剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)要點(diǎn)

呂恒柱

(南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇南京 210019)

剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)要點(diǎn)

呂恒柱

(南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇南京 210019)

高層建筑工程中采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁置換部分土體，形成由增強(qiáng)體和周圍地基土共同承擔(dān)荷載的剛性樁復(fù)合地基，該方法既能充分發(fā)揮樁和樁間土的承載性能,又能很好地協(xié)調(diào)地基的變形。結(jié)合多項(xiàng)剛性樁復(fù)合地基工程實(shí)例的設(shè)計(jì)過程及其適用情況，重點(diǎn)探討了剛性樁復(fù)合地基的持力層選擇、樁徑比選擇、褥墊層設(shè)置、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析、地基檢測及沉降計(jì)算等方面的內(nèi)容，對推廣剛性樁復(fù)合地基更為廣泛的工程應(yīng)用，具有積極的實(shí)際意義。

剛性樁復(fù)合地基； 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁； 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中當(dāng)?shù)鼗休d力特征值大于上部建筑附加壓力時(shí)，我們會(huì)考慮選擇天然地基基礎(chǔ)；當(dāng)?shù)鼗休d力特征值小于上部建筑附加壓力，我們大多傾向于選擇樁基礎(chǔ)。天然地基基礎(chǔ)上部建筑荷載作用全部由基礎(chǔ)下持力層承擔(dān)；樁基礎(chǔ)上部建筑荷載作用全部由樁基承擔(dān)，不考慮土層分擔(dān)作用，介于兩種基礎(chǔ)之間的是考慮樁土共同工作的復(fù)合地基基礎(chǔ)。以往在早期復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的常規(guī)思路里，因多層建筑復(fù)合地基基底荷載不大，且復(fù)合地基主要應(yīng)用于軟土地基里，一般采用柔性增強(qiáng)體提高地基承載力的地基處理手段，而柔性增強(qiáng)體多采用散體材料(如砂石樁)和有粘結(jié)強(qiáng)度材料(如水泥土攪拌樁、CFG 樁、灰土擠密樁等)進(jìn)行復(fù)合，增強(qiáng)體樁為摩擦型樁，以更好地發(fā)揮樁土共同工作性能。新版的《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79-2012)與《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783 -2012)允許采用剛性樁作為復(fù)合地基的增強(qiáng)體，這就為那些承載力較高但修正后仍無法滿足天然地基要求的土層( 如殘積土、全風(fēng)化巖等) 提供了新的設(shè)計(jì)思路，即采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁上覆褥墊層的剛性樁復(fù)合地基。

1 工程案例

1.1 工程案例一

長沙市某工程項(xiàng)目由6棟上部34層、主屋面高度約100 m、地下室2層的高層住宅樓組成，均采用剪力墻結(jié)構(gòu)。工程場地類別為Ⅱ類，屬?zèng)_積地貌類型，底板下土層基本為④層全風(fēng)化板巖，fa=260 kPa，僅少數(shù)為②層粉質(zhì)黏土，fa=200 kPa。天然地基的承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求，地勘報(bào)告建議采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，以④層全風(fēng)化板巖為持力層，樁長較短，施工快捷經(jīng)濟(jì)，但我們考慮到混凝土管樁施工期間為春雨連綿的季節(jié)，雨水充足，混凝土管樁灌水后會(huì)使持力層全風(fēng)化板巖泡水軟化，對樁基承載力影響較大，周邊其他工地出現(xiàn)過類似的工程事故，不宜采用，故分別考慮了以下三種基礎(chǔ)方案。

