P.R.D复合地基设计

王康乐 叶 军 刘 洋

(中国建筑韩国分公司，韩国 釜山 612-726)

P.R.D复合地基设计

王康乐 叶 军 刘 洋

(中国建筑韩国分公司，韩国 釜山 612-726)

以韩国海云台LCT综合体项目P.R.D(Percussion Rotary Drilling)复合地基为背景，介绍了P.R.D复合地基的承载机理，并从设计原则、设计参数选取、承载力计算等方面阐述了具体的设计方法，为国内类似工程的地基处理提供参考借鉴。

P.R.D复合地基，设计，承载力，计算

1 P.R.D复合地基概述

P.R.D桩(Percussion Rotary Drilling)类似于钻孔灌注桩，是采用套管和长螺旋杆同时钻进(如遇到岩层，还可配合采用潜孔冲击锤[1])，成孔后，放入钢筋笼，浇筑混凝土并养护，之后再取出套管。其复合地基是由桩、桩间土或岩层，以及上部基础与桩顶间的褥垫层组成。P.R.D复合地基具有承载力大、地基变形小的特点，适用于各种复杂地基，尤其在风化岩层地基中，优势更加突出，结构组成如图1所示。

2 工程概要

韩国海云台LCT综合体项目临近海边，其地层的分层情况如下：

①填土层。层厚0.3 m～4.5 m，疏松；

②崩积层。层厚3.1 m～8.9 m，由粘土、粉土、碎石组成；

③残积土层。层厚0.7 m～32.3 m，由粘土及风化土层组成；

④风化岩。层厚0 m～15 m，随深度的增加，由全风化到微风化变化；

⑤软岩。层厚0 m～40.8 m，未风化岩层；

⑥硬岩。未穿透，未风化的坚硬岩层。

本项目由三栋塔楼及裙房组成，塔楼B呈“Y”字形，东西向长约67 m，南北向宽约59 m，地下5层，地上85层，建筑高度331.1 m，采用4.5 m厚的筏形基础，基础底标高EL(-)18.900 m，基岩选用软岩及硬岩。在塔楼B东北侧的基础下部，存在最大厚度22 m的风化岩层，并紧邻地连墙。考虑到地连墙的安全性以及经济性，设计采用P.R.D复合地基，其平面位置如图2所示。

3 P.R.D复合地基的设计

3.1 P.R.D复合地基设计原则

1)满足建筑物荷载对复合地基承载力要求。2)满足规范及设计对建筑物地基变形的要求。3)满足桩及桩间风化岩层(或桩间土层)协调变形的要求。4)满足周边环境条件的要求[2]。

3.2 设计参数的选择

1)P.R.D桩设计条件。

韩国海云台LCT综合体项目复合地基采用的P.R.D桩直径1 000 mm(有效直径975 mm)，长度约为5 m～22 m，共58根，要求嵌入软岩或硬岩2 m以上。加固后的复合地基承载力fa=2 300 kPa，最大单桩设计承载力P=8 500 kN,桩间风化岩层最大承载力600 kPa。桩体采用混凝土强度等级50 MPa，主筋强度fy=500 MPa。

2)地层条件。

根据现场孔内载荷试验及岩石单轴压缩强度试验结果，并结合《New York City Building Code》及《Canadian Foundation Engineering Manual》的经验公式，计算出软岩及风化岩的允许承载力，并选取其中最小值作为承载力设计参数，如表1所示。

表1 软岩及风化岩设计承载力参数

3.3 承载力计算公式

1)桩端极限承载力计算公式。

桩端极限承载力计算按照下列所述三种公式分别计算，并取三种计算结果的最小值。利用孔内载荷试验结果计算桩端岩层单位面积的极限承载力qp时，采用《Canadian Foundation Engineering Manual》推荐公式，如下所示:

Qp=Ap×qp

(1)

qp=Kb×(pl-po)+σv

(2)

其中，Kb为入软岩的深度与直径比值相关常数；σv为基础底面整体垂直应力。

利用单轴压缩强度试验结果计算桩端岩层单位面积的极限承载力qp时，采用韩国的《建筑结构设计标准》公式，如下所示。

qp=4.83×U0.51c

(3)

其中，Uc为单轴压缩强度值。

利用单轴压缩强度试验结果计算桩端岩层单位面积的极限承载力qp时，也可采用韩国的《道路桥梁设计标准》公式，如下所示:

qp=Uc×(Nφ+1.0)

(4)

