某高层建筑地基设计实践

李少华

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

摘要：近年来，刚性桩复合地基已经在高层建筑地基基础中逐渐得到应用，并取得了良好的经济效益和社会效益。本文针对某高层剪力墙结构地下土层复杂、地基承载力要求高等特点，阐述了采用夯扩桩作刚性桩的复合地基的设计思路和计算过程，结果表明这种地基处理方案有效解决了该岩溶地区地基承载力小和沉降大的问题。

1工作原理

刚性桩复合地基主要通过挤密(反映在桩土应力比上)和置换(反映在置换率上)两种途径来大幅度地提高复合地基承载力。在外荷载作用下，复合地基中桩与土是在等变形条件下工作的。由于桩土刚度差异较大，桩身压缩变形量小于桩间土的压缩变形量，两者的差距需由桩与土的相对位移来完成。由于刚性桩桩土应力及压缩模量都较大，特别是桩端有好土时，将难于向下刺人满足变形协调。因此，刚性桩复合地基设计计算中褥垫层的设置成为关键。有资料表明，调节褥垫层的厚度能明显改变刚性桩复合地基的承载力与变形。刚性桩复合地基在加荷初期，是与基础直接接触的褥垫层受到垂直荷载的作用而压缩，随着进一步的加荷，荷载将均匀地传递到桩顶及桩间土，由于面积置换率小，在加荷不大时桩土应力比接近于1，这时绝大部分荷载由桩间土承担。随着荷载增加，桩间土压缩沉降加大，桩土应力比随之逐渐增大，上部荷载逐渐向桩转移，通过褥垫层对荷载的调整作用，而使桩间土的承载力得以充分发挥，而大于桩间土承载能力的荷载由桩承担，从而实现桩土共同作用。因此，刚性桩复合地基可通过增大桩径、缩小桩间距来提高置换率；也可通过增加桩长，将桩打到硬土层来提高单桩承载力，大大提高桩土应力比从而增大复合地基承载力。

2工程实况

某工程为地上16~18层塔楼、一层地下室的住宅，楼高54.00m，一期地上总建筑面积112278㎡，地下总建筑面积为25604㎡。场地的复杂程度为二级，地基复杂程度为二级，建筑场地类别为三类，建筑物地基基础设计等级为乙级。地下室底板板厚400 mm，采用C30微膨胀混凝土。

各土层主要物理力学指标

3 原夯扩桩设计方案

该住宅原设计方案采用桩身直径500 mm，扩大头直径为900mm的夯扩桩，承台下均匀布桩，平均桩间距2000mm。桩长均为15m。桩端持力层为地质资料中③2、③3编号的粉质粘土层或石灰岩面，当持力层为粘土层时，要求桩端嵌入该土层大于1.5m。桩身混凝土强度等级均为C25. 单桩承载力特征值为1100kN。总桩数为662根。

但是在桩基础施工阶段时，从已施工的桩情况发现实际地质条件与勘察报告差异较大，为了查明基桩持力层下岩性、场地不良地质现象特别是地下溶洞的分布和发育规律，决定对本工程补充施工勘探。施工勘探原则上采取一桩一孔（钻探孔布置于桩中心），并要求钻入完整稳定微风化岩层不小于5m，完整稳定中风化岩层不少于8m。

4刚性桩复合地基设计方案

根据补充施工勘探报告揭露的地质，本场地的岩溶发育，钻探见洞率高，并且场地的基岩变化起伏大。为避免基础沉降大和地基承载力小的问题，根据复合地基的承载机理，决定对塔楼部分采用刚性桩复合地基的设计方案。

选夯扩桩做为刚性桩是因为其在桩端形成扩大头，提高了桩端支承面积，同时夯扩挤密了桩端土，增大了桩端阻力，最终使得桩承载力得到提高。采用桩身直径500 mm，扩大头直径为900mm的夯扩桩，等边三角形布桩，桩中心距为1.75m,桩端持力层为地质资料中③2、③3编号的粉质粘土层或石灰岩面，桩身混凝土强度等级均为C25。由夯扩桩单桩竖向承载力特征值公式Rk=πdΣLixqsa+π/4xD²xβxqpa根据钻孔资料计算出Rk范围在736kN~1183 kN,取所有钻孔承载力计算的平均值为1000 kN。但因为基础在溶洞发育地区，所以对Rk取调整系数0.6，则最后单桩竖向承载力特征值为600 kN。

