剛性樁復合地基與管樁基礎方案比選

方 家 升

(合肥工大建設監理有限責任公司，安徽 合肥 230009)

1 概述

隨著我國經濟建設飛速發展，高層和超高層建筑大量涌現。較常規建筑而言，這類建筑的總荷載大，結構形式復雜，因此對地基承載力和沉降變形的要求高。當天然地基力學特性不能滿足上部結構對地基承載力或沉降變形的要求時，傳統方案多采用管樁基礎，其特點是通過管樁承受上部結構荷載。對于具有一定承載力的天然地基土質，采用管樁基礎則是浪費地基本身對承載力的貢獻。本文以合肥市某高層住宅為例，基于該場地的工程地質條件，通過對剛性樁復合地基和管樁基礎進行對比分析，說明剛性樁復合地基在技術和經濟方面的優越性，為周邊地區類似工程提供參考。

2 工程概況

本工程為皖新文化科技創新中心一期項目住宅小區，位于合肥市濱湖新區云谷路與廬州大道交叉口的西北角，總居住用地面積41 191.3 m2，總建筑面積115 361.2 m2。選擇2號樓作為典型單體進行基礎方案比選，該樓采用剪力墻結構，總高32層，設有2層地下室，基礎埋深6.20 m，地上2層局部附屬商業。圖1為2號樓2層和標準層平面布置圖。

3 工程地質條件

本工程巖土工程勘察等級為甲級，根據鉆探、原位測試及室內土工試驗成果等綜合分析，場地地層典型剖斷面見圖2[1]。由土層剖面看出土層由上到下為：①層素填土、②1層粘土(fak=260 kPa，ES=12.5 MPa，K=55 MN/m3)、②2層粘土(fak=300 kPa，ES=16.0 MPa，K=60 MN/m3)、③層粉質粘土夾粉土(fak=320 kPa，ES=16.0 MPa)、④1層強風化砂質泥巖(fak=350 kPa，ES=20.0 MPa)、④2層中風化砂質泥巖。由土層剖面與天然地基、樁基設計參數可見，此工程場地下有近40 m深②2層粘土，土質均勻、穩定，作為持力層具有較高的地基承載力，同時可為樁基提供較大的極限側阻力，見表1。

4 基礎方案選型

4.1 剛性樁復合地基

為了充分利用②2層粘土天然地基承載力，選用樁徑φ400的素混凝土樁體。單樁承載力與復合地基承載力按JGJ 79—2012建筑地基處理技術規范[2]式(7.1.5-2)，式(7.1.5-3)確定。

表1 樁基極限端阻力與極限側阻力標準值

層號參數qsik/kPaqpk/kPa鉆孔灌注樁PHC預應力管樁人工挖孔樁(CFG樁)鉆孔灌注樁(CFG樁)PHC預應力管樁人工挖孔樁(CFG樁)①——————②1868884———②29094881 6006 0002 300③95100931 7006 5002 400④1120—1202 200—3 000④2200—2004 500—6 000

Ra=Up∑qsili+qpAp

(1)

(2)

4.2 預應力管樁滿堂布置

采用樁徑φ500預應力高強混凝土空心管樁，不考慮承臺效應時，基樁豎向承載力特征值取單樁豎向承載力特征值。根據JGJ 94—2008建筑樁基技術規范[3]式(5.3.8)確定單樁承載力標準值。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)

(3)

其中，管樁樁長l=20 m，壁厚為125 mm，內徑為250 mm。樁間距取4倍樁徑，即2 000 mm，沿主樓范圍內滿堂布置，見圖4。選取②2層粘土為持力層，因樁進入持力層深度較大，hb/d1≥5，故樁端土塞效應系數λp=0.8。經計算，單樁承載力特征值Ra=0.5Quk=2 000 kN，筏板基礎厚度取1 300 mm，頂標高為-6.200 m，基礎混凝土等級為C35。