其中，Uc为单轴压缩强度值的1/5；Nφ为承载力系数，按tan2(45°+φ/2)计算。

2)桩周极限摩擦力计算公式。

利用孔内载荷试验结果计算桩周岩层单位面积的极限摩擦力qs，采用韩国的《建筑结构设计标准》公式，如下所示:

(5)

其中，α为经验系数(常采用0.55)；Su为岩层剪切强度。

采用《Canadian Foundation Engineering Manual》经验曲线图，选用岩石单轴压缩强度与桩体混凝土强度两者中的最小值，计算嵌入岩层桩周单位面积的极限摩擦力qs。

3.4 设计实例

1)根据上述桩端极限承载力及桩周极限摩擦力计算公式，韩国海云台LCT综合体项目P.R.D桩的风化岩层计算结果如表2所示，软岩计算结果如表3所示，设计时采用最小值。

表2 风化岩单位面积极限承载力 kN/m2

表3 软岩单位面积极限承载力 kN/m2

2)下面举例说明最小桩长5 m时，P.R.D桩的计算结果。

桩直径：1 000 mm(有效直径975 mm)；桩长：风化岩内3 m+软岩内2 m；设计要求承载力：P=8 500 kN。

桩周极限摩擦力(风化岩+软岩)：Qs=(π×D×L×qs)+(π×D×L×qs)=(π×0.975×3×700)+(π×0.975×2×12 000)=13 784 kN。

允许承载力：Qt=Qs+Qp=(13 784+20 158)÷3=11 314 kN>P=8 500 kN。

本项目P.R.D桩是抗沉降及岩层加固用桩，可支撑极限荷载的70%～80%，与基础桩不同。参照《Canadian Foundation Engineering Manual》，可采用较小的安全率(约1.3)。然而，考虑到本项目属于超高层建筑，采用较保守的安全率3.0进行允许承载力计算。

4 试验验证

4.1 试验目的

上部结构物施工阶段及施工完成后，作用于P.R.D桩的上部结构物荷载，主要由桩周摩擦力及桩端承载力分担。通过模拟上部结构物荷载，分别测定桩端承载力、桩周摩擦力及桩位移，并分析得出P.R.D桩单位面积摩擦力及承载力在各地层的试验结果，验证设计计算选用的P.R.D桩设计参数是否合适，以及能否达到设计承载力。若不满足，需要根据试验结果调整设计。

4.2 试验要求

本项目P.R.D试验桩选用5 m短桩及20 m长桩，根据ASTM D1143/D1143M-07的标准进行试验。短桩采用静载试验方法及锚索反力系统，长桩则采用双向载荷试验方法及油压系统加载。试验最大荷载为2倍以上的设计荷载(2×8 500 kN)，并进行周期性加载，当桩头部位移达到桩直径的10%，可判定为试验破坏[3]。

4.3 后期监测

P.R.D复合地基施工时，需要安装沉降监测仪、倾斜监测仪、土压监测仪、应变监测仪，测定后期施工阶段及正式使用阶段P.R.D复合地基的沉降、倾斜及应力应变随时间变化情况，确保建筑物的安全及为以后的P.R.D复合地基设计提供参考借鉴。

5 结语

1)P.R.D桩适用于各种复杂地质条件，在韩国超高层建筑及桥梁工程中应用广泛。其复合地基具有变形小，地基承载力高，施工机械化程度高，施工速度快，不受气候影响，经济效益显著的特点。

2)以韩国海云台LCT综合体项目设计为例，介绍P.R.D复合地基设计方法，并计算证明地基承载力得到极大提高，地基变形得以很大程度的降低，为国内类似工程的地基处理设计提供参考借鉴。

[1] 雷 斌，尚增第，宋明智.填石层潜孔锤全护筒跟管钻孔灌注桩施工技术[J].施工技术，2013(6):89-91.

[2] 李 娟.某工程CFG复合地基设计[J].山西建筑，2012，38(8)：62-63.

[3] 建筑工程标准仕方书[S].

The design of P.R.D composite ground

Wang Kangle Ye Jun Liu Yang

(ChinaBuildingKoreaBranchCompany,Fushan612-726,Korea)

Taking P.R.D (Percussion Rotary Drilling)composite foundation of LCT comprehensive project in Haiyuntai of Korea as the background, the paper introduces the bearing mechanism of P.R.D composite foundation, and describes its specific design methods from aspects of design principles, design parameter selection and bearing capacity computation and so on, which has provided some guidance for similar domestic engineering foundation treatment.

P.R.D composite foundation, design, bearing capacity, computation

2014-12-12

王康乐(1989- )，男，助理工程师； 叶 军(1962- )，男，高级工程师； 刘 洋(1986- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)06-0090-02

TU470

A