刚性桩复合地基设计要点

吕恒柱

(南京金宸建筑设计有限公司，江苏南京 210019)

刚性桩复合地基设计要点

吕恒柱

(南京金宸建筑设计有限公司，江苏南京 210019)

高层建筑工程中采用预应力混凝土管桩置换部分土体，形成由增强体和周围地基土共同承担荷载的刚性桩复合地基，该方法既能充分发挥桩和桩间土的承载性能,又能很好地协调地基的变形。结合多项刚性桩复合地基工程实例的设计过程及其适用情况，重点探讨了刚性桩复合地基的持力层选择、桩径比选择、褥垫层设置、经济技术分析、地基检测及沉降计算等方面的内容，对推广刚性桩复合地基更为广泛的工程应用，具有积极的实际意义。

刚性桩复合地基； 预应力混凝土管桩； 设计要点

基础设计中当地基承载力特征值大于上部建筑附加压力时，我们会考虑选择天然地基基础；当地基承载力特征值小于上部建筑附加压力，我们大多倾向于选择桩基础。天然地基基础上部建筑荷载作用全部由基础下持力层承担；桩基础上部建筑荷载作用全部由桩基承担，不考虑土层分担作用，介于两种基础之间的是考虑桩土共同工作的复合地基基础。以往在早期复合地基基础设计的常规思路里，因多层建筑复合地基基底荷载不大，且复合地基主要应用于软土地基里，一般采用柔性增强体提高地基承载力的地基处理手段，而柔性增强体多采用散体材料(如砂石桩)和有粘结强度材料(如水泥土搅拌桩、CFG 桩、灰土挤密桩等)进行复合，增强体桩为摩擦型桩，以更好地发挥桩土共同工作性能。新版的《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)与《复合地基技术规范》(GB/T 50783 -2012)允许采用刚性桩作为复合地基的增强体，这就为那些承载力较高但修正后仍无法满足天然地基要求的土层( 如残积土、全风化岩等) 提供了新的设计思路，即采用预应力混凝土管桩上覆褥垫层的刚性桩复合地基。

1 工程案例

1.1 工程案例一

长沙市某工程项目由6栋上部34层、主屋面高度约100 m、地下室2层的高层住宅楼组成，均采用剪力墙结构。工程场地类别为Ⅱ类，属冲积地貌类型，底板下土层基本为④层全风化板岩，fa=260 kPa，仅少数为②层粉质黏土，fa=200 kPa。天然地基的承载力不能满足设计要求，地勘报告建议采用高强预应力混凝土管桩，以④层全风化板岩为持力层，桩长较短，施工快捷经济，但我们考虑到混凝土管桩施工期间为春雨连绵的季节，雨水充足，混凝土管桩灌水后会使持力层全风化板岩泡水软化，对桩基承载力影响较大，周边其他工地出现过类似的工程事故，不宜采用，故分别考虑了以下三种基础方案。

1.1.1 天然地基方案

假定采用天然地基，筏板厚度按1. 6 m( 按每层5 cm)。根据文献[1]第5. 2. 4 条，考虑到整个地下室并未全部为筏板基础，拟按照地下室自重换算的土层厚度进行修正。经计算，考虑了覆土、顶板、负一层板和筏板的总恒载Gk为81 kPa，折算覆土厚度为4.5 m。修正后的地基土承载力特征值为：fa=faK+ηb(b-3)+ηdγm(d-0.5)=383kPa。根据JCCAD程序计算可知筏板基底平均应力为pk=533 kPa>fa，因此天然地基方案不可行。