5 褥垫层设置：

复合地基中褥垫层具有保证桩土共同承担荷载的作用，设计褥垫层应注意以下几点：

一是褥垫层材料的选用：在桩顶和基础间应满铺300厚褥垫层，褥垫层材料可采用中粗砂（含泥量不得大于5%）、碎石或级配砂石，最大粒径不大于20mm。

二是褥垫层夯填度的要求。褥垫层分2层找平，夯压密实，每层虚铺厚度为167mm，按0.9的夯填度则每层夯实后的厚度为150mm,采用静力压实法压实至垫层底，压实系数不小于0.94。

三是褥垫层设置的范围。砂石褥垫层和素混凝土垫层设置范围比基础外边大200mm。在褥垫层与基础间铺设C10素混凝土垫层，厚100mm。

6 设计计算

（1）天然地基承载力特征值计算

勘察报告中提供的淤泥质土承载力特征值的经验值fak为60kPa，基础底面土的加权平均重度γm=6kN/m³，地下室的抗浮水位的高程按地勘报告为±0.00m，基础埋深d为5.8m。对18层且有1层地下室的住宅塔楼，经深宽修正后的承载力特征值为91kPa。

（2）复合地基竖向承载力特征值计算

根据广厦软件计算结果，建筑物每层结构自重加活载按19kPa（考虑底板）计算，主楼地上18层，地下室1层共19层，则基底附加压力Po=19x19-16x5.8=268kPa。则复合地基竖向承载力特征值fspk应不小于268 kPa。

（3）桩间距的确定

复合地基竖向承载力特征值公式如下：

; （1-1）

m=d2/ ;（1-2）

式中： fspk——复合地基承载力特征值（kPa）；m——桩土面积置换率；d ——桩身外直径（m）；de——一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（m），按等边三角形布桩时，de可按1.05s取值；Ra——单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap——包括桩芯土在内的桩横截面全面积（m2）；β——桩间土承载力折减系数；fsk—— 修正后桩间土承载力特征值（kPa）；s——桩间距。

由已知复合地基竖向承载力特征值，单桩竖向承载力特征值和淤泥质土承载力特征值可由公式1-1求出桩土面积置换率m；再由1-2公式即可确定桩间距

复合地基竖向承载力特征值计算表

则可初步确定桩间距为1.75m,此时复合地基承载力特征值为270 kPa。

（4）桩身强度确定

由桩身强度验算公式Ra≤ψc Ap fc（式中ψc为工作条件系数取0.7）可得fc≥1000/(0.7x0.19625)=7.28N/mm²，查《混凝土规范》选用C25，fc=11.9N/mm²，满足要求。

（5）沉降计算：

复合地基的沉降计算采用分层总和法进行，把总沉降量分为加固区的沉降S1和下卧层的沉降S2，总沉降采用两者之和。此处要注意的是由于复合地基加固区是土体和增强体共同承担荷载，增加体和土体应看做一个整体来考虑复合量。由规范可知复合模量表达式为Esp= Es x(fspk / fak)，其中fak为天然地基土承载力特征值。限于篇幅不再演算计算过程，最终沉降满足规范要求。

结束语

由于刚性桩复合地基是一项新的地基处理技术，设计计算理论和工程施工经验尚不够成熟。相比之下，复合地基承载力计算研究较深入、成熟，沉降计算理论和实践正处在不断发展中。按沉降变形控制设计思想比通常采用承载力控制设计理论在实践上具有更大的经济效益，在理论上也是合理的。强度和变形是完全统一的。一般情况下，强度破坏即意味着持续沉降变形，而能够达到稳定沉降变形则不一定是破坏。本工程结合实际情况进行合理设计，通过采用刚性桩复合地基设计方案，提高了地基承载力和复合模量，有效的减少了建筑物总沉降， 不失为经济、合理的地基处理方案。

参考文献

[1] 《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002），中国建筑工业出版社, 2002

[2] 《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002），中国建筑工业出版社, 2002