預(yù)制樁基礎(chǔ)在工程實例中的設(shè)計應(yīng)用

王秀峰

(山西省環(huán)境工程設(shè)計院，山西 太原 030012)

0 引言

隨著我國建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，各大城市高樓林立，大型公共建筑、工業(yè)廠房不斷涌現(xiàn)，各種建(構(gòu))筑物設(shè)計也在向高、大方向發(fā)展，樁基礎(chǔ)被越來越廣泛的采用。樁基的使用已日益普及，鋼筋混凝土預(yù)制樁因其承載力較高、樁身質(zhì)量易于保證、施工機械化程度高、進度快、能適應(yīng)不同土層施工和檢查、樁身混凝土的密度大、抗腐蝕性能強、施工工效高等優(yōu)點而備受親睞。

1 工程概況

本工程為某原料系統(tǒng)儲料倉，位于山西省太原市北部地區(qū)，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總高22.5 m。根據(jù)地質(zhì)勘探報告選擇鋼筋混凝土預(yù)制樁。

2 場地工程地質(zhì)條件

1)地形地貌。該工程位于太原市北部尖草坪區(qū)，從地貌上看屬于平坦的沖洪積平原，汾河?xùn)|岸Ⅰ級階地，工程地質(zhì)分區(qū)屬于太原盆地次穩(wěn)定工程地質(zhì)亞區(qū)。從地形上看擬建場地較為平坦，地面標高介于801.20～802.50之間。2)場地巖土構(gòu)成與工程特性。根據(jù)勘探的資料及場地的工程地質(zhì)情況，整個場地在50 m深度范圍內(nèi)地層主要由新近堆積的人工填土、第四系全新統(tǒng)沖洪積形成的粉土、粉砂和卵石組成，各層土巖性特征及工程地質(zhì)特性分區(qū)描述如下:a.地基土的巖性特征。①層人工填土:雜色，分布于表面。主要由碎磚、煤屑、碎石、磚塊及粘性土組成，稍濕。該土層成分不均，系人工成因，結(jié)構(gòu)松散，力學性質(zhì)較差。該層層厚0.7 m～2.1 m，分布于整個場地。層底標高介于799.08 m～801.14 m之間。②層粉土:黃褐色，含氧化鐵條紋及云母，局部夾有砂類土薄層，稍密，濕。搖振反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，干強度低，韌性低。具有中等壓縮性。該層層厚在2.5～3.5之間，分布于整個場地。底層標高介于794.34 m～797.84 m之間。③層粉土:黃褐色，含氧化鐵條紋及云母，局部夾有砂土薄層，濕，中密。振搖反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，干強度低，韌性低。具有中等壓縮性。該層層厚在9.7 m～11.5 m之間，分布于整個場地。底層標高介于784.39～786.13之間。④層粉土:黃褐色～灰褐色，含氧化鐵條紋及云母，中密，搖振反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，干強度低，韌性低，飽和，具有中等壓縮性，局部夾有細砂透鏡體及粉質(zhì)粘土。該層層厚在13 m～15.1 m，分布于整個場地。底層標高在770.63 m～775.70 m之間。⑤層卵石:雜色，主要由石灰?guī)r與砂巖巖塊組成，一般粒徑在2 cm～5 cm，最大粒徑8 cm，中密～密實狀態(tài)。顆粒級配較好，磨圓度較差，充填物為粗礫砂及粘性土。該層層厚在2.5 m ～3.5 m，分布于整個場地，層底標高介于 767.03 m ～769.44 m之間。⑤1層粉砂:黃褐色～灰褐色，由石英、長石、云母等組成，含氧化鐵，呈稍密～中密狀態(tài)，該層分布于第⑤層卵石頂部、底部，該層層厚在0.7 m～3.5 m，分布于整個場地。⑥層粉土:黃褐色～灰褐色，含氧化鐵條紋及云母，局部夾有粉質(zhì)粘土薄層。濕，搖振反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，干強度低，韌性低，具有中等壓縮性，該層厚都大于8.0 m。b.各土層的承載力特征值。根據(jù)勘察資料及地區(qū)經(jīng)驗，場地內(nèi)除第①層人工填土不宜做天然地基外，以上各層土的地基承載力特征值fak可采用表1所列數(shù)值。

