双桩型复合地基的计算方法及实例分析

刘 旸，杨 洋

(1. 天津市市政工程设计研究院，天津 300052；2. 天津天地源置业投资有限公司，天津 300100)

双桩型复合地基的计算方法及实例分析

刘 旸1，杨 洋2

(1. 天津市市政工程设计研究院，天津 300052；2. 天津天地源置业投资有限公司，天津 300100)

基于某工程实例，阐述了采用树根桩作为主控桩、水泥土搅拌桩作为辅桩，共同发挥作用的双桩型复合地基承载力设计计算方法；通过经济分析表明，双桩型复合地基在一定程度上具有更好的经济性和适用性；通过对该实例的分析，得出了一些建议性的结论，可供类似工程设计参考．

复合地基；多桩型；地基处理；抗浮

复合地基即部分土体被增强或被置换形成增强体，由增强体和周围原状地基土共同承担荷载的地基形式，是目前在工程中应用非常广泛的人工地基．复合地基中的纵向增强体习惯上被称作“桩”．相对于单一桩型复合地基而言，由两种或两种以上桩型组成的复合地基称之为多桩型复合地基，并且将复合地基中分担荷载比较高的桩型定义为主控桩，其余桩型为辅桩[1-2]．

1 双桩型复合地基的应用

对地基土要求较高或工况比较复杂的工程，多桩型复合地基可以充分发挥各桩型自身的特点，能取得地基处理指标安全性和经济效益合理性的平衡．但出于施工难度、工程周期、综合造价等因素的考虑，实际工程中一般多采用的是两种桩型结合的复合地基．

对液化地基土，为消除地基液化，可采用振动沉管碎石桩或振冲碎石桩方案；但当建筑物荷载较大而要求加固后的复合地基承载力较高，单一碎石桩复合地基方案不能满足设计要求的承载力时，可采用碎石桩和刚性桩(如 CFG桩)组合的双桩型复合地基方案．这种多桩型复合地基既能消除地基土液化影响，又可以得到较高的复合地基承载力．

对于地基土，有两个以上土层可以作为桩端持力层．采用单一桩型时，在复合地基经济合理的桩距范围内，若桩端落在浅层土中，复合地基承载力不能满足设计要求；若桩端落在深层土中，复合地基承载力又过高，偏于保守且造成浪费；此时可考虑将桩长分成两类跳打，短桩桩端落在浅层土中，长桩桩端落在深层土中，形成单桩型长短桩复合地基．这样，既保证了地基承载力满足设计要求，又可以在不增加施工难度和工期的条件下节约工程造价．

采用刚性桩(如CFG桩)复合地基方案，有时会遇到基底桩间土土质较差，而工程对桩群承载力和地基变形均匀性要求又较高，此时可用水泥土搅拌桩对桩间土进行补强，以调整整个复合地基的承载力和变形的均匀性，由此形成多桩型复合地基[3-6]．

实际工程中，出于具体需要而采用的多桩型复合地基多种多样，不同桩型之间的组合可以起到不同的效果．本文结合某工程实例，介绍树根桩和水泥土搅拌桩组合用于大型钢筋混凝土现浇水池地基处理的设计计算方法，以期在类似工程中得以借鉴．

2 基于工程实例的双桩型复合地基计算方法分析

2.1 工程简介

某污水处理厂项目中的氧化沟工程，平面尺寸113.7,m×39.35,m，池壁采用直立式挡水墙，底板均采用构造底板，基础埋深3.15～3.45,m．该水池抗震设防烈度为7度(0.15,g)，抗震设防类别为乙类；场地土类别为Ⅲ类，地基基础设计等级为丙级；设计抗浮地下埋深为0.6,m．

上部水池竖向标准组合荷载值经计算，大致可归并成两种情况：①池壁挡水墙底板部分经设计需要地基承载力为 85,kPa(满水状态)，地下水浮力 28.5,kPa(空池状态)；②构造底板部分经设计需要地基承载力为 73,kPa(满水状态)，地下水浮力 25.5,kPa(空池状态)．

该水池基础底板位于原状淤泥质粉质黏土层，底板以下岩土勘察报告对应钻孔揭示的土层及其工程力学指标见表1．

表1 场区各土层工程力学指标

2.2 地基基础方案分析

由于该水池在空池时，扣除自重后存在较大的地下水浮力，池内也较为空旷，采用自重或配重抗浮将导致现浇底板厚度大幅增加．在经过相关技术经济指标比较后，确定本水池采用抗拔桩抗浮．又因为该水池底板位于淤泥质粉质黏土层，该土层承载力低，不满足设计对地基持力层的要求，且其厚度较大，全部换填既不经济又对抗拔桩存在不利影响，故考虑采用复合地基提高持力层承载力．