1.1.2 复合桩基方案

根据文献[3]第5. 2. 5 条，考虑承台效应的复合桩基承载力特征值按下列公式计算：R=Ra+ηc·faK·Ac，Ac=(A-n·Aps)/n，取单桩承载力特征值Ra=800 kPa，Sa/d=3. 5 及Bc/l>0.8，查表5.2.5，取ηc=0.16，Ac=2.867 m2，则R=919 kN，也就是桩土作用下单桩承载力提高约15%，相当于地基承载力fa为300 kPa，还不如修正后的天然地基承载力。分析上述R的计算公式可知，因桩与桩间土的变形刚度差较大，需要桩承载并有较多沉降后天然地基因变形而产生基地反力，故对于本身单桩竖向承载力低的，若采用复合桩基的模式，桩间土远未发挥应有的承载力，难以提供设计所需的承载力，该方案亦不可行。

1.1.3 复合地基方案

根据文献[2]第7.1.5 条，复合地基的承载力计算式为：fspk=λmRa/Ap+β(1-m)fsk，采用直径500mm的预应力混凝土管桩作为桩体，桩距s=1. 75 m，上覆砂碎石褥垫层200厚，计算参数如下：de=1.05s=1.84 m； 置换率m=d2/de2=0.52/1.842=0.074，取m= 0. 07；βp=1βs=0.9Ra=720kN；Ap=0.196m2；则fspk=475 kPa。依据规范不考虑宽度修正且深度修正系数取1. 0，则特征值为：fa=fspk+ηd·γm(D-0.5)=547 kPa>533 kPa。采用复合地基的方案能够满足地基承载力的要求。该方案置换率m达到7 %，承载力较天然地基提高了75 %。

由单桩静载试桩和4 m2单桩复合地基试验以及工程竣工2年内的沉降观测数据可知，各项数据均能满足设计要求，说明预应力混凝土管桩复合地基在本工程中的应用是成功的。

1.2 工程案例二

淮安市某项目总建筑面积37×104m2，由11幢26～33层高层住宅、5栋多层商业及地下车库组成，其中20#～22#住宅楼为34层，主屋面高度为96.9 m，采用剪力墙结构。高层主楼部分基础设计经多方案比较后均采用刚性桩复合地基。

22#楼在整个小区中先期施工。其地下室底板位于③层可塑性黏土，其fak=220 kPa，采用直径500 mm的混凝土管桩，桩长14 m，桩距1.8 m×1.9 m，置换率为5.73 %的刚性桩复合地基，其承载力fpsk为450 kPa。工程前期静载试桩加载四级至五级时，有“突降”将压桩过程中上抬量抵消后，荷载能继续加到设计要求。工程桩施工完成后，挤土效应使得桩体普遍上抬60～80 mm。为避免后续的单体施工中出现类似情况，将接下来准备施工的21#楼桩长减短，并作了三种对比方案，如表1所示。

表1 21#楼三种基础设计方案分析表

其中，方案三按桩基础设计，因建筑高度超过60 m，需采用直径600 mm的管桩，桩长14 m，Ra=1 600 kN布置，仍需满堂布置采用筏板，造价最高，若要达到剪力墙下布桩，还需加桩长提高单桩承载力，考虑到前期施工的22#楼桩长14 m已出现挤土上抬现象，该方案不可实现且技术经济指标最差。设计院倾向于方案一，桩土共同工作性能好，挤土效应不利影响也较小，由于单桩分摊面积小，载荷板试验加载量减小1/3。最后，业主考虑方案一打桩数量多、工期长，不能满足集团制定的工期要求，最终选择了方案二。

健康教育前后风险识别能力、寻求帮助能力、协商能力、拒绝能力等防艾生活技能分别为 （1.76±0.21）、（1.80±0.17）、（1.78±0.18）和（1.80±0.16）分，均高于教育前，差异具有统计学意义 （χ2=30.850、52.860、41.564 和 40.225，P＜0.01），见表 1。