3 樁基礎(chǔ)設(shè)計

由于工期緊、上部建筑荷載較大，選擇鋼筋混凝土預(yù)制樁。樁徑與樁長的確定:樁徑的確定應(yīng)綜合考慮荷載的大小、土層性質(zhì)與樁周土阻力狀況、樁基類型與結(jié)構(gòu)特點、樁的長徑比以及本項目中，上部荷載較大，參考類似條件建筑物及經(jīng)驗初步確定預(yù)制樁截面尺寸為0.3 m×0.3 m，然后通過基樁計算和驗算，視所擬定的尺寸是否經(jīng)濟合理，再行最后確定。確定樁長的關(guān)鍵在于選擇樁端持力層，因為樁端持力層對于樁的承載力和沉降有著重要影響。設(shè)計時，可先根據(jù)地質(zhì)條件選擇適宜的樁端持力層初步確定樁長，并應(yīng)考慮施工的可行性。一般都希望把樁底置于巖層或堅硬的土層上，以得到較大的承載力和較小的沉降量。如在施工條件容許的深度內(nèi)沒有堅硬土層存在，應(yīng)盡可能選擇壓縮性較低、強度較高的土層作為持力層，要避免使樁底坐落在軟土層上或離軟弱下臥層的距離太近，以免樁基礎(chǔ)發(fā)生過大的沉降。根據(jù)本項目實際情況，土層標號③的地基承載力特征值fak=150 kPa，擬定樁長15 m，采用預(yù)制樁截面尺寸0.3 m×0.3 m，C30混凝土，承臺底面埋深2.0 m，樁身材料強度按下式計算。當樁軸心受壓時:

Q≤Apfcψc。

其中，Q為單樁豎向力設(shè)計值;Ap為樁截面積;ψc為工作條件系數(shù)，預(yù)制樁為0.75;fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，C30混凝土為15 N/mm2。

表1 各土層地基承載力特征值

那么，計算出 Q≤300×300×15×0.75=1012.5 kN。

單樁極限承載力根據(jù)土的物理指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系來確定，根據(jù)JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范，單樁豎向承載力極限標準值按以下經(jīng)驗公式計算:

根據(jù)粘土液性指數(shù) I1=1.0，孔隙比 e=0.75，JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范表5.3.5-1和5.3.5-2中查得粘土 qsik=40 kPa，粉土 qsik=66 kPa，qpk=2100 kPa。

本項目單樁極限承載力標準值為:

圖13展示了一個字段的配置過程，該圖設(shè)置射頻通道1本振芯片的寄存器0，設(shè)置的數(shù)值為0x03000，即設(shè)置輔助管腳的功能是作為鎖相環(huán)鎖定探測引腳。

Quk=4 ×0.3 ×(40 ×13.5+66 ×1.5)+0.32×2100=955.8 kN。

根據(jù)JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范中公式5.2.2規(guī)定。

單樁承載力特征值按下式計算:

Ra=Quk/K。

其中，Quk為單樁豎向極限承載力標準值;K為安全系數(shù)，取2;Ra為單樁承載力特征值。

則 Ra=Quk/K=955.8/2=477.9 kN。

根據(jù)本工程土建設(shè)計要求，承臺上作用豎向軸力設(shè)計值F=4000 kN，彎矩設(shè)計值M=400 kN·m，水平力設(shè)計值H=50 kN，初步擬定承臺尺寸為2.6 m×2.6 m。

G=2.62×20 ×2 ×1.2=324.5 kN。

按中心受壓確定樁的數(shù)量:

n=(F+G)/R=(4000+324.5)/477.9=9 根。

按照初步擬定的承臺尺寸布置，樁距為1.0 m。

考慮群樁、土和承臺相互作用效應(yīng)時，根據(jù)JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范中公式5.2.5-2:

R=Ra+ ζaηcfakAc/1.25。

其中，ηc為承臺效應(yīng)系數(shù)，可按規(guī)范中表5.2.5取值;fak為承臺下1/2承臺寬度且不超過5 m深度范圍內(nèi)各層土的地基承載力特征值按厚度加權(quán)的平均值;Ac為計算基樁所對應(yīng)的承臺底凈面積;ζa為地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)，應(yīng)按現(xiàn)行國家標準GB 50011建筑抗震設(shè)計規(guī)范采用。

本項目中:方樁換算成等面積圓樁d=0.34 m，樁中心距與樁徑之比:

Sa/d=1.0/0.34=2.94≈3。

承臺寬度與樁長之比 Bc/l=2.6/15=0.17。

則:承臺效應(yīng)系數(shù) ηc查表為 0.06;fak=150 kPa;Ac=2.6×2.6=6.76 m2;ζa按現(xiàn)行國家標準 GB 50011建筑抗震設(shè)計規(guī)范采用數(shù)值為1.1。

復(fù)合基樁豎向承載力設(shè)計值為:

復(fù)合基樁豎向力設(shè)計值驗算:

群樁中單樁的平均豎向力為:

復(fù)合基樁最大豎向力設(shè)計值為:

根據(jù)以上設(shè)計計算，樁截面設(shè)計尺寸、樁長及復(fù)合基樁豎向力設(shè)計值滿足要求。

本項目采用鋼筋混凝土預(yù)制樁基礎(chǔ)，比較灌注樁、碎石樁等方案，有效縮短了施工，降低了勞動強度，通過以上設(shè)計及計算，能夠滿足設(shè)計及施工要求。

［1］GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］劉金礪.樁基設(shè)計與計算［Z］.1990.

［3］JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］GB 50011，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.