剛性樁復合地基設計要點

呂恒柱

(南京金宸建筑設計有限公司，江蘇南京 210019)

剛性樁復合地基設計要點

呂恒柱

(南京金宸建筑設計有限公司，江蘇南京 210019)

高層建筑工程中采用預應力混凝土管樁置換部分土體，形成由增強體和周圍地基土共同承擔荷載的剛性樁復合地基，該方法既能充分發揮樁和樁間土的承載性能,又能很好地協調地基的變形。結合多項剛性樁復合地基工程實例的設計過程及其適用情況，重點探討了剛性樁復合地基的持力層選擇、樁徑比選擇、褥墊層設置、經濟技術分析、地基檢測及沉降計算等方面的內容，對推廣剛性樁復合地基更為廣泛的工程應用，具有積極的實際意義。

剛性樁復合地基； 預應力混凝土管樁； 設計要點

基礎設計中當地基承載力特征值大于上部建筑附加壓力時，我們會考慮選擇天然地基基礎；當地基承載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。天然地基基礎上部建筑荷載作用全部由基礎下持力層承擔；樁基礎上部建筑荷載作用全部由樁基承擔，不考慮土層分擔作用，介于兩種基礎之間的是考慮樁土共同工作的復合地基基礎。以往在早期復合地基基礎設計的常規思路里，因多層建筑復合地基基底荷載不大，且復合地基主要應用于軟土地基里，一般采用柔性增強體提高地基承載力的地基處理手段，而柔性增強體多采用散體材料(如砂石樁)和有粘結強度材料(如水泥土攪拌樁、CFG 樁、灰土擠密樁等)進行復合，增強體樁為摩擦型樁，以更好地發揮樁土共同工作性能。新版的《建筑地基處理技術規范》(JGJ 79-2012)與《復合地基技術規范》(GB/T 50783 -2012)允許采用剛性樁作為復合地基的增強體，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、全風化巖等) 提供了新的設計思路，即采用預應力混凝土管樁上覆褥墊層的剛性樁復合地基。

1 工程案例

1.1 工程案例一

長沙市某工程項目由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，均采用剪力墻結構。工程場地類別為Ⅱ類，屬沖積地貌類型，底板下土層基本為④層全風化板巖，fa=260 kPa，僅少數為②層粉質黏土，fa=200 kPa。天然地基的承載力不能滿足設計要求，地勘報告建議采用高強預應力混凝土管樁，以④層全風化板巖為持力層，樁長較短，施工快捷經濟，但我們考慮到混凝土管樁施工期間為春雨連綿的季節，雨水充足，混凝土管樁灌水后會使持力層全風化板巖泡水軟化，對樁基承載力影響較大，周邊其他工地出現過類似的工程事故，不宜采用，故分別考慮了以下三種基礎方案。

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)。根據文獻[1]第5. 2. 4 條，考慮到整個地下室并未全部為筏板基礎，擬按照地下室自重換算的土層厚度進行修正。經計算，考慮了覆土、頂板、負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JCCAD程序計算可知筏板基底平均應力為pk=533 kPa>fa，因此天然地基方案不可行。

1.1.2 復合樁基方案

根據文獻[3]第5. 2. 5 條，考慮承臺效應的復合樁基承載力特征值按下列公式計算：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生基地反力，故對于本身單樁豎向承載力低的，若采用復合樁基的模式，樁間土遠未發揮應有的承載力，難以提供設計所需的承載力，該方案亦不可行。

1.1.3 復合地基方案

根據文獻[2]第7.1.5 條，復合地基的承載力計算式為：fspk=λmRa/Ap+β(1-m)fsk，采用直徑500mm的預應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，計算參數如下：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。依據規范不考慮寬度修正且深度修正系數取1. 0，則特征值為：fa=fspk+ηd·γm(D-0.5)=547 kPa>533 kPa。采用復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單樁復合地基試驗以及工程竣工2年內的沉降觀測數據可知，各項數據均能滿足設計要求，說明預應力混凝土管樁復合地基在本工程中的應用是成功的。