1.1.1 天然地基方案

假定采用天然地基，筏板厚度按1. 6 m( 按每層5 cm)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]第5. 2. 4 條，考慮到整個(gè)地下室并未全部為筏板基礎(chǔ)，擬按照地下室自重?fù)Q算的土層厚度進(jìn)行修正。經(jīng)計(jì)算，考慮了覆土、頂板、負(fù)一層板和筏板的總恒載Gk為81 kPa，折算覆土厚度為4.5 m。修正后的地基土承載力特征值為：fa=faK+ηb(b-3)+ηdγm(d-0.5)=383kPa。根據(jù)JCCAD程序計(jì)算可知筏板基底平均應(yīng)力為pk=533 kPa>fa，因此天然地基方案不可行。

1.1.2 復(fù)合樁基方案

根據(jù)文獻(xiàn)[3]第5. 2. 5 條，考慮承臺(tái)效應(yīng)的復(fù)合樁基承載力特征值按下列公式計(jì)算：R=Ra+ηc·faK·Ac，Ac=(A-n·Aps)/n，取單樁承載力特征值Ra=800 kPa，Sa/d=3. 5 及Bc/l>0.8，查表5.2.5，取ηc=0.16，Ac=2.867 m2，則R=919 kN，也就是樁土作用下單樁承載力提高約15%，相當(dāng)于地基承載力fa為300 kPa，還不如修正后的天然地基承載力。分析上述R的計(jì)算公式可知，因樁與樁間土的變形剛度差較大，需要樁承載并有較多沉降后天然地基因變形而產(chǎn)生基地反力，故對于本身單樁豎向承載力低的，若采用復(fù)合樁基的模式，樁間土遠(yuǎn)未發(fā)揮應(yīng)有的承載力，難以提供設(shè)計(jì)所需的承載力，該方案亦不可行。

1.1.3 復(fù)合地基方案

根據(jù)文獻(xiàn)[2]第7.1.5 條，復(fù)合地基的承載力計(jì)算式為：fspk=λmRa/Ap+β(1-m)fsk，采用直徑500mm的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為樁體，樁距s=1. 75 m，上覆砂碎石褥墊層200厚，計(jì)算參數(shù)如下：de=1.05s=1.84 m； 置換率m=d2/de2=0.52/1.842=0.074，取m= 0. 07；βp=1βs=0.9Ra=720kN；Ap=0.196m2；則fspk=475 kPa。依據(jù)規(guī)范不考慮寬度修正且深度修正系數(shù)取1. 0，則特征值為：fa=fspk+ηd·γm(D-0.5)=547 kPa>533 kPa。采用復(fù)合地基的方案能夠滿足地基承載力的要求。該方案置換率m達(dá)到7 %，承載力較天然地基提高了75 %。

由單樁靜載試樁和4 m2單樁復(fù)合地基試驗(yàn)以及工程竣工2年內(nèi)的沉降觀測數(shù)據(jù)可知，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均能滿足設(shè)計(jì)要求，說明預(yù)應(yīng)力混凝土管樁復(fù)合地基在本工程中的應(yīng)用是成功的。

1.2 工程案例二

淮安市某項(xiàng)目總建筑面積37×104m2，由11幢26～33層高層住宅、5棟多層商業(yè)及地下車庫組成，其中20#～22#住宅樓為34層，主屋面高度為96.9 m，采用剪力墻結(jié)構(gòu)。高層主樓部分基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)多方案比較后均采用剛性樁復(fù)合地基。

22#樓在整個(gè)小區(qū)中先期施工。其地下室底板位于③層可塑性黏土，其fak=220 kPa，采用直徑500 mm的混凝土管樁，樁長14 m，樁距1.8 m×1.9 m，置換率為5.73 %的剛性樁復(fù)合地基，其承載力fpsk為450 kPa。工程前期靜載試樁加載四級至五級時(shí)，有“突降”將壓樁過程中上抬量抵消后，荷載能繼續(xù)加到設(shè)計(jì)要求。工程樁施工完成后，擠土效應(yīng)使得樁體普遍上抬60～80 mm。為避免后續(xù)的單體施工中出現(xiàn)類似情況，將接下來準(zhǔn)備施工的21#樓樁長減短，并作了三種對比方案，如表1所示。

