagse woongebouwen, openbare constructies en industriële installaties. Tijdens de ontwerpfase zijn doorgaans uitgebreide aanpassingen en optimalisaties vereist voor belangrijke parameters zoals paallengte, diameter en onderlinge afstand om te voldoen aan meerdere vereisten, waaronder funderingsdraagvermogen, deformatiebeheersing en kosteneffectiviteit. Hoewel maatregelen zoals het vergroten van de paallengte, het vergroten van de paaldiameter of het verkleinen van de onderlinge afstand het draagvermogen effectief kunnen verhogen, toont praktische technische ervaring aan dat verschillende strategieën voor parameteraanpassing vaak aanzienlijk verschillende effecten hebben op de projectkosten, de bouwtijd en de haalbaarheid. Daarom zijn gedetailleerde analyse en beoordeling op basis van de werkelijke omstandigheden essentieel.

Ⅰ. Paallengte

De belangrijkste overweging bij het bepalen van de paallengte is het draagvermogen. Doorgaans moet de paallengte worden bepaald door ontwerpeisen, draagvermogen en het natuurlijke draagvermogen van de onderliggende laag te integreren. Met een paaldiameter van 400 mm en een onderlinge afstand van 3-5 keer de paaldiameter, gecombineerd met geotechnische kolomdiagrammen, kan een relatief gunstige draaglaag worden geïdentificeerd. Zodra de draaglaag aan het paaleinde is bevestigd, is de paallengte in wezen definitief bepaald.

·  De paallengte moet ook worden bepaald door de zettingsbeheersing, vooral voor lagen met een harde bovenlaag en zachte onderlaag of een dikke zachte tussenlaag. Aangezien de draaglaag van goede kwaliteit is, is de bijdrage van de grond tussen de palen groot, en kan de kortere paallengte voldoen aan de eis van draagvermogen. Echter, omdat de grondkwaliteit van de onderliggende laag slecht is, mag de paallengte niet alleen worden bepaald door het draagvermogen, maar moet deze de zachte grondlaag doordringen tot in de betere grondlaag of moet de paallengte voldoen aan de beheersingsvereiste.

·  Bij het bepalen van de paallengte moeten de maximale boordiepte van de bouwmachines en de operationele omstandigheden in acht worden genomen. Momenteel kunnen in eigen land geproduceerde lange spiraalboren een maximale boordiepte van 40 m bereiken, maar de meeste op de markt zijn modellen met diepten onder de 30 m. Voor lange spiraalboren met een boordiepte van meer dan 30 m is marktonderzoek essentieel. Over het algemeen leiden grotere apparatuur tot hogere bouwkosten per vierkante meter.

Ⅱ. Paaldiameter

De keuze van de paaldiameter moet rekening houden met de constructietechnieken, de onderlinge afstand, de verhouding tussen lengte en diameter, en de efficiëntie van materiaalgebruik. Over het algemeen zijn paaldiameters van 400 mm en 500 mm het meest economisch. Als de verhouding tussen lengte en diameter buitensporig hoog blijft of de onderlinge afstand te dicht is bij palen met een diameter van 400 mm, moet een grotere diameter worden overwogen.

III. Paalafstand

De onderlinge afstand tussen de palen moet worden bepaald door rekening te houden met de paallengte, de diameter, de vereisten voor het draagvermogen en de methoden voor de paalindeling. Binnen het aanbevolen bereik van 3 tot 5 keer de paaldiameter is een grotere onderlinge afstand te verkiezen. Het vergroten van de paallengte-verhouding om de onderlinge afstand te verkleinen is gunstiger voor de zettingsbeheersing.

Vanuit constructieoogpunt vermindert het vergroten van de paallengte het benodigde aantal palen, waardoor de frequentie van het verplaatsen van apparatuur afneemt en de algehele efficiëntie wordt verbeterd. De grotere onderlinge afstand tussen de palen minimaliseert ook de bodemverplaatsingseffecten en de kans op gatmigratie. Wanneer verlengde paallengtes de paaleinden in staat stellen superieure grondlagen te bereiken—waar hogere draagkracht en samendrukkingsmodulus aanwezig zijn, en waar CFA-palen hun eindweerstand beter kunnen uitoefenen—levert deze aanpak aanzienlijk grotere technische en economische voordelen op in vergelijking met het verkleinen van de onderlinge afstand. In dergelijke gevallen moet de maximaal toegestane paallengte binnen de boordiepte van de apparatuur worden benut, terwijl de onderlinge afstand tussen de palen proportioneel wordt vergroot.

