素混凝土桩复合地基设计参数及施工工艺初探

2016-11-15杨旭东

甘肃科技 2016年19期

关键词：桩间褥垫成桩

杨旭东

（甘肃省建筑设计研究院，甘肃兰州　730030）

素混凝土桩复合地基设计参数及施工工艺初探

杨旭东

（甘肃省建筑设计研究院，甘肃兰州730030）

素混凝土桩复合地基设计中主要的设计参数有桩型及持力层、桩径、桩间距、褥垫层厚度及材料、布桩参数、桩身混凝土强度，素混凝土桩常用的施工工艺有长螺旋钻孔灌注成桩、长螺旋钻中心压灌成桩、振动沉管灌注成桩、泥浆护壁法成孔灌注成桩。本文针对素混凝土桩复合地基设计参数及施工工艺进行分析及说明。供设计时参考。

素混凝土桩；复合地基；褥垫层；施工工艺

复合地基对提高地基承载力、减少基础变形沉降作用明显，适用范围较大，即适用于条形基础、独立基础，，也可适用于箱基、筏基。在工业厂房、民用建筑中均有大量应用。就土性而言，适用于处理黏性士、粉土、砂土和正常固结的素填土等地基。素混凝土桩复合地基设计中主要的设计参数有桩型及持力层、桩径、桩间距、褥垫层厚度及材料、布桩参数、桩身混凝土强度，主要的施工工艺有长螺旋钻孔灌注成桩、长螺旋钻中心压灌成桩、振动沉管灌注成桩、泥浆护壁法成孔灌注成桩。实际工程中如何选取这些设计参数及施工工艺，对复合地基设计的合理性及经济性有较大影响。本文就素混凝土桩复合地基主要的设计参数及常用的施工工艺进行分析及说明。

1　素混凝土桩复合地基设计参数

1.1桩型及持力层

在使用过程中，通过桩与土的变形协调使桩与土共同承担荷载是复合地基的本质和形成条件。由于端承型桩几乎没有沉降变形，只能通过褥垫层协调桩、土的相对变形，不可知因素过多，素混凝土桩按照承载性状应选用桩顶荷载主要由桩侧阻力承受的摩擦型桩。

素混凝土桩应选择承载力和压缩模量相对较高的土层作为持力层，桩体在复合地基中具有较强的置换作用，其他参数相同时，桩越长、桩的荷载分担比（桩承担的荷载占总荷载的百分比）越高。设计时须将桩端落在承载力和压缩模量相对高的土层上，这样可以很好地发挥桩的端阻力，也可避免场地岩性变化大可能造成建筑物的不均匀沉降。桩端持力层承载力和压缩模量越高，建筑物沉降稳定也越快。

1.2桩径

桩径的选择与选用成桩工艺有关，参照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）7.7.2条条文说明，长螺旋钻中心压灌、干成孔和振动沉管成桩宜取350～600mm；泥浆护壁钻孔灌注素棍凝土成桩宜取600～800nm；就承载力而言，桩长一定是，桩径越大桩侧面积越大，桩端阻力越大，单桩承载力也就越高。此外桩径大时，桩的截面积也就越大，荷载一定时，桩体的强度要求不高。显然仅从承载力考虑，桩径越大越好，但需考虑以下因素：

1）单方混凝土提供的承载力大小。表1中对相同桩长、不同常用桩径、不同桩数、混凝土用量相同条件下的单方混凝土提供的承载力。计算时暂定侧阻力特征值为30kPa，端阻力特征值为500kPa。

表1　不同桩径单方混凝土提供的承载力

由表1可以看出桩径越小比表面积越大，单方混凝土提供的承载力也越高。桩径越小、经济性越好。

2）桩土共同工作性状。素混凝土桩复合地基，桩对桩间土具有侧向约束作用，与无桩条件下的地基相比，这种作用使得桩间土侧向变形减少，桩间土竖向变形也相应减少，即桩的存在，使得桩间土的承载力有所增加，桩对桩间土的约束与基础下桩的数量有关，桩数越多，桩对桩间土的约束越好。显然在基础面积相同的条件下，桩径越小、桩数越多，桩对桩间土约束也越好。

综合以上所述，素混凝土桩桩径施工工艺容许的条件下，选择较小直径，经济性越好。

1.3桩间距

桩间距应根据设计需要的复合地基承载力、建筑物整体沉降量、布桩的方式、场地土的性质、施工工艺等综合考虑确定。设计的桩距首先要满足承载力和变形量的要求。从施工工艺考虑，当施工工艺对桩间土产生扰动或挤密时，尽量选用较大的桩距，以防止新打桩对已打桩的不良影响。

采用非挤土、部分挤土成桩工艺施工（如泥浆护壁钻孔灌注桩、长螺旋钻灌注桩），桩距宜取（3～5）倍桩径；采用挤土成桩工艺施工（如振动沉管打桩机施工）和墙下条基单排布桩桩距可适当加大，宜取（3～6）倍桩径。桩长范围内有饱和粉土、粉细砂、淤泥、淤泥质土层，为防止施工发生窜孔、缩颈、断桩，减少新打桩对己打桩的不良影响，宜采用较大桩距。