1.3 工程案例三

工程概况参考文献[6]所述，基底位于④层黏土层，土层承载力特征值fak=210 kPa，天然地基不能满足承载力要求，勘察报告给出了两种基础方案：预应力混凝土管桩和钻孔灌注桩基础。基础设计时，考虑了以下因素：(1)采用预应力混凝土管桩所需桩长较长，配重大，需穿越较深的中密砂层，压桩需引孔，施工难度及费用大幅增加；(2)采用钻孔灌注桩则周期长、造价高且对周围环境产生一定污染；(3)为了充分利用地基土的承载能力,考虑桩、土共同作用,拟采用复合地基方案，但CFG水泥土桩复合地基由于成桩设备与工艺水平的限制, 成桩直径与深度都不大, 单桩承载力提高不明显，达不到设计所要的承载力。通过对当地现有桩基施工设备的调查，综合考虑本工程的地质条件、上部结构荷载情况及地区工程经验的基础上, 最终确定了预应力混凝土管桩复合地基方案。

以上三项工程均已竣工投入使用。每项工程本着经济节约的原则，均考虑了多种基础方案综合比较，供业主选择，施工过程中，因均为单节桩体没有接桩也没有出现截桩和断桩现象，施工过程较为顺利，既节约了投资又简化了现场工作量，缩短了工期。刚性桩复合地基取得了明显的经济效益和社会效益，赢得了业主的满意。

2 设计要点总结

综合多项采用刚性桩复合地基工程的设计经验，总结了如下几点心得体会，供其他类似工程作进一步的探讨。

2.1 持力层的选择

高层和大高层住宅基础采用复合地基时，增强体不应采用离散性较大的载体，宜采用桩身强度较高的刚性桩，桩端持力层宜选择硬塑，黏土层中密砂层，乃至更好的强风化岩层，密实砂层，但要注意对于这类低压缩性层桩端进入不宜过深。桩按端承摩擦桩设计，对控制高层建筑的沉降变形有好处。上述工程案例的桩端持力层分别选择为：全风化板岩和硬塑粉质黏土，地基承载力均大于200 kPa，采用单节混凝土管桩复合地基后，地基承载力能达到400～450 kPa，基本满足高层建筑基础设计所需的承载力。

2.2 桩径比的选择

桩土应力比是在复合地基的受力过程中，桩顶的平均应力与桩间土的平均应力之比，即n=σp/σs，正常工作状态下，桩土应力比相对比较稳定。由文献[8]研究可知，特征值荷载下桩间土承担的荷载均超过其承载力特征值，而桩的承载能力远未得到充分发挥。此时，桩、土承载力发挥系数的平均值分别为0.72和1.78，因此刚性桩复合地基宜采用小直径桩。在桩的荷载分担比一致条件下，桩的直径小、数量多，桩土共同性能发挥好于桩直径大、数量较少的情况，且上述工程案例表明，桩径小数量多的基础方案造价也较节省。由工程案例一可知，复合桩基仍属于桩基范畴，与复合地基适用条件恰相反。

刚性桩复合地基与基础之间应设置垫层，它是刚性桩与基底土层形成复合地基共同工作的重要条件，在褥垫层内相对的位移可调整桩土荷载的桩土分担比。褥垫层厚度一般为100～300mm。桩土应力比值大时垫层厚度取小值，刚性桩抗压承载力、桩径、桩距大时取较大值，即褥垫层越厚，土分担的水平荷载越百分比越大，桩分担的水平荷载百分比越小。褥垫层宜选用中砂、粗砂级配良好的砂石、碎石、粒径不宜大于30mm，同时预应力管桩桩顶可采取设置混凝土桩帽或采用高于增强体强度等级的混凝土灌芯的技术措施，减少桩顶的刺入变形。

2.4 经济技术分析

刚性桩复合地基的底板高要有一定的刚度以调节桩土之间应力分配，80～100m的高层建筑筏板，一般为1.3～1.5m，刚性桩复合地基桩基能够充分利用桩间土的作用，所需的桩体长度和桩径比桩基础要小，故桩的造价节省很多。而当单桩承载力较高，桩可沿剪力墙下布置时，条形承台之间设防水板，此时，桩基础不一定比刚性桩复合地基造价高。当造价相近时，采用刚性桩复合地基和桩基础各有优势。复合地基的检测要求高，除了要载荷板试验因素，还必须做单桩静载试验，但其整体稳定性、抗倾覆性及桩基抗水平能力优于桩基础。同时，采用桩基础为获取较高的单桩承载力，需穿越一定厚度的中密或密实土层，施工可能需要引孔，出现断桩、挤土效应及施工周期增加。因此，基础设计应综合考虑相关因素。

