素混凝土樁復合地基設計參數及施工工藝初探

楊旭東

（甘肅省建筑設計研究院，甘肅 蘭州　730030）

素混凝土樁復合地基設計參數及施工工藝初探

楊旭東

（甘肅省建筑設計研究院，甘肅 蘭州730030）

素混凝土樁復合地基設計中主要的設計參數有樁型及持力層、樁徑、樁間距、褥墊層厚度及材料、布樁參數、樁身混凝土強度，素混凝土樁常用的施工工藝有長螺旋鉆孔灌注成樁、長螺旋鉆中心壓灌成樁、振動沉管灌注成樁、泥漿護壁法成孔灌注成樁。本文針對素混凝土樁復合地基設計參數及施工工藝進行分析及說明。供設計時參考。

素混凝土樁；復合地基；褥墊層；施工工藝

復合地基對提高地基承載力、減少基礎變形沉降作用明顯，適用范圍較大，即適用于條形基礎、獨立基礎，，也可適用于箱基、筏基。在工業廠房、民用建筑中均有大量應用。就土性而言，適用于處理黏性士、粉土、砂土和正常固結的素填土等地基。素混凝土樁復合地基設計中主要的設計參數有樁型及持力層、樁徑、樁間距、褥墊層厚度及材料、布樁參數、樁身混凝土強度，主要的施工工藝有長螺旋鉆孔灌注成樁、長螺旋鉆中心壓灌成樁、振動沉管灌注成樁、泥漿護壁法成孔灌注成樁。實際工程中如何選取這些設計參數及施工工藝，對復合地基設計的合理性及經濟性有較大影響。本文就素混凝土樁復合地基主要的設計參數及常用的施工工藝進行分析及說明。

1　素混凝土樁復合地基設計參數

1.1樁型及持力層

在使用過程中，通過樁與土的變形協調使樁與土共同承擔荷載是復合地基的本質和形成條件。由于端承型樁幾乎沒有沉降變形，只能通過褥墊層協調樁、土的相對變形，不可知因素過多，素混凝土樁按照承載性狀應選用樁頂荷載主要由樁側阻力承受的摩擦型樁。

素混凝土樁應選擇承載力和壓縮模量相對較高的土層作為持力層，樁體在復合地基中具有較強的置換作用，其他參數相同時，樁越長、樁的荷載分擔比（樁承擔的荷載占總荷載的百分比）越高。設計時須將樁端落在承載力和壓縮模量相對高的土層上，這樣可以很好地發揮樁的端阻力，也可避免場地巖性變化大可能造成建筑物的不均勻沉降。樁端持力層承載力和壓縮模量越高，建筑物沉降穩定也越快。

1.2樁徑

樁徑的選擇與選用成樁工藝有關，參照《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）7.7.2條條文說明，長螺旋鉆中心壓灌、干成孔和振動沉管成樁宜取350～600mm；泥漿護壁鉆孔灌注素棍凝土成樁宜取600～800nm；就承載力而言，樁長一定是，樁徑越大樁側面積越大，樁端阻力越大，單樁承載力也就越高。此外樁徑大時，樁的截面積也就越大，荷載一定時，樁體的強度要求不高。顯然僅從承載力考慮，樁徑越大越好，但需考慮以下因素：

1）單方混凝土提供的承載力大小。表1中對相同樁長、不同常用樁徑、不同樁數、混凝土用量相同條件下的單方混凝土提供的承載力。計算時暫定側阻力特征值為30kPa，端阻力特征值為500kPa。

表1　不同樁徑單方混凝土提供的承載力

由表1可以看出樁徑越小比表面積越大，單方混凝土提供的承載力也越高。樁徑越小、經濟性越好。

2）樁土共同工作性狀。素混凝土樁復合地基，樁對樁間土具有側向約束作用，與無樁條件下的地基相比，這種作用使得樁間土側向變形減少，樁間土豎向變形也相應減少，即樁的存在，使得樁間土的承載力有所增加，樁對樁間土的約束與基礎下樁的數量有關，樁數越多，樁對樁間土的約束越好。顯然在基礎面積相同的條件下，樁徑越小、樁數越多，樁對樁間土約束也越好。

