剛性樁復合地基在高層建筑中的應用

李小茜

摘要：通過結合太原嘉實太高層塔樓應用剛性樁復合地基的工程實例，闡述了剛性樁復合地基工作的基本原理，以及采用鉆孔灌注樁作為剛性樁復合地基的設計思路。

關鍵詞：剛性樁復合地基；鉆孔灌注樁；褥墊層；沉降

一、剛性樁復合地基的工作機理和褥墊層的作用

剛性樁復合地基是以摩擦型剛性樁作為豎向增強體的復合地基。剛性樁復合地基中的樁體一般可采用鋼筋混凝土樁、素混凝土樁、素混凝土樁、預應力管樁、大直徑薄壁筒樁、CFG樁、鋼管樁等。由于剛性樁復合地基可充分的利用樁土的共同作用，相比于普通的樁基工程其具有良好的經濟效益，且施工方便快捷，在工程建設中應用較多，尤其在北方地區，應用較為廣泛。

剛性樁復合地基的工作機理，是通過樁土之間的變形協調來達到樁土共同承擔荷載的目的。因此，我們通常在樁頂鋪設10-30cm褥墊層，樁頂向上刺入褥墊層，來完成樁土之間的變形協調。

褥墊層是保證樁土共同作用的重要措施，其材料可采用中砂、粗砂、碎石、級配砂石等。褥墊層的作用主要有以下幾點：

（1）、保證樁、土共同承擔荷載，它是形成剛性樁復合地基的重要條件；

（2）調整樁土荷載分擔比，通過改變褥墊層的厚度調整樁豎向荷載的分擔比例，通常褥墊層越厚樁承擔的荷載 占總豎向荷載的百分比越低，反之亦然；

（3）、減小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，樁承擔的水平荷載占總水平荷載的百分比越小，反之亦然。

二、工程實例

1、工程概況

太原嘉實·太中心項目包括為5棟23～30層住宅樓、2棟20層辦公樓、2層商業、5層商業、6層商業及3層地下車庫。總建筑面積約22萬m2，地上建筑面積約12萬m2，地下建筑面積約10萬m2，建筑基底面積約9100 m2。高層住宅采用剪力墻結構，及辦公樓采用框架-剪力墻結構，最大柱荷載為28000KN，高層部分基底壓力約為400-600KPa。地基基礎設計等級為甲級。場地所處地貌單元為汾河東岸Ⅰ級階地，擬建場地地形較平坦，勘探深度范圍內場地地基土沉積時代及成因類型自上而下依次為：第四系全新統新近人工堆積層（Q42ml），以第①層雜填土層底為界；第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl），以第⑦層中砂層底為界；第四系上更新統沖洪積層（Q3al+pl），本次勘察未揭穿。巖性以雜填土、粉質粘土、粉土、砂土為主。場地各土層天然地基土承載力特征值見表一，樁側阻及樁端阻見表二。

表一天然地基土承載力特征值一覽表

表二樁側阻力及樁端阻力極限值表

2、基礎方案比較分析

方案一、擬采用天然地基上的筏板基礎。高層住宅及辦公樓基礎埋深為18米，各高層建筑將以第⑤層細中砂、第⑥層粉質粘土作為基礎持力層，經深寬修正后第⑤、⑥層天然地基承載力特征值fa依次為287kPa、243kPa，不滿足其基底壓力400～600kPa的設計要求，因此高層住宅及辦公樓天然地基強度不滿足要求。

方案二、擬采用剛性樁復合地基。

擬采用靜壓預應力管樁或后注漿鉆孔灌注樁作為本工程復合地基的剛性基樁，現對兩種樁型在造價、施工過程、成樁質量、檢測等幾方面進行對比分析，選取性價比相對較高的樁型作為本工程的實施樁型。以本工程辦公樓A棟為例進行分析，場地已開挖大約5米，距離基坑底仍有將近15米。對采用預應力管樁和后注漿鉆孔灌注樁進行造價比較 ，見表三。

