沉降控制復合樁基的優化設計及其應用

觀日燦

電白縣水利水電勘測設計室 廣東電白 525400

摘要：在進行軟弱地基上的樁基礎施工時，關鍵要做好基礎沉降控制的設計。一般在設計時認為負載都由樁來承擔，不考慮樁間土的承載力。本文圍繞這方面展開討論，分析了沉降控制復合樁基的優化設計方法，該方法通過合理地計算分析，使水閘的沉降得到較好的控制，平均沉降和整體承載力均符合規范要求，并且降低了施工的成本。

關鍵詞：軟土地基；水閘；沉降控制復合樁基；水閘設計規范；地基基礎設計規范

引言

隨著我國經濟的不斷增長，建筑施工項目越來越多，建筑技術得到了發展，也保證了施工項目的質量。但是在一些施工項目中，由于沒有做好復合樁基沉降控制的工作，直接影響了施工質量。因此如何對沉降控制復合樁基進行優化設計成為了施工人員需要解決的問題。下面結合實例對此進行討論分析。

1 地質資料

根據勘察單位提供的地質勘察報告，水閘基礎下各層土的地質參數詳見表1，各層土e-p曲線見表2。

計算原理

2.1 沉降控制復合樁基（以下簡稱復合樁基）設計應符合下列要求

（1）復合樁基中的樁宜采用樁身截面邊長小于等于250mm、長細比在80～l00左右且樁身質量有可靠保證的預制方樁。樁距不宜小于5～6d，并應按樁端穿過高壓縮性淤泥質土層、并進入壓縮性相對較低的持力層的要求選擇樁端埋深。復合樁基承臺埋深不宜小于建筑物高度的1/15。

（2）樁與承臺下地基土共同承擔外荷載的原則如下：當作用在承臺底面的荷載準永久組合值大于復合樁基中各樁的單樁極限承載力標準值之和時，樁承擔相當于各單樁極限承載力標準值之和的荷載、承臺下地基土承擔余下之荷載；當作用在承臺底面的荷載準永久組合值小于等于復合樁基中各樁的單樁極限承載力標準值之和時，樁承擔全部荷載。

2.2 復合樁基的沉降計算應符合下列要求

若作用在承臺底面處的荷載準永久組合值為P、承臺底面處地基土自重應力為σc，則在該承臺下布有n根樁（單樁極限承載力標準值為Rk、扣除浮力作用后的自重標準值為Gpk）的復合樁基，其沉降計算可按下述原則進行：

（1）當P-σcAc≤nRk時，沉降即為在樁頂附加荷載為（P-σcAc）/n+Gpk的n根樁作用下產生的沉降，可參照公式（3-1）、（3-2）計算，沉降計算經驗系數宜取1.0。

（2）當P-σcAc≥nRk時，沉降由兩部分組成，一部分是在樁頂附加荷載為Rk+Gpk的n根樁作用下產生的沉降，可參照公式（1）、（2）計算，沉降計算經驗系數宜取1.0；另一部分是在承臺底面附加荷載為P-σcAc-nRk作用下產生的沉降，可按公式（3）計算。

（1）

（2）

T-在沉降計算點處壓縮層范圍內自樁端平面往下的土層數；Es，t—樁端平面下第t層土在自重壓力至自重壓力加附加壓力作用時的壓縮模量（MPa）；nt-樁端平面下第t層土的單向壓縮計算分層總數；σz，t，i-樁端平面下第t層土的第i個分層處土體的豎向附加應力（kPa）；Δ Ht，i-樁端平面下第t層土的第i個分層的厚度；ψm-樁基沉降計算經驗系數；Q-單樁沉降計算荷載（kN），取對應于作用效應準永久組合時的單樁平均附加荷載；L-樁長；1-α，α-分別是樁的側摩阻力和端阻力占沉降計算荷載的比；Ip，j、Is，j-分別為第j根樁的樁端阻力和樁側摩阻力對應力計算點的應力影響系數。

s-地基最終沉降量（mm）；ψs-沉降計算經驗系數；p0-按作用效應準永久組合計算時的基礎底面附加壓力（kPa）；n-地基壓縮層范圍內的土層數；b-基礎寬度（m）；i-自基礎底面往下算的土層系數；δ-沉降系數；Es，0.1～0.2-地基土在0.1～0.2MPa壓力作用時的壓縮模量（MPa）。