参考该工程所在地区各种桩基的使用情况、施工经验和综合造价等因素，最终确定采用树根桩作为主控桩、水泥土搅拌桩作为辅桩，由主控桩主要承担地下水浮托力，由辅桩主要承担竖向荷载的复合地基方案．

2.3 仅采用主控桩型的地基试算

2.3.1 满水竖向承载工况

由于该水池上部荷载分布较均匀，荷载效应作用点与桩群型心基本重合，偏心力可忽略不计，桩基可近似按照轴心竖向力作用下计算承载力．根据《建筑地基基础设计规范》[7](GB50007—2002)及《建筑基桩技术规范》[8](JGJ94—2008)的相关规定，树根桩单桩承载力特征值计算公式如下

考虑桩土共同作用的承台效应，桩数可按照下式计算

式中

Ra——单桩竖向承载力特征值；

uP——桩身断面周长；

qsik——桩侧第i层土的极限侧摩阻力标准值；

li——桩身穿越第i层土的厚度；

qPk——桩端所在土层的极限端阻力标准值；

AP——桩身截面面积；

n——基桩数；

Qk——相应于荷载效应标准组合轴心竖向力作用下单桩竖向力；

fak——基础底面地基承载力特征值；

Ac——桩基承台总净面积；

ηc——桩基承台效应系数，取值详见表2．

根据本工程岩土勘察报告的相关描述，取第⑤层粉质黏土作为桩端持力层，设计桩径为250,mm，桩长8.5,m，采用C25级混凝土，桩端进入⑤层土1.1,m．按照式(1)计算出单桩竖向承载力特征值Ra＝109.4,kN.考虑桩土共同作用，依据式(2)计算得出：池壁挡水墙底板部分按照正方形布置的最小桩距为1.26,m；构造底板部分按照正方形布置的最小桩距为1.38,m．

表2 桩基承台效应系数取值

2.3.2 空池抗浮工况

根据《建筑基桩技术规范》[8](JGJ94—2008)的相关规定，树根桩的单桩抗拔承载力计算公式为

式中

Nk——按荷载效应标准组合计算的基桩抗拔力；

Tuk——群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；

GP——基桩自重，地下水位以下取浮重度；

λi——桩身穿越第i层土的抗拔系数．

按照式(4)计算出的单桩极限抗拔承载力标准值Ra＝133.4,kN，基桩自重GP＝10.4,kN；考虑1.05的抗浮安全系数，依据式(3)计算得出：满足抗拔要求时，池壁挡水墙底板部分按照正方形布置的最小桩距为2.48,m；构造底板部分按照正方形布置的最小桩距为2.14,m．

通过以上试算可以看出，由于桩间土层承载力低，同一计算部位的最小桩距均为竖向承载力工况控制，据此计算出该水池仅采用主控桩加固地基时，共需树根桩2,298根．

2.4 双桩型复合地基计算分析

从上述试算结果可以看出，基础底面桩间土地基承载力较低，承台效应作用不明显，大部分荷载均由主控桩基承受，导致工程量增加和工期延长．在这种情况下，采用双桩型复合地基的方案，通过辅桩提高主控桩桩间土的承载力，以提高承台效应的作用．

根据《建筑地基基础设计规范》[7](GB50007—2002)及《建筑地基处理技术规范》[9](JGJ79—2002)的相关规定，作为辅桩的水泥土搅拌桩，其单桩承载力特征值及复合地基承载力计算公式如下

式中

Ra——单桩竖向承载力特征值，取式(5)和式(6)中的较小值；

α——桩端天然地基土承载力折减系数，可取0.4～0.6(本工程取 0.5)；

η——桩身强度折减系数，可取 0.25～0.33(本工程取0.30)；

fcu——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的试块立方体抗压强度平均值，具体试验要求详见文献[9]；

fsPk——复合地基承载力标准值；

m——面积置换率；

β——桩间土承载力折减系数，桩端为软土时可取0.5～1.0(本工程取0.5)；

fsk——桩间天然地基土承载力标准值；

n——搅拌桩数；

A——加固地基面积．

本工程水泥土搅拌桩设计桩径为 500,mm，桩长8.2,m(桩端与主控桩深度相同，桩顶考虑 300,mm 厚级配碎石褥垫层)，采用32.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为被加固湿土重的 15%，fcu工程实测值为1,500,kPa．依照式(5)、式(6)分别计算出Ra为213.7，88.3,kN，取两者中的较小值，确定辅桩的单桩竖向承载力特征值为88.3,kN．