4.3 預應力管樁沿墻下布置

管樁沿墻下布置方案管樁樁長取l=30 m，其余條件均同管樁滿堂布置方案。經計算，單樁承載力特征值Ra=2 700 kN，平面布置詳見圖5。

5 基礎方案技術與經濟性能對比

上述三種地基基礎方案均是當前高層建筑主流基礎方案。由于基礎形式不同，剛性樁復合地基作為天然基礎，與作為深基礎的預應力管樁，在受力特性上存在本質差異；深基礎方案中，采用短樁長，小樁間距的滿堂布置與長樁長，間距相對稀疏的墻下布樁，其樁承載能力的發揮也不盡相同。因此，本章采用PKPM軟件進行計算對比，從技術性能(樁反力、基礎沉降量、沉降差)和經濟性能(總樁長、材料用量、綜合造價)等方面進行量化比較，以便直觀地判斷各類型基礎形式綜合性能的優劣。

5.1 技術性能對比

根據前述基礎平面布置，分別在PKPM JCCAD中進行計算，得到各種基礎形式在標準組合下的最大反力、準永久組合下的基礎沉降。通過對比分析，剛性樁復合地基最大反力pkmax=572 kPa，pkmax<1.2fa；滿堂布樁與墻下布樁最大樁頂反力Nkmax分別為2 293 kN和3 227 kN，Nkmax<1.2R，可見三種方案承載力均能滿足規范要求，且剛性樁復合地基和管樁滿堂布置方案相對規范上限值尚有10%的余量，而墻下布樁最大反力接近規范上限值。

在地基沉降方面，由于地基處理后壓縮模量Espi=ζEsi，其中,ζ=fspk/fak。故調整后②1,②2層復合地基壓縮模量分別為23 MPa,28.8 MPa。因此，復合地基最大沉降量僅為55 mm，相對于滿堂布樁(99 mm)和墻下布樁(117 mm)減少近50%；剛性樁復合地基沉降差為12 mm，兩種管樁基礎方案沉降差均為11 mm，三種基礎形式在沉降差方面基本一致。

5.2 經濟性能對比

由于地基基礎部分在整個結構造價中占很大比重，故技術性能滿足規范要求的同時，也需兼顧經濟指標。根據前述的剛性樁和管樁參數，計算上述三種基礎選型材料用量，詳見表2。

表2 基礎選型材料用量對比

從表2可以看出，雖然平面布置上剛性樁數量相對兩種管樁方案分別多50%和119%，但結合樁長因素考慮，采用剛性樁復合地基的單體下樁總長度反而降低，分別減少了2%和5%；考慮樁徑影響，采用剛性樁復合地基的單體下樁總混凝土用量亦更經濟，用量為319 m3，相對兩種管樁方案分別降低16%,19%。上述說明在地基承載力強度與地基變形均滿足規范要求前提下，剛性樁復合地基在減少材料用量方面也具有明顯優勢。

根據近期市場價格，包含人工、機械、材料等，剛性樁單位總造價約為600元/m3，預應力管樁約為240元/m，根據前述混凝土總量，得到本項目剛性樁復合地基與兩種管樁基礎總工程造價分別為20萬元，64.5萬元，剛性樁復合地基造價約為管樁地基的30%。

6 結語

本文通過工程實例，從技術、經濟指標兩方面分析了在土質均勻、穩定場地上高層建筑采用剛性樁復合地基與傳統管樁基礎的差異，得出以下結論：

1)在土層均勻場地中，剛性樁復合地基和管樁基礎方案均能滿足上部荷載對地基強度和變形的要求，但剛性樁復合地基充分發揮了樁間土的承載能力，增大了復合地基的壓縮模量，使復合地基最終沉降變形減小，約為管樁基礎的50%。

2)關于剛性樁復合地基方案，雖然樁數多于管樁，但單根樁長與樁總長度均少于管樁，混凝土總量約為管樁的80%，且施工周期短。剛性樁復合地基利用素混凝土加固土層，工程造價低廉，約為傳統管樁基礎的30%，經濟效益明顯。