綜合以上所述，素混凝土樁樁徑施工工藝容許的條件下，選擇較小直徑，經濟性越好。

1.3樁間距

樁間距應根據設計需要的復合地基承載力、建筑物整體沉降量、布樁的方式、場地土的性質、施工工藝等綜合考慮確定。設計的樁距首先要滿足承載力和變形量的要求。從施工工藝考慮，當施工工藝對樁間土產生擾動或擠密時，盡量選用較大的樁距，以防止新打樁對已打樁的不良影響。

采用非擠土、部分擠土成樁工藝施工（如泥漿護壁鉆孔灌注樁、長螺旋鉆灌注樁），樁距宜取 （3～5）倍樁徑；采用擠土成樁工藝施工（如振動沉管打樁機施工）和墻下條基單排布樁樁距可適當加大，宜取（3～6）倍樁徑。樁長范圍內有飽和粉土、粉細砂、淤泥、淤泥質土層，為防止施工發生竄孔、縮頸、斷樁，減少新打樁對己打樁的不良影響，宜采用較大樁距。

樁間距是控制復合地基承載力、建筑物整體沉降量的主要因素之一，在合理的樁間距設置前提下，復合地基承載力隨著樁間距的減小而增加，沉降量隨著樁間距的減小而減小。但在較小樁間距下的減小幅度不太明顯，即較密的布樁方式對減少剛性樁復合地基整體沉降的作用不再明顯。這是因為過小的樁間距使樁側摩阻力和樁間土體的承載力得不到有效發揮，特別是中間區域的土體，其最終結果還是將基底荷載直接傳遞給樁體，忽略了土體的作用［1］。

適當的增大樁間距對復合地基來說是經濟合理的，因為樁間距的增大不僅對土體承載力的發揮是有益的，而且還能充分發揮樁體的承載力，但過大的樁間距會導致樁頂應力集中及復合地基整體沉降量的增加。故設計時應合理確定樁間距，以取得綜合經濟效益。

1.4褥墊層厚度及材料

樁頂和基礎之間應設置褥墊層，褥墊層在復合地基中具有如下的作用：

1）保證樁、士共同承擔荷載，它是素混凝土樁形成復合地基的重要條件。

2）通過改變褥墊厚度，調整樁垂直荷載的分擔，通常褥墊越薄樁承擔的荷載占總荷載的百分比越高。

3）減少基礎底面的應力集中。

4）調整樁、土水平荷載的分擔，褥墊層越厚，土分擔的水平荷載占總荷載的百分比越大，樁分擔的水平荷載占總荷載的百分比越小。對抗震設防區，不宜采用厚度過薄的褥墊層設計。

5）褥墊層的設置，可使樁間土承載力充分發揮，作用在樁間土表面的荷載在樁側的土單元體產生豎向和水平向附加應力，水平向附加應力作用在樁表面具有增大側阻的作用，在樁端產生的豎向附加應力對提高單樁承載力是有益的。樁體上端部分樁間土水平向附加應力作用增加，造成該部分樁體中剪應力減小，有效的改善了樁體的受力狀態。

試驗表明［2］，足夠剛度基礎下，樁、樁間土承載力發揮系數與樁長、樁徑、樁距、褥墊厚度和樁間土性狀等有關，在樁長、樁徑、樁距確定的前提下，合理褥墊厚度與樁徑之比（定義為厚徑比）對樁、樁間土承載力發揮影響尤為顯著。

圖1　單一樁型復合地基樁、土承載力發揮與厚徑比關系曲線

圖1為單一樁型剛性樁復合地基達到其承載力特征值時，樁、樁間土承載力發揮系數與厚徑比關系曲線。可以看出，褥墊厚度增加即厚徑比增加，樁間土承載力發揮系數β提高；樁承載力發揮系數γ減小。單一樁型剛性樁復合地基最佳厚徑比為0.40～0.60；厚徑比在此范圍內γ為0.82～0.98，β為0.93～1.06。

規范中推薦的褥墊層厚度宜為樁徑的40%～60%，即厚徑比為0.40～0.60，與試驗結果一致，關于褥墊層材料宜選用中砂、粗砂、級配砂石和碎石等，最大粒徑不宜大于30mm。