通过估算，当主控桩桩间土承载力特征值提高到100,kPa(《给水排水工程结构设计手册》[10](第2版)中要求：100,kPa以下视为软土，仍需处理；故设计此类工程时，均按照将土体承载力特征值提高到100,kPa计算)左右时，满水竖向承载工况和空池抗浮工况分别计算出的主控桩桩距较为接近，这时可以最大限度地发挥主控桩的作用．因此，取辅桩加固后的复合地基承载力为 100,kPa进行计算．通过对式(7)的推导，可以得出辅桩面积置换率的计算公式为

按照式(9)计算出的辅桩面积置换率 m＝0.157，再按照式(8)计算出按照正方形布置的辅桩最小桩距为1.2,m；而此时主控桩仅需按照抗浮工况计算，得出池壁挡水墙底板部分按照正方形布置的主控桩最小桩距为2.06,m，构造底板部分按照正方形布置的主控桩最小桩距为2.14,m．

据此计算出该水池采用主控桩和辅桩共同加固地基时，只需树根桩925根，水泥土搅拌桩2,875根．

2.5 技术经济比较

通过上述计算，可以估算出仅采用主控桩型和采用双桩型方案的技术经济指标，并进行比较，具体指标见表3．

经比较可以看出，在达到同样地基处理效果的前提下，采用两种桩型复合的方案要比仅采用主控桩方案的造价节约 32万元．而且由于钻孔灌注桩数量的大幅减少，在投入施工机具和人力相近的情况下，采用双桩型复合方案可以有效地节约工期，取得更好的效益．

表3 复合地基方案及经济指标比较

3 结 语

从工程造价、施工周期和工程实用等角度出发，多桩型复合地基处理方案相比传统的单桩型复合地基和桩基础，在一定程度上具有较强的优势．随着近年来相关施工工艺的优化和设计计算理论的完善，多桩型复合地基已经越来越多地被应用到工程实践中，并且取得了良好的效果．但是由于各种复合地基处理方法的作用机理和自身特性均存在差异，在进一步认识多桩型复合地基承载力和变形特性的过程中，除了研究机理之外，尚需要积累更多的工程实践经验．

［1］朱常志，王士杰，周瑞林，等．多桩型复合地基承载力计算方法研究[J]. 工程勘察，2006(10)：22-23,71．

［2］闫明礼，王明山，闫雪峰，等．多桩型复合地基设计计算方法探讨[J]. 岩土工程学报，2003(6)：352-355.

［3］牛志荣，李 宏. 复合地基处理及工程实例[M]. 北京：中国建材工业出版社，2000．

［4］王士杰，何满潮，周瑞林，等．多桩型复合地基试验研究[J]. 河北农业大学学报，2006，29(5)：118-122．

［5］陈 磊，闫明礼. 组合桩复合地基在工程中的应用[J].工程勘察，1999(1)：24-26.

［6］马 骥，张东刚. 长短桩复合地基设计计算[J]. 岩土工程技术，2001(2)：86-91．

［7］GB50007—2002，建筑地基基础设计规范[S].

［8］JGJ94—2008，建筑基桩技术规范[S].

［9］JGJ79—2002，建筑地基处理技术规范[S].

［10］给水排水工程结构设计手册编委会．给水排水工程结构设计手册[M]. 2版． 北京：中国建筑工业出版社，2007．

Calculation Methods and Example Analysis of Composite Piled Foundation

LIU Yang1，YANG Yang2
(1. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin 300052，China；2. Tianjin Tande Property Establishment Investment Co.，Ltd.，Tianjin 300100，China）

Based on a project example，this paper shows the design of the composite piled foundation and the calculation methods of the bearing capacity of the foundation with tree root as the master pile and the cement-soil pile as auxiliary pile.And then through the economic analysis the paper shows that the composite piled foundation to some extent has better economic efficiency and applicability. Finally，through the example analysis the paper draws some constructive conclusions，thus providing reference for engineering designers.

composite foundation；multi-pile type；foundation treatment；anti-uplift

TU470.3

A

1006-6853(2011)02-0105-04

2010-11-22；

2010-12-30

刘 旸（1979—），女，天津人，天津市市政工程设计研究院工程师．