1.2 工程案例二

淮安市某項目總建筑面積37×104m2，由11幢26～33層高層住宅、5棟多層商業及地下車庫組成，其中20#～22#住宅樓為34層，主屋面高度為96.9 m，采用剪力墻結構。高層主樓部分基礎設計經多方案比較后均采用剛性樁復合地基。

22#樓在整個小區中先期施工。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，有“突降”將壓樁過程中上抬量抵消后，荷載能繼續加到設計要求。工程樁施工完成后，擠土效應使得樁體普遍上抬60～80 mm。為避免后續的單體施工中出現類似情況，將接下來準備施工的21#樓樁長減短，并作了三種對比方案，如表1所示。

表1 21#樓三種基礎設計方案分析表

其中，方案三按樁基礎設計，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，造價最高，若要達到剪力墻下布樁，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已出現擠土上抬現象，該方案不可實現且技術經濟指標最差。設計院傾向于方案一，樁土共同工作性能好，擠土效應不利影響也較小，由于單樁分攤面積小，載荷板試驗加載量減小1/3。最后，業主考慮方案一打樁數量多、工期長，不能滿足集團制定的工期要求，最終選擇了方案二。

健康教育前后風險識別能力、尋求幫助能力、協商能力、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，差異具有統計學意義 （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[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，勘察報告給出了兩種基礎方案：預應力混凝土管樁和鉆孔灌注樁基礎。基礎設計時，考慮了以下因素：(1)采用預應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，施工難度及費用大幅增加；(2)采用鉆孔灌注樁則周期長、造價高且對周圍環境產生一定污染；(3)為了充分利用地基土的承載能力,考慮樁、土共同作用,擬采用復合地基方案，但CFG水泥土樁復合地基由于成樁設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，達不到設計所要的承載力。通過對當地現有樁基施工設備的調查，綜合考慮本工程的地質條件、上部結構荷載情況及地區工程經驗的基礎上, 最終確定了預應力混凝土管樁復合地基方案。

以上三項工程均已竣工投入使用。每項工程本著經濟節約的原則，均考慮了多種基礎方案綜合比較，供業主選擇，施工過程中，因均為單節樁體沒有接樁也沒有出現截樁和斷樁現象，施工過程較為順利，既節約了投資又簡化了現場工作量，縮短了工期。剛性樁復合地基取得了明顯的經濟效益和社會效益，贏得了業主的滿意。

2 設計要點總結

綜合多項采用剛性樁復合地基工程的設計經驗，總結了如下幾點心得體會，供其他類似工程作進一步的探討。

2.1 持力層的選擇

高層和大高層住宅基礎采用復合地基時，增強體不應采用離散性較大的載體，宜采用樁身強度較高的剛性樁，樁端持力層宜選擇硬塑，黏土層中密砂層，乃至更好的強風化巖層，密實砂層，但要注意對于這類低壓縮性層樁端進入不宜過深。樁按端承摩擦樁設計，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：全風化板巖和硬塑粉質黏土，地基承載力均大于200 kPa，采用單節混凝土管樁復合地基后，地基承載力能達到400～450 kPa，基本滿足高層建筑基礎設計所需的承載力。

2.2 樁徑比的選擇

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

剛性樁復合地基與基礎之間應設置墊層，它是剛性樁與基底土層形成復合地基共同工作的重要條件，在褥墊層內相對的位移可調整樁土荷載的樁土分擔比。褥墊層厚度一般為100～300mm。樁土應力比值大時墊層厚度取小值，剛性樁抗壓承載力、樁徑、樁距大時取較大值，即褥墊層越厚，土分擔的水平荷載越百分比越大，樁分擔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，同時預應力管樁樁頂可采取設置混凝土樁帽或采用高于增強體強度等級的混凝土灌芯的技術措施，減少樁頂的刺入變形。