表1 21#樓三種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案分析表

其中，方案三按樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，因建筑高度超過60 m，需采用直徑600 mm的管樁，樁長14 m，Ra=1 600 kN布置，仍需滿堂布置采用筏板，造價(jià)最高，若要達(dá)到剪力墻下布樁，還需加樁長提高單樁承載力，考慮到前期施工的22#樓樁長14 m已出現(xiàn)擠土上抬現(xiàn)象，該方案不可實(shí)現(xiàn)且技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最差。設(shè)計(jì)院傾向于方案一，樁土共同工作性能好，擠土效應(yīng)不利影響也較小，由于單樁分?jǐn)偯娣e小，載荷板試驗(yàn)加載量減小1/3。最后，業(yè)主考慮方案一打樁數(shù)量多、工期長，不能滿足集團(tuán)制定的工期要求，最終選擇了方案二。

健康教育前后風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別能力、尋求幫助能力、協(xié)商能力、拒絕能力等防艾生活技能分別為 （1.76±0.21）、（1.80±0.17）、（1.78±0.18）和（1.80±0.16）分，均高于教育前，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （χ2=30.850、52.860、41.564 和 40.225，P＜0.01），見表 1。

1.3 工程案例三

工程概況參考文獻(xiàn)[6]所述，基底位于④層黏土層，土層承載力特征值fak=210 kPa，天然地基不能滿足承載力要求，勘察報(bào)告給出了兩種基礎(chǔ)方案：預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)?；A(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了以下因素：(1)采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁所需樁長較長，配重大，需穿越較深的中密砂層，壓樁需引孔，施工難度及費(fèi)用大幅增加；(2)采用鉆孔灌注樁則周期長、造價(jià)高且對周圍環(huán)境產(chǎn)生一定污染；(3)為了充分利用地基土的承載能力,考慮樁、土共同作用,擬采用復(fù)合地基方案，但CFG水泥土樁復(fù)合地基由于成樁設(shè)備與工藝水平的限制, 成樁直徑與深度都不大, 單樁承載力提高不明顯，達(dá)不到設(shè)計(jì)所要的承載力。通過對當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有樁基施工設(shè)備的調(diào)查，綜合考慮本工程的地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)荷載情況及地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 最終確定了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁復(fù)合地基方案。

以上三項(xiàng)工程均已竣工投入使用。每項(xiàng)工程本著經(jīng)濟(jì)節(jié)約的原則，均考慮了多種基礎(chǔ)方案綜合比較，供業(yè)主選擇，施工過程中，因均為單節(jié)樁體沒有接樁也沒有出現(xiàn)截樁和斷樁現(xiàn)象，施工過程較為順利，既節(jié)約了投資又簡化了現(xiàn)場工作量，縮短了工期。剛性樁復(fù)合地基取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，贏得了業(yè)主的滿意。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)

綜合多項(xiàng)采用剛性樁復(fù)合地基工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了如下幾點(diǎn)心得體會(huì)，供其他類似工程作進(jìn)一步的探討。

2.1 持力層的選擇

高層和大高層住宅基礎(chǔ)采用復(fù)合地基時(shí)，增強(qiáng)體不應(yīng)采用離散性較大的載體，宜采用樁身強(qiáng)度較高的剛性樁，樁端持力層宜選擇硬塑，黏土層中密砂層，乃至更好的強(qiáng)風(fēng)化巖層，密實(shí)砂層，但要注意對于這類低壓縮性層樁端進(jìn)入不宜過深。樁按端承摩擦樁設(shè)計(jì)，對控制高層建筑的沉降變形有好處。上述工程案例的樁端持力層分別選擇為：全風(fēng)化板巖和硬塑粉質(zhì)黏土，地基承載力均大于200 kPa，采用單節(jié)混凝土管樁復(fù)合地基后，地基承載力能達(dá)到400～450 kPa，基本滿足高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所需的承載力。

