剛性樁復合地基設計探討

萬繼春

（淮安市建設工程施工圖審查處，江蘇 淮安 223001）

1 引言

復合地基是指部分土體被增強或被置換，形成由地基土和豎向增強體共同承擔荷載的人工地基。隨著地基基礎處理方式的不斷改進，剛性樁復合地基的使用越來越多，目前剛性樁復合地基的主要形式是管樁復合地基。摩擦型樁屬于有黏結強度的增強體，能夠與土體共同工作，實現地基有效承載的目的。這其中有主動設計的，也有被動設計的，被動設計的主要原因是工程樁的承載力特征值的檢測不合格。而端承型樁因為沉降極小，地基土沒有變形空間，不能起到有效的承載作用，對于端承樁以及淺層地基土存在壓縮性較大的土層的情況時建議慎用剛性樁復合地基。

2 基本理論

JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》對有黏結強度增強體復合地基提出了如下公式[1]：

式中，fspk為復合地基承載力特征值，kPa；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為樁的截面積，m2；λ為單樁承載力發揮系數，可按地區經驗取值；β為樁間土承載力發揮系數，可按地區經驗取值；m為面積置換率d為樁身平均直徑，m，de為1根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，m，等邊三角形布樁de=1.05s，正方形布樁de=1.13s，矩形布樁分別為樁間距、縱向樁間距和橫向樁間距）；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa。

通過式（1）發現，地基的承載能力實際上就是樁的承載力和樁間土的承載力的折減整合。實際上面積置換率m中提到的等效圓是采用面積相等的原則，將正方形（或矩形、三角形）等效成圓，這可以通過m的計算公式推導出來。以正方形舉例：將化簡后，de≈1.13s。同樣的結果適用于三角形布樁和矩形布樁。也就是說，這個公式可以簡化為：

式中，Nk為復合地基承載力，kN；A0為樁間土凈面積，m2；n為樁的數量。

例題1：管樁直徑500mm，樁正方形分布，分布間距為2.5m×2.5m，Ra=1 800kN，fsk=120kPa，則：

根據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》第7.1.5條條文說明，可取λ=0.8，β=1.0；則：

對應于2.5m×2.5m的面積，所能承擔的荷載為2 162kN。

根據式（2）計算，則：

2個公式的計算結果基本一致，通過式（2）可以很清楚地看出，上部結構的荷載是由樁和樁間土共同承擔的，那么規范中為什么沒有用這樣清晰明了的公式呢？這是因為引入復合地基承載力特征值fspk這個指標，人們就可以對地基承載力進行深度修正，也可以進行復合地基的沉降驗算，簡化了地基基礎的設計。

3 存在的問題

3.1 設計理念的問題

對于筏板基礎下均勻、對稱布樁，可以通過式（1）很方便地計算出地基承載力并以此地基基礎設計。這是因為在大面積布樁的情況下，式（1）的誤差很小，可以忽略。但當主體結構采用獨立基礎或條形基礎的時候，以及建筑物下非均勻布樁時，式（1）的設計誤差有時候就會很大，而且會導致設計時走入一個誤區，部分設計人會認為在樁均布的情況下，整個地基土的承載力都會變成fspk，并以此進行地基基礎設計。

圖1是一個工程設計實例，因為上部荷載與樁的中心并不在一個位置，樁和土的共同作用就會被極大地削弱，并且由于樁的偏位影響帶來更為不利的因素，直接導致基礎范圍內的有效承載力的不足和兩側的沉降不均勻。設計人員應調整樁位布置，在條形基礎范圍內，使樁位布置保持均勻對稱。通過式（2），可以發現復合地基的概念并非是基底土的承載能力的提高，而是由樁和土共同承載作用下形成的綜合承載能力。

圖1 條形基礎下的均勻布樁

3.2 計算誤差的問題

為方便演算和說明，現以獨立基礎為例，此處仍以例題1的假定條件舉例。

5m×5m的獨立基礎如圖2所示。

圖2 5m×5m的獨立基礎

我們根據樁間距計算標準的5m×5m的獨立基礎，在不考慮深度修正的影響下，通過例題1的計算結果，得到地基的最大承載能力為：

式中，A為基礎底面積，m2。

如果按式（2），得到地基的最大承載能力為：

根據計算結果，在標準尺寸下2個公式的計算結果是基本一致的，但是，不難發現這樣的計算是存在問題的。如果僅僅是在軸力作用下，該基礎設計可以滿足計算要求，但往往在實際設計中，總是存在著偏心力矩的作用，也就是基礎邊緣存在著最大壓力，而邊部土的承載能力是存在不足的。

繼續以此舉例，將圖2的布置調整成如圖3所示。

圖3 3m×3m的獨立基礎

同樣的樁位布置，對于3m×3m的獨立基礎，不考慮深度修正的影響，通過式（1）的計算方法，得到地基的最大承載能力為：

如果按式（2），得到地基的最大承載能力為：

通過對比以上2個計算結果，發現承載能力的誤差竟高達2倍多。而實際上4根樁所能承擔的荷載就已經達到5 760kN，此時如果還是按式（1）計算，就存在著極大的浪費。

通過對式（1）的演算，筆者以為規范的m值的計算可修改為：

通過式（3）得到m=0.087 3，發現這個值和式（1）中的m值相差極大。將此值代入到式（1）中，得出：

這樣的結果就與式（2）的結果基本保持一致了。

反之，如果樁布置不變，在例題1的基礎上擴大基礎范圍，計算結果則會偏于不安全。

4 結語

復合地基承載力的提高，并非原狀土承載力的大幅度提高，而僅僅是在充分考慮了樁的承載能力的基礎上提出的一個假定值，是樁土共同作用的結果，設計人應重視上部結構重心與有效抗力中心的一致性。對于大面積的筏板基礎下均勻布樁，按規范的公式計算是滿足結構安全需要的。在實際設計工作中，對于條形基礎、獨立基礎等小范圍的剛性樁復合地基建議可按本文的式（2）來進行設計。

對于剛性樁復合地基，應采用基礎范圍內均勻布樁的原則，基礎范圍以外的樁僅能對土體起到一定的約束和保護作用。同時，由于基礎外圍在偏心荷載作用下存在的邊緣壓力，原狀土的承載能力并不一定能夠承擔，所以實際設計工作中應優先考慮第一排樁靠近基礎邊緣的內側布置。

由于基底偏心壓力的作用，筆者不贊同條形基礎下單排樁和獨立基礎下的單樁復合地基設計，如果此類基礎偏心荷載比較小，筆者建議，可以考慮在扣除樁承擔的軸心力后，對偏心荷載引起的土反力進行驗算。