通過造價對比，在沒考慮預應力管樁送樁及鉆孔灌注樁空樁的情況下比較接近、相差不大。

如果二者都在現有地面施工，預應力混凝土管樁存在樁長不足需要接樁或者過長造成浪費、鉆孔灌注樁垂直度較差等，就造價而言（后注漿）鉆孔灌注樁造價更省；如果在土方開挖到基坑底后再施工剛性基樁，靜壓預應力混凝土管樁或（后注漿）鉆孔灌注樁均可作為本工程復合地基的剛性基樁。經過綜合分析比較，本工程采用（后注漿）鉆孔灌注樁作為復合地基的剛性基樁。

3、剛性樁復合地基承載力計算

剛性樁復合地基承載力由樁豎向抗壓承載力和樁間土地基承載力兩部分組成。本工程剛性樁采用樁底后注漿鉆孔灌注樁，樁直徑為800， 樁長暫定10m， 樁底約進入《太原市嘉實太中心巖土工程勘探報告》中第7層（中砂層）約3.0米。要求單樁豎向承載力特征值為2800kN，基底置于《太原市嘉實太中心巖土工程勘探報告》中第6層（粉質粘土層）， 天然地基承載力特征值為220 KPa。

a） 剛性樁樁承載力計算，樁豎向極限承載力特征值按《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）計算，后注漿灌注樁的單樁豎向極限承載力標準值計算按公式：Quk=Qsk+Qgsk+Qgpk =（5.3.10）確定。

以《太原市嘉實太中心巖土工程勘探報告》的16-16剖面ZK63孔和14-14剖面ZK54孔為例計算得出單樁豎向極限承載力標準值Quk=6216KN、6237KN。單樁豎向承載力特征值按公式Ra=Quk/K（5.2.2）確定。單樁豎向承載力特征值：Ra= Quk/K=6216/2=3108KN， 取Ra =2800KN。樁身混凝土強度計算 Q ≤ Ap * fc * ψc=502655*14.3*0.7/1000=5042.6KN >2800x1.35=3780KN。剛性樁承載力滿足要求。 b） 剛性樁復合地基承載力特征值計算， fspk = mRa/Ap+β（1-m）fsk

m---面積置換率；m=0.051；

Ra---單樁豎向承載力特征值；Ra=2800kN；

Ap---樁截面面積；Ap=0.5m2；

β---樁間土天然地基承載力折減系數；β=0.8；

fsk---樁間土天然地基承載力特征值；

由上式：fspk=453KPa。

按《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）式（5.2.2-1）

pk=（Fk+Gk）/A=833700/2155=386.9KPa

按《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）式（5.2.2-2、3）驗算風荷載作用下的地基承載力。

pkmax=（Fk+Gk）/A+Mk/W=833700/2155+303664/19586=402.4KPa<1.2fspk=544KPa

pkmin=（Fk+Gk）/A-Mk/W=371.4KPa>0

滿足要求。

4、剛性樁復合地基沉降計算

復合地基沉降計算按規范分層總和法進行估算，經計算地基最終變形量S=20.6mm；同時將土、樁按彈簧模型在ETABS中進行整體有限元分析，分別用面彈簧、線彈簧來模擬土和樁的壓縮剛度，計算結果最終變形量約為18mm。分層綜合法估算地基變形量與有限元計算變形量接近，可判斷計算結果合理。

三、結語

剛性樁復合地基在工程應用中能有效降低造價，且施工方便快捷，具有較好的經濟效益。本文從實際工程中基礎方案的對比分析以及剛性樁復合地基承載力計算、沉降計算出發，探討了剛性樁復合地基在高層中的應用，希望在以后的工程中遇到類似的設計能起到一定的指導作用。

參考文獻：

[1]《建筑地基基礎設計規范》（GB 5007-2011）中國建筑工業出版社，.2011

[2]《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）

[3]龔曉南編.？復合地基理論與實踐學術討論會論文集.？杭州：浙江大學出版社，1996：43～46.