2.2 樁徑比的選擇

樁土應(yīng)力比是在復(fù)合地基的受力過程中，樁頂?shù)钠骄鶓?yīng)力與樁間土的平均應(yīng)力之比，即n=σp/σs，正常工作狀態(tài)下，樁土應(yīng)力比相對比較穩(wěn)定。由文獻(xiàn)[8]研究可知，特征值荷載下樁間土承擔(dān)的荷載均超過其承載力特征值，而樁的承載能力遠(yuǎn)未得到充分發(fā)揮。此時(shí)，樁、土承載力發(fā)揮系數(shù)的平均值分別為0.72和1.78，因此剛性樁復(fù)合地基宜采用小直徑樁。在樁的荷載分擔(dān)比一致條件下，樁的直徑小、數(shù)量多，樁土共同性能發(fā)揮好于樁直徑大、數(shù)量較少的情況，且上述工程案例表明，樁徑小數(shù)量多的基礎(chǔ)方案造價(jià)也較節(jié)省。由工程案例一可知，復(fù)合樁基仍屬于樁基范疇，與復(fù)合地基適用條件恰相反。

剛性樁復(fù)合地基與基礎(chǔ)之間應(yīng)設(shè)置墊層，它是剛性樁與基底土層形成復(fù)合地基共同工作的重要條件，在褥墊層內(nèi)相對的位移可調(diào)整樁土荷載的樁土分擔(dān)比。褥墊層厚度一般為100～300mm。樁土應(yīng)力比值大時(shí)墊層厚度取小值，剛性樁抗壓承載力、樁徑、樁距大時(shí)取較大值，即褥墊層越厚，土分擔(dān)的水平荷載越百分比越大，樁分擔(dān)的水平荷載百分比越小。褥墊層宜選用中砂、粗砂級配良好的砂石、碎石、粒徑不宜大于30mm，同時(shí)預(yù)應(yīng)力管樁樁頂可采取設(shè)置混凝土樁帽或采用高于增強(qiáng)體強(qiáng)度等級的混凝土灌芯的技術(shù)措施，減少樁頂?shù)拇倘胱冃巍?/p>

2.4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

剛性樁復(fù)合地基的底板高要有一定的剛度以調(diào)節(jié)樁土之間應(yīng)力分配，80～100m的高層建筑筏板，一般為1.3～1.5m，剛性樁復(fù)合地基樁基能夠充分利用樁間土的作用，所需的樁體長度和樁徑比樁基礎(chǔ)要小，故樁的造價(jià)節(jié)省很多。而當(dāng)單樁承載力較高，樁可沿剪力墻下布置時(shí)，條形承臺(tái)之間設(shè)防水板，此時(shí)，樁基礎(chǔ)不一定比剛性樁復(fù)合地基造價(jià)高。當(dāng)造價(jià)相近時(shí)，采用剛性樁復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)各有優(yōu)勢。復(fù)合地基的檢測要求高，除了要載荷板試驗(yàn)因素，還必須做單樁靜載試驗(yàn)，但其整體穩(wěn)定性、抗傾覆性及樁基抗水平能力優(yōu)于樁基礎(chǔ)。同時(shí)，采用樁基礎(chǔ)為獲取較高的單樁承載力，需穿越一定厚度的中密或密實(shí)土層，施工可能需要引孔，出現(xiàn)斷樁、擠土效應(yīng)及施工周期增加。因此，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮相關(guān)因素。

2.5 復(fù)合地基檢測要點(diǎn)