桩间距是控制复合地基承载力、建筑物整体沉降量的主要因素之一，在合理的桩间距设置前提下，复合地基承载力随着桩间距的减小而增加，沉降量随着桩间距的减小而减小。但在较小桩间距下的减小幅度不太明显，即较密的布桩方式对减少刚性桩复合地基整体沉降的作用不再明显。这是因为过小的桩间距使桩侧摩阻力和桩间土体的承载力得不到有效发挥，特别是中间区域的土体，其最终结果还是将基底荷载直接传递给桩体，忽略了土体的作用［1］。

适当的增大桩间距对复合地基来说是经济合理的，因为桩间距的增大不仅对土体承载力的发挥是有益的，而且还能充分发挥桩体的承载力，但过大的桩间距会导致桩顶应力集中及复合地基整体沉降量的增加。故设计时应合理确定桩间距，以取得综合经济效益。

1.4褥垫层厚度及材料

桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层在复合地基中具有如下的作用：

1）保证桩、士共同承担荷载，它是素混凝土桩形成复合地基的重要条件。

2）通过改变褥垫厚度，调整桩垂直荷载的分担，通常褥垫越薄桩承担的荷载占总荷载的百分比越高。

3）减少基础底面的应力集中。

4）调整桩、土水平荷载的分担，褥垫层越厚，土分担的水平荷载占总荷载的百分比越大，桩分担的水平荷载占总荷载的百分比越小。对抗震设防区，不宜采用厚度过薄的褥垫层设计。

5）褥垫层的设置，可使桩间土承载力充分发挥，作用在桩间土表面的荷载在桩侧的土单元体产生竖向和水平向附加应力，水平向附加应力作用在桩表面具有增大侧阻的作用，在桩端产生的竖向附加应力对提高单桩承载力是有益的。桩体上端部分桩间土水平向附加应力作用增加，造成该部分桩体中剪应力减小，有效的改善了桩体的受力状态。

试验表明［2］，足够刚度基础下，桩、桩间土承载力发挥系数与桩长、桩径、桩距、褥垫厚度和桩间土性状等有关，在桩长、桩径、桩距确定的前提下，合理褥垫厚度与桩径之比（定义为厚径比）对桩、桩间土承载力发挥影响尤为显著。

图1　单一桩型复合地基桩、土承载力发挥与厚径比关系曲线

图1为单一桩型刚性桩复合地基达到其承载力特征值时，桩、桩间土承载力发挥系数与厚径比关系曲线。可以看出，褥垫厚度增加即厚径比增加，桩间土承载力发挥系数β提高；桩承载力发挥系数γ减小。单一桩型刚性桩复合地基最佳厚径比为0.40～0.60；厚径比在此范围内γ为0.82～0.98，β为0.93～1.06。

规范中推荐的褥垫层厚度宜为桩径的40%～60%，即厚径比为0.40～0.60，与试验结果一致，关于褥垫层材料宜选用中砂、粗砂、级配砂石和碎石等，最大粒径不宜大于30mm。

1.5布桩参数

素混凝土桩可只在基础范围内布桩，应根据建筑物荷载分布、基础形式和地基土性状，合理确定布桩参数。桩的中心与基础边缘的距离不宜小于1倍的桩径，桩的边缘与基础边缘的距离，条形基础不宜小于75mm，其他基础不宜小于150mm。桩的布置主要有以下几点要求：

1）对框架核心筒结构形式，核心筒和外框柱宜采用不同布桩参数，核心筒部位荷载水平高，宜强化核心筒荷载影响部位布桩，相对弱化外框柱荷载影响部位布桩；通常核心筒外扩一倍板厚范围，为防止筏板发生冲切破坏需足够的净反力，宜减小桩距或增大桩径，当桩端持力层较厚时最好加大桩长，提高复合地基承载力和复合土层模量；对设有沉降缝或防震缝的建筑物，宜在沉降缝或防震缝部位，采用减小桩距、增加桩长或加大桩径布桩，以防止建筑物发生较大相向变形。

2）对于独立基础地基处理，可按变形控制进行复合地基设计。当两个相邻柱荷载水平相差较大的独立基础，复合地基承载力相等时，荷载水平高的基础面积大，影响深度深，基础沉降大；荷载水平低的基础面积小，影响深度浅，基础沉降小；柱间沉降差有可能不满足设计要求。柱荷载水平差异较大时应按变形控制进行复合地基设计，柱荷载水平高的宜采用较高承载力要求确定布桩参数，可以有效地减少基础面积、降低造价，更重要的是基础间沉降差容易控制在规范限值之内。