2.5 复合地基检测要点

复合地基的检测应注意以下几点：(1)因复合地基承载力理论计算有很强的地区性，施工前必须做复合地基载荷板试验和单桩静载试验，以确定复合地基承载力；(2)地质条件相近，桩型、直径、桩长和置换率相同的条件下，载荷板试验不少于3块，单桩竖向承载力静载试验不少于3根且不少于总桩数的1%；若一项目有多栋单体建筑，载荷板试验每栋不少于1块，总数不少于3块，单桩静载试桩不少于1根，并且总数不少于3根；(3)刚性桩复合地基质量验收检测，根据文献[4]第14.4.3条，可抽取刚性桩进行单桩竖向静载试验，试验数量为总桩数的0.5%，且每个单体工程的试验数量不应少于3根。

2.6 基础沉降计算

复合地基的沉降控制是复合地基设计重点关注的问题。目前地基基础沉降验算仍是经验性的计算方法，按规范所做的沉降计算结果与实测资料差距很大，用不同的沉降计算方法，计算结果往往相差好几倍，这方面的工作有待研究改进，复合地基沉降验算可参照分层总合法计算，其中主要问题是复合地基压缩模取值，建议复合地基压缩模量，按文献[2]第7.1.9条确定，根据江苏地区大量的工程实测经验刚性桩复合地基实测沉降远远小于计算值。上述工程案例二和工程案例三的刚性桩复合地基，当桩端进入强风化层或密实砂层，单桩竖向静载试验达到极限荷载时，沉降约为30～40mm。

3 结束语

(1)重视基础选型的工作和方案比较。结构设计没有唯一解，基础的工程造价在整个工程造价中所占的比例较高，基础的技术经济指标对建筑的总造价有很大影响。基础方案的分析、比较与选择，对高层建筑来说十分必要。在高层建筑中，地基承载力和地基变形是影响地基基础方案的主要因素，为满足地基承载力和地基变形要求，一般情况下应优先考虑地基处理方案，最大程度地利用了天然地基承载力,可提高地基承载力30 %～50 %。

(2)采用混凝土管桩复合地基设计,突破了仅用纯桩基或CFG桩等柔性桩体复合地基的传统观念，较柔性桩复合地基有着更强的优势。缩短桩长后,通过褥垫层调整桩顶和桩间土的应力比,充分发挥桩间土潜力,协调当桩端持力层不同时,桩土的变形问题，减少地基的沉降量。不但提高地基承载力幅度较高, 而且在控制地基变形上显得更强势。通过协调提高桩体承载力与增大置换率两者关系达到实用性与经济性的统一，刚性桩复合地基具有明显的经济效益和社会效益。

[1]GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S].

[2]JGJ79-2012 建筑地基处理技术规范[S].

[3]JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S].

[4]GB/T50783 -2012 复合地基技术规范[S].

[5]JGJ/T327-2014 劲性复合桩技术规程[S].

[6] 吕恒柱. 预应力砼管桩复合地基在高层建筑中的应用[J]. 建筑技术开发,2012(8).

[7] 刘汉龙. 现浇混凝土薄壁管桩复合地基桩土应力比影响因素分析[J]. 岩土力学,2008(8).

[8] 肖成安. 管桩复合地基桩土承载力发挥度研究[J]. 施工技术,2014(10).

TU47

B

[定稿日期]2015-06-24

[作者简得]吕恒柱(1980～),男，硕士，高级工程师，一级注册结构工程师，从事建筑结构设计、结构设计优化工作。