復(fù)合地基的檢測應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)因復(fù)合地基承載力理論計(jì)算有很強(qiáng)的地區(qū)性，施工前必須做復(fù)合地基載荷板試驗(yàn)和單樁靜載試驗(yàn)，以確定復(fù)合地基承載力；(2)地質(zhì)條件相近，樁型、直徑、樁長和置換率相同的條件下，載荷板試驗(yàn)不少于3塊，單樁豎向承載力靜載試驗(yàn)不少于3根且不少于總樁數(shù)的1%；若一項(xiàng)目有多棟單體建筑，載荷板試驗(yàn)每棟不少于1塊，總數(shù)不少于3塊，單樁靜載試樁不少于1根，并且總數(shù)不少于3根；(3)剛性樁復(fù)合地基質(zhì)量驗(yàn)收檢測，根據(jù)文獻(xiàn)[4]第14.4.3條，可抽取剛性樁進(jìn)行單樁豎向靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)量為總樁數(shù)的0.5%，且每個(gè)單體工程的試驗(yàn)數(shù)量不應(yīng)少于3根。

2.6 基礎(chǔ)沉降計(jì)算

復(fù)合地基的沉降控制是復(fù)合地基設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的問題。目前地基基礎(chǔ)沉降驗(yàn)算仍是經(jīng)驗(yàn)性的計(jì)算方法，按規(guī)范所做的沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料差距很大，用不同的沉降計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果往往相差好幾倍，這方面的工作有待研究改進(jìn)，復(fù)合地基沉降驗(yàn)算可參照分層總合法計(jì)算，其中主要問題是復(fù)合地基壓縮模取值，建議復(fù)合地基壓縮模量，按文獻(xiàn)[2]第7.1.9條確定，根據(jù)江蘇地區(qū)大量的工程實(shí)測經(jīng)驗(yàn)剛性樁復(fù)合地基實(shí)測沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計(jì)算值。上述工程案例二和工程案例三的剛性樁復(fù)合地基，當(dāng)樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層或密實(shí)砂層，單樁豎向靜載試驗(yàn)達(dá)到極限荷載時(shí)，沉降約為30～40mm。

3 結(jié)束語

(1)重視基礎(chǔ)選型的工作和方案比較。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有唯一解，基礎(chǔ)的工程造價(jià)在整個(gè)工程造價(jià)中所占的比例較高，基礎(chǔ)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對建筑的總造價(jià)有很大影響?；A(chǔ)方案的分析、比較與選擇，對高層建筑來說十分必要。在高層建筑中，地基承載力和地基變形是影響地基基礎(chǔ)方案的主要因素，為滿足地基承載力和地基變形要求，一般情況下應(yīng)優(yōu)先考慮地基處理方案，最大程度地利用了天然地基承載力,可提高地基承載力30 %～50 %。

(2)采用混凝土管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì),突破了僅用純樁基或CFG樁等柔性樁體復(fù)合地基的傳統(tǒng)觀念，較柔性樁復(fù)合地基有著更強(qiáng)的優(yōu)勢。縮短樁長后,通過褥墊層調(diào)整樁頂和樁間土的應(yīng)力比,充分發(fā)揮樁間土潛力,協(xié)調(diào)當(dāng)樁端持力層不同時(shí),樁土的變形問題，減少地基的沉降量。不但提高地基承載力幅度較高, 而且在控制地基變形上顯得更強(qiáng)勢。通過協(xié)調(diào)提高樁體承載力與增大置換率兩者關(guān)系達(dá)到實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，剛性樁復(fù)合地基具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]GB50007-2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ79-2012 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JGJ94-2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[4]GB/T50783 -2012 復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范[S].

[5]JGJ/T327-2014 勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程[S].

[6] 呂恒柱. 預(yù)應(yīng)力砼管樁復(fù)合地基在高層建筑中的應(yīng)用[J]. 建筑技術(shù)開發(fā),2012(8).

[7] 劉漢龍. 現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比影響因素分析[J]. 巖土力學(xué),2008(8).

[8] 肖成安. 管樁復(fù)合地基樁土承載力發(fā)揮度研究[J]. 施工技術(shù),2014(10).

TU47

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[定稿日期]2015-06-24

[作者簡得]呂恒柱(1980～),男，碩士，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。