2.4 經濟技術分析

剛性樁復合地基的底板高要有一定的剛度以調節樁土之間應力分配，80～100m的高層建筑筏板，一般為1.3～1.5m，剛性樁復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要小，故樁的造價節省很多。而當單樁承載力較高，樁可沿剪力墻下布置時，條形承臺之間設防水板，此時，樁基礎不一定比剛性樁復合地基造價高。當造價相近時，采用剛性樁復合地基和樁基礎各有優勢。復合地基的檢測要求高，除了要載荷板試驗因素，還必須做單樁靜載試驗，但其整體穩定性、抗傾覆性及樁基抗水平能力優于樁基礎。同時，采用樁基礎為獲取較高的單樁承載力，需穿越一定厚度的中密或密實土層，施工可能需要引孔，出現斷樁、擠土效應及施工周期增加。因此，基礎設計應綜合考慮相關因素。

2.5 復合地基檢測要點

復合地基的檢測應注意以下幾點：(1)因復合地基承載力理論計算有很強的地區性，施工前必須做復合地基載荷板試驗和單樁靜載試驗，以確定復合地基承載力；(2)地質條件相近，樁型、直徑、樁長和置換率相同的條件下，載荷板試驗不少于3塊，單樁豎向承載力靜載試驗不少于3根且不少于總樁數的1%；若一項目有多棟單體建筑，載荷板試驗每棟不少于1塊，總數不少于3塊，單樁靜載試樁不少于1根，并且總數不少于3根；(3)剛性樁復合地基質量驗收檢測，根據文獻[4]第14.4.3條，可抽取剛性樁進行單樁豎向靜載試驗，試驗數量為總樁數的0.5%，且每個單體工程的試驗數量不應少于3根。

2.6 基礎沉降計算

復合地基的沉降控制是復合地基設計重點關注的問題。目前地基基礎沉降驗算仍是經驗性的計算方法，按規范所做的沉降計算結果與實測資料差距很大，用不同的沉降計算方法，計算結果往往相差好幾倍，這方面的工作有待研究改進，復合地基沉降驗算可參照分層總合法計算，其中主要問題是復合地基壓縮模取值，建議復合地基壓縮模量，按文獻[2]第7.1.9條確定，根據江蘇地區大量的工程實測經驗剛性樁復合地基實測沉降遠遠小于計算值。上述工程案例二和工程案例三的剛性樁復合地基，當樁端進入強風化層或密實砂層，單樁豎向靜載試驗達到極限荷載時，沉降約為30～40mm。

3 結束語

(1)重視基礎選型的工作和方案比較。結構設計沒有唯一解，基礎的工程造價在整個工程造價中所占的比例較高，基礎的技術經濟指標對建筑的總造價有很大影響。基礎方案的分析、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，一般情況下應優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)采用混凝土管樁復合地基設計,突破了僅用純樁基或CFG樁等柔性樁體復合地基的傳統觀念，較柔性樁復合地基有著更強的優勢。縮短樁長后,通過褥墊層調整樁頂和樁間土的應力比,充分發揮樁間土潛力,協調當樁端持力層不同時,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勢。通過協調提高樁體承載力與增大置換率兩者關系達到實用性與經濟性的統一，剛性樁復合地基具有明顯的經濟效益和社會效益。

[1]GB50007-2011 建筑地基基礎設計規范[S].

[2]JGJ79-2012 建筑地基處理技術規范[S].

[3]JGJ94-2008 建筑樁基技術規范[S].

[4]GB/T50783 -2012 復合地基技術規范[S].

[5]JGJ/T327-2014 勁性復合樁技術規程[S].

[6] 呂恒柱. 預應力砼管樁復合地基在高層建筑中的應用[J]. 建筑技術開發,2012(8).

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

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

TU47

B

[定稿日期]2015-06-24

[作者簡得]呂恒柱(1980～),男，碩士，高級工程師，一級注冊結構工程師，從事建筑結構設計、結構設計優化工作。