3）国家标准《建筑地基基础设计规范）GB50007中对于地基反力计算，当满足下列条件时可按线性分布：

①当地基土比较均匀；

②上部结构刚度比较好；

③梁板式筏基梁的高跨比或平板式筏基板的厚跨比不小于1/6；

④相邻柱荷载及柱间距的变化不超过20%。

地基反力满足线性分布假定时，可在整个基础范围均匀布桩。若筏板厚度与跨距之比小于1/6，梁板式基础，梁的高跨比大于1/6且板的厚跨比（筏板厚度与梁的中心距之比）小于1/6时，基底压力不满足线性分布假定，不宜采用均匀布桩，应主要在柱边（平板式筏基）和梁边（梁板式筏基）外扩2.5倍板厚的面积范围布桩。需要注意的是，此时的设计基底压力应按布桩区的面积重新计算。

4）素混凝土桩复合地基承载力提高幅度大，条形基础下复合地基设计，当荷载水平不高时，可采用墙下单排布桩。此时，素混凝土桩施工对桩位在垂直于轴线方向的偏差应严格控制，防止过大的基础偏心受力状态。

1.6素混凝土桩桩身强度

《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）考虑到复合地基承载力深度可修正和桩最大轴力在中性点两点因素，较2002版本《建筑地基处理技术规范》适当提高了增强体材料强度的设计要求，桩身强度按照式（1）计算：

式中：fcu——桩体试块（边长150mm立方体）标准养护28d的立方体抗压强度平均值（kPa）；

Ra——素混凝土桩竖向承载力特征值（kN）；

λ——单桩承载力发挥系数，

Ap——素混凝土桩的截面面积（m2）；

混凝土轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值之间的关系在现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中有详细说明，按照式（2）计算

式中：a1——棱柱强度与立方体强度的比值，C50以下普通混凝土取0.76；高强度混凝土C80取0.82；

a2——C40以上混凝土考虑脆性折减系数，C40取1.00，高强度混凝土C80取0.87；中间按照线性插值。

当桩体混凝土强度等级在C40以下时，经计算fck与fcu的大致关系为：fck=0.67fcu；混凝土轴心抗压强度设计值fc与混凝土轴心抗压强度标准值fck之间的关系为：fc=fck/1.4。结合上面的分析，得到混凝土轴心抗压强度设计值fc与立方体抗压强度标准值之间的换算公式为：fc=0.479fcu。

式（2）中fcu使用fc进行替换，桩身强度可按照式（3）进行计算。

依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）第3.011条的要求，地基处理所采用的材料，应根据场地类别符合有关标准对耐久性设计与使用的要求。如果建设场地地基土及地下水对混凝土具有腐蚀性时，尚需满足《工业建筑防腐设计规范》（GB50046-2008）中相关结构混凝土耐久性的基本要求。

2　素混凝土桩施工工艺

素混凝土桩的施工，应根据现场地基土的性质、地下水埋深、场地周边是否有居民、有无对振动反应敏感的设备等多种因素选择施工工艺。常用施工工艺及适用范围见表2：

表2　素混凝土桩常用施工工艺及适用范围

长螺旋钻孔灌注成桩，属非挤土（或部分挤土）成桩工艺，该工艺具有穿透能力强，无振动、低噪声、无泥浆污染等特点，但要求桩长范围内无地下水，以保证成孔时不塌孔。在城市居民区施工，对周围居民和环境的影响较小。

长螺旋钻中心压灌成桩，属非挤土（或部分挤土）成桩工艺，具有穿透能力强、元泥皮、无沉渣、低噪声、无振动、无泥浆污染、施工效率高及质量容易控制等特点。施工时选用的钻机钻杆顶部必须有排气装置，当桩端士为饱和粉士、砂土、卵石且水头较高时宜选用下开式钻头。工作面宜高出设计桩顶标高300～500mm，工作面土较软时应采取相应施工措施（铺碎石、垫铜板等），保证桩机正常施工并严格控制桩位偏差、垂直度及素混凝土拥落度。应杜绝在泵送混合料前提拔钻杆，提拔钻杆中应连续泵料，特别是在饱和砂土、饱和粉土层中不得停泵待料，避免造成混凝土离析、桩身缩径和断桩。桩长范围有饱和粉土、粉细砂和淤泥、淤泥质土，当桩距较小时，应注意防止窜孔发生。

振动沉管灌注成桩成桩属挤土成桩工艺，对桩间土具有挤（振）密效应。但振动沉管灌注成桩工艺难以穿透厚的硬土层、砂层和卵石层等。在饱和秸性士中成桩，会造成地表隆起，己打桩被挤断，且振动和噪声污染严重，在城中居民区施工受到限制。在夹有硬土层的黏性土场地施工时，可采用长螺旋钻机引孔，再用振动沉管打桩机制桩。振动沉管施工应控制拔管速度，拔管速度太快易造成桩径偏小或缩颈断桩。

泥浆护壁法成孔灌注成桩属非挤土成桩工艺。适用于桩长范围和桩端有承压水的土层。当桩端具有高水头承压水采用长螺旋钻中心压灌成桩或振动沉管灌注成桩，承压水沿着桩体渗流，把水泥和细骨料带走，桩体强度严重降低，导致发生施工质量事故。泥浆护壁成孔灌注成桩，成孔过程消除了发生渗流的水力条件，成桩质量容易保障。