IV. Casusanalyse

Dit commerciële gebouw heeft zes bovengrondse verdiepingen en één kelderverdieping, gebouwd met een frameconstructie. Het ontwerp voorziet in onafhankelijke funderingen onder de framekolommen, aangevuld met CFA-paal samengestelde funderingen voor lokale behandeling. De totale standaardwaarde van de verticale belasting is 6000 kN. De draaglaag van de fundering bestaat uit middelmatig dichte fijnzand, met een natuurlijk draagvermogen van 160 kPa. De paaleind-draaglaag, een 13 meter dikke grofzandlaag, vertoont een hoge draagkracht en samendrukkingsmodulus, waardoor het een ideale keuze is voor ondersteuning aan het paaleinde.

De CFA-paaldiameter is ingesteld op 400 mm. Gezien de gunstige en relatief dikke draaglaag aan het paaleinde, die grotere flexibiliteit in paallengte toelaat, werd een ontwerpaanpak gekozen die vaste onderlinge afstand combineert met omgekeerde berekening van de paallengte. Twee afstandsschema's werden geïmplementeerd: 4d en 3d afstand, met uitgebreide technisch-economische vergelijkingen naast onafhankelijke funderingsanalyse. Volgens het principe van een uniforme paalvervangingsgraad onder de fundering werd de afstand van de paalrand uniform ingesteld op de helft van de paalafstand. Bijgevolg zijn de funderingsafmetingen voor het 4d-schema 4,8 m×4,8 m, terwijl die voor het 3d-schema 3,6 m×3,6 m zijn, zoals geïllustreerd in de onderstaande figuur.

Optie 1 (linker figuur): 4d paalafstand, 13,5 m paallengte

Optie 2 (rechts): 3D paalafstand met 16,0 m paallengte

De berekende karakteristieke waarden van het draagvermogen op basis van de resulterende verticale kracht en de afmetingen van het funderingsplan mogen niet minder zijn dan respectievelijk 265 kPa en 460 kPa. Op basis van de vereiste karakteristieke waarden van het draagvermogen en de paalafstand, moeten de karakteristieke waarden van het draagvermogen van de enkele paal niet minder zijn dan respectievelijk 685 kN en 835 kN. Alle betonsterkteklassen moeten voldoen aan C30-vereisten. De paallengtes die voortvloeien uit de karakteristieke waarden van het draagvermogen van de enkele paal zijn respectievelijk 13,5 m en 16,0 m. Beide paallengtes dringen door de grofzandlaag, met doordringingslengtes van respectievelijk 1,65 m en 4,15 m.

Beide schema's kunnen voldoen aan de eis van draagvermogen, maar er is een groot verschil in het algehele technische en economische effect.

Vanuit technisch oogpunt dringt de 16 meter lange paal verder door de grofzandlaag, wat zorgt voor een grotere draagkracht. Wat betreft de beheersing van de funderingsvervorming, presteren langere palen beter dan kortere. Economisch gezien neemt het totale betonverbruik voor 16 meter lange palen toe, maar het betonverbruik voor onafhankelijke funderingen wordt aanzienlijk verminderd. Het gecombineerde betonverbruik voor palen en funderingen kan worden verminderd met 11,3 m³³, wat een reductie van 23,7% vertegenwoordigt. Bovendien, vanwege de kleinere funderingsafmetingen en kortere hefboomarmen, wordt de wapening aanzienlijk verminderd ondanks de toegenomen gronddruk. Met dezelfde funderingshoogte kan het aantal staven worden verminderd van 32 staven van 22 mm (825 kg) naar 21 staven van 22 mm (406,1 kg), wat een reductie van meer dan 50% oplevert.

Daarom, onder de voorwaarde van een constante belasting aan de onderkant van de kolom, heeft het schema van het vergroten van de paallengte en het verkleinen van de funderingsvlakte een duidelijk economisch voordeel ten opzichte van het verkleinen van de paallengte en het vergroten van de funderingsvlakte.

V. Samenvatting

De paalplaatsing voor CFA-paal samengestelde funderingen is doorgaans beperkt tot het projectiegebied van de fundering. De keuze van paallengte, diameter en onderlinge afstand heeft niet alleen directe invloed op het algehele draagvermogen en de deformatiekenmerken van de fundering, maar beïnvloedt ook significant de projectkosten, de bouwtijd en de organisatorische efficiëntie. Daarom moet voorafgaand aan de definitieve paalindeling en het funderingstype een uitgebreide multi-parameter en multi-scenario technisch-economische analyse worden uitgevoerd. Deze analyse moet rekening houden met de specifieke geologische omstandigheden, structurele vereisten en bouwbronnen van het project om uiteindelijk de optimale oplossing te selecteren die de beste economische voordelen, technische rationaliteit en geschiktheid voor de implementatieomstandigheden van het project biedt.