1.5布樁參數

素混凝土樁可只在基礎范圍內布樁，應根據建筑物荷載分布、基礎形式和地基土性狀，合理確定布樁參數。樁的中心與基礎邊緣的距離不宜小于1倍的樁徑，樁的邊緣與基礎邊緣的距離，條形基礎不宜小于75mm，其他基礎不宜小于150mm。樁的布置主要有以下幾點要求：

1）對框架核心筒結構形式，核心筒和外框柱宜采用不同布樁參數，核心筒部位荷載水平高，宜強化核心筒荷載影響部位布樁，相對弱化外框柱荷載影響部位布樁；通常核心筒外擴一倍板厚范圍，為防止筏板發生沖切破壞需足夠的凈反力，宜減小樁距或增大樁徑，當樁端持力層較厚時最好加大樁長，提高復合地基承載力和復合土層模量；對設有沉降縫或防震縫的建筑物，宜在沉降縫或防震縫部位，采用減小樁距、增加樁長或加大樁徑布樁，以防止建筑物發生較大相向變形。

2）對于獨立基礎地基處理，可按變形控制進行復合地基設計。當兩個相鄰柱荷載水平相差較大的獨立基礎，復合地基承載力相等時，荷載水平高的基礎面積大，影響深度深，基礎沉降大；荷載水平低的基礎面積小，影響深度淺，基礎沉降小；柱間沉降差有可能不滿足設計要求。柱荷載水平差異較大時應按變形控制進行復合地基設計，柱荷載水平高的宜采用較高承載力要求確定布樁參數，可以有效地減少基礎面積、降低造價，更重要的是基礎間沉降差容易控制在規范限值之內。

3）國家標準《建筑地基基礎設計規范）GB50007中對于地基反力計算，當滿足下列條件時可按線性分布：

①當地基土比較均勻；

②上部結構剛度比較好；

③梁板式筏基梁的高跨比或平板式筏基板的厚跨比不小于1/6；

④相鄰柱荷載及柱間距的變化不超過20%。

地基反力滿足線性分布假定時，可在整個基礎范圍均勻布樁。若筏板厚度與跨距之比小于1/6，梁板式基礎，梁的高跨比大于1/6且板的厚跨比（筏板厚度與梁的中心距之比）小于1/6時，基底壓力不滿足線性分布假定，不宜采用均勻布樁，應主要在柱邊（平板式筏基）和梁邊（梁板式筏基）外擴2.5倍板厚的面積范圍布樁。需要注意的是，此時的設計基底壓力應按布樁區的面積重新計算。

4）素混凝土樁復合地基承載力提高幅度大，條形基礎下復合地基設計，當荷載水平不高時，可采用墻下單排布樁。此時，素混凝土樁施工對樁位在垂直于軸線方向的偏差應嚴格控制，防止過大的基礎偏心受力狀態。

1.6素混凝土樁樁身強度

《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）考慮到復合地基承載力深度可修正和樁最大軸力在中性點兩點因素，較2002版本《建筑地基處理技術規范》適當提高了增強體材料強度的設計要求，樁身強度按照式（1）計算：

式中：fcu——樁體試塊（邊長150mm立方體）標準養護28d的立方體抗壓強度平均值（kPa）；

Ra——素混凝土樁豎向承載力特征值（kN）；

λ——單樁承載力發揮系數，

Ap——素混凝土樁的截面面積（m2）；

混凝土軸心抗壓強度標準值與立方體抗壓強度標準值之間的關系在現行國家標準《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）中有詳細說明，按照式（2）計算

式中：a1——棱柱強度與立方體強度的比值，C50以下普通混凝土取0.76；高強度混凝土C80取0.82；

a2——C40以上混凝土考慮脆性折減系數，C40取1.00，高強度混凝土C80取0.87；中間按照線性插值。

當樁體混凝土強度等級在C40以下時，經計算fck與fcu的大致關系為：fck=0.67fcu；混凝土軸心抗壓強度設計值fc與混凝土軸心抗壓強度標準值fck之間的關系為：fc=fck/1.4。結合上面的分析，得到混凝土軸心抗壓強度設計值fc與立方體抗壓強度標準值之間的換算公式為：fc=0.479fcu。