3 沉降計算分析與樁基優化設計

根據《地基基礎設計規范》（DGJ08-11-2010），選擇邊長250mm×250mm的C30鋼筋混凝土預制方樁，考慮樁端穿過④層淤泥質粘土進入⑤1層粘土，計算不同樁長、樁距情況下的閘底板沉降值，采用同濟啟明星樁基礎設計計算軟件PiLe7.3計算，計算結果詳見表3。

3.1 樁長對沉降的影響

由表3及圖1分析可知：

（1）樁數相同、樁距相同、樁端持力層相同的情況下，樁長越長，沉降值越小。

（2）樁端在⑤1粘土中，樁長每增加1m，沉降值減少顯著，基本在10～20mm之間；樁端進入⑤2粘質粉土后，樁長每增加1m，沉降值減少很小，基本在1～6mm之間。由此可見，樁端持力層選擇在⑤1粘土中比較經濟。

（3）在樁長22m以后，沉降值隨樁長的變化趨勢發生明顯轉折，因為該處高程為-23.5m，位于⑤1粘土與⑤2粘質粉土分界線上。⑤1、⑤2層土分界線高程-23.56m，樁端應距離該分界線足夠的距離，因此樁長選擇20～21m較合適。

圖2 不同樁數、樁長時閘底板沉降值分布圖

3.2 樁數、樁距對沉降的影響

由表3及圖2分析可知：

（1）樁長21m時，樁的數量為91根的沉降值為61.6mm，171根樁時沉降值為57.4mm，沉降值相差僅4.2mm，但是數量相差懸殊，明顯是91根樁的方案合理。

（2）樁長20m時，樁的數量為91根的沉降值為78.3mm，171根樁時沉降值為68.1mm，沉降值相差10.2mm，但是數量相差懸殊，明顯是91根樁的方案合理。

由此可見無論樁長21m還是樁長20m，都應該選擇91根樁，樁距7d的布樁方案。

樁長21m的布樁方案比樁長20m的布樁方案沉降值減小了78.3-61.6=16.7mm，混凝土方量增加了0.25×0.25×（21-20）×91=5.7m3，考慮增加的工程量較小，但是沉降減小明顯，因此最終選擇樁長21m，樁距7d，邊長0.25m，總樁數91根的布樁方案。

3.3 樁基承載驗算

根據實驗結果，對于摩擦型樁基礎，樁間土能承擔一部分上部荷載，設計時如考慮樁間土承擔底板底面以上10%～15%的荷載，工程仍是安全的。

對優化后的樁基驗算其承擔的荷載，過程如下：

P=35，778kN，σc=18.5×1.5=27.75kN/m2，Ac=23×12=276m2

Rk=715.3kN，n=91，nRk=715.3×91=65，092.3kN

P-σcAc=35，778-27.75×276=28，119kN

基礎上部荷載全部由樁承擔，因此在閘底板下布置邊長0.25m，長21m，樁距7d即1.75m，總樁數91根的優化方案是安全可靠的，同時相比可研階段的樁基布置方案節省了41%的混凝土量，沉降值減小了10.6mm，經濟性大大提高。優化后的樁基布置方案與可研階段樁基布置方案對比詳見表4。

表4 樁基方案對比表

4 結語

綜上所述，傳統的在軟土地基上的水閘樁基設計中不考慮底板下地基土與樁共同承擔外荷載的設計理念顯得十分保守，我們可以根據實際情況，設計時結合規范標準和理論，考慮樁間土承擔底板底面以上一部分的荷載，適當提高復合基樁的實際承載力，達到不影響施工質量的前提下降低施工成本的效果。

參考文獻：

[1]黃智鑫.沉降控制復合樁基在軟土地基水閘設計中的應用[J].中國水運月刊，2014，14（6）.

[2]郭金雪.沉降控制樁設計方法及其沉降性狀的有限元計算分析研究[D].山東建筑大學，2012年.