式（2）中fcu使用fc進行替換，樁身強度可按照式（3）進行計算。

依據 《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）第3.011條的要求，地基處理所采用的材料，應根據場地類別符合有關標準對耐久性設計與使用的要求。如果建設場地地基土及地下水對混凝土具有腐蝕性時，尚需滿足《工業建筑防腐設計規范》（GB50046-2008）中相關結構混凝土耐久性的基本要求。

2　素混凝土樁施工工藝

素混凝土樁的施工，應根據現場地基土的性質、地下水埋深、場地周邊是否有居民、有無對振動反應敏感的設備等多種因素選擇施工工藝。常用施工工藝及適用范圍見表2：

表2　素混凝土樁常用施工工藝及適用范圍

長螺旋鉆孔灌注成樁，屬非擠土（或部分擠土）成樁工藝，該工藝具有穿透能力強，無振動、低噪聲、無泥漿污染等特點，但要求樁長范圍內無地下水，以保證成孔時不塌孔。在城市居民區施工，對周圍居民和環境的影響較小。

長螺旋鉆中心壓灌成樁，屬非擠土 （或部分擠土）成樁工藝，具有穿透能力強、元泥皮、無沉渣、低噪聲、無振動、無泥漿污染、施工效率高及質量容易控制等特點。施工時選用的鉆機鉆桿頂部必須有排氣裝置，當樁端士為飽和粉士、砂土、卵石且水頭較高時宜選用下開式鉆頭。工作面宜高出設計樁頂標高300～500mm，工作面土較軟時應采取相應施工措施（鋪碎石、墊銅板等），保證樁機正常施工并嚴格控制樁位偏差、垂直度及素混凝土擁落度。應杜絕在泵送混合料前提拔鉆桿，提拔鉆桿中應連續泵料，特別是在飽和砂土、飽和粉土層中不得停泵待料，避免造成混凝土離析、樁身縮徑和斷樁。樁長范圍有飽和粉土、粉細砂和淤泥、淤泥質土，當樁距較小時，應注意防止竄孔發生。

振動沉管灌注成樁成樁屬擠土成樁工藝，對樁間土具有擠（振）密效應。但振動沉管灌注成樁工藝難以穿透厚的硬土層、砂層和卵石層等。在飽和秸性士中成樁，會造成地表隆起，己打樁被擠斷，且振動和噪聲污染嚴重，在城中居民區施工受到限制。在夾有硬土層的黏性土場地施工時，可采用長螺旋鉆機引孔，再用振動沉管打樁機制樁。振動沉管施工應控制拔管速度，拔管速度太快易造成樁徑偏小或縮頸斷樁。

泥漿護壁法成孔灌注成樁屬非擠土成樁工藝。適用于樁長范圍和樁端有承壓水的土層。當樁端具有高水頭承壓水采用長螺旋鉆中心壓灌成樁或振動沉管灌注成樁，承壓水沿著樁體滲流，把水泥和細骨料帶走，樁體強度嚴重降低，導致發生施工質量事故。泥漿護壁成孔灌注成樁，成孔過程消除了發生滲流的水力條件，成樁質量容易保障。

3　結語

本文對素混凝土樁復合地基采用的設計參數及施工工藝進行說明、分析及總結，并提出相應的建議，設計人員在素混凝土樁復合地基設計時應合理的選用相關的設計參數及施工工藝，以保證素混凝土樁復合地基的合理性及經濟性。

［1］ 楊德建，王鐵成.剛性樁復合地基沉降機理與影響因素研究［J］.工程力學，2010，27（增刊1）：150-153.

［2］ 佟建興，孫訓海，楊新輝，等.長短剛性樁復合地基樁、土承載性狀與厚徑比相關關系試驗研究［J］.巖土工程學報，2013，35.

［3］ 建筑地基處理技術規范（JGJ79-2012）［S］.中國建筑工業出版社，2012.

［4］ 建筑地基基礎設計規范（GB50007-2011）［S］.中國建筑工業出版社，2011.

［5］ 混凝土結構設計規范（GB50010-2010）［S］.中國建筑工業出版社，2010.

［6］ 工業建筑防腐蝕設計規范（GB50046-2008）［S］.中國計劃出版社，2008.

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