基于天津地区刚性桩复合地基方案研究

2019-07-30赵怡本孙云文

新疆有色金属 2019年3期

赵怡本孙云文

（天津华北地质勘查局天津 300170）

随着天津城市建设的快速发展，大量建筑在建设中采用了多种地基处理方法，取得了巨大的社会经济效益，同时也出现了不少问题，如一些建筑出现倾斜、裂缝等，造成不良后果。为了总结我市地基处理经验教训，为今后选择安全可靠和经济合理的地基处理方法，本文在收集天津市现有地基处理资料、建筑物沉降观测资料及地基处理事故资料基础上，结合现场试验，对刚性桩复合地基处理方法的适宜性进行了研究。

1 概述

刚性桩复合地基是由人工制作的强度较高、桩土应力比较大（10）的桩体与桩间土产生摩擦力共同传递荷载的改性地基。研究成果及工程实践表明，桩土应力比是影响其工作状况和地基强度大小的重要因素。桩的强度低，整体性差时（如碎石桩等散体材料桩），桩土应力比就小，桩的作用不能充分发挥，土体主要是在对桩体的径向约束情况下而与桩体共同受力，故柔性桩复合地基一般承载力较低，随着桩身强度和桩土应力比不断提高，应力向桩体集中，桩的作用逐渐得到充分发挥，土体的径向被动土压力不断减小，逐渐与桩周相互作用产生摩擦力来传递荷载，桩间土产生变形，与桩土应力比的变化协调过程也在进行，桩端承载力发挥作用。即刚性桩复合地基可以较充分地发挥桩身由土体提供的承载力（侧阻力与端阻力）。

天津地区对素混凝土灌注桩、钢筋混凝土预制桩、预制管桩等多种桩型的刚性桩复合地基技术进行了系统的研究、开发与应用,在多个场地进行了实验研究，取得了较好的社会及经济效益。本文仅列出其中一个场地素混凝土桩刚性桩复合地基现场试验研究成果。

2 素混凝土桩复合地基现场试验研究

2.1 试验概况

素混凝土桩复合地基试验选择在天津市红桥区某场地内进行。该场地各层土的物理力学性质指标见表1。在18号楼及25号楼场地上分别进行了3根单桩、3组1m2板地基土和1组2m2板单桩复合地基静载荷试验。

2.2 试验结果与分析

单桩荷载沉降曲线如图1所示，18号楼单桩最大加载为530kN,3根试桩的平均沉降7.16mm；25号楼单桩最大加载为530kN,3根试桩的平均沉降5.17mm。在荷载较小时，单桩荷载沉降基本呈线性关系；随着荷载的增大，单桩荷载沉降呈现一定的非线性，其中18号楼相对较为明显。

表1 地基土物理力学性质指标

地基土与单桩复合地基荷载沉降关系曲线如图2所示。从图2中可见,由于桩的作用，单桩复合地基的荷载沉降特性较地基土有明显的改善，素混凝土桩与地基土形成复合地基共同承担上部荷载。在荷载较小时，地基土与单桩复合地基荷载沉降均呈线性关系；随着荷载的增大，荷载沉降呈现一定的非线性，其中地基土荷载沉降关系的非线性更加明显，单桩复合地基荷载沉降关系相对比较“平缓”。

与进行过试验得出的预制桩复合地基荷载沉降特性一致，相同沉降要求时，单桩复合地基承载力较天然地基有较大程度的提高；相同荷载作用下，单桩复合地基沉降较天然地基显著减小。

图2 地基土与单桩复合地基荷载沉降曲线

2.3 工程实例应用效果分析

某居住区18号楼采用刚性桩复合地基。该楼为六层砖混结构,采用条形基础,复合地基承载力标准值要求170kPa,采用素混凝土桩复合地基，桩顶大沽标高3.8m,桩径420mm,桩长8.0m，采用C20混凝土,桩顶以上铺设300mm厚土石屑垫层。单桩竖向极限承载力标准值Quk为530kN。素混凝土桩的面积置换率m=4.6%,采用墙下单排形式布桩。采用桩土相互作用非线性沉降计算软件验算沉降,沉降计算值为65mm。本住宅楼于2000年5月竣工,建筑物实测沉降如图3所示,竣工时实测的沉降及不均匀沉降较小,沉降30mm左右，推测18号楼和25号楼最终沉降平均值不会超过60.0mm,采用素混凝土桩刚性桩复合地基取得了较好地加固效果。

2.4 实验研究的结论与建议

（1）根据现场实体试验结果,采用刚性桩复合地基加固软土地基可以大幅度提高承载力和减小相对变形,其加固效果随单桩承载力的提高而提高。

图3 建筑物实测沉降

（2）刚性桩复合地基桩土反力发展过程有“桩间土受力在先，桩受力滞后”的特点。

（3）刚性桩复合地基设计可借鉴一般竖向加固体复合地基设计方法进行,关键是在承载力设计的基础上进行沉降验算,采用桩土相互作用理论与方法进行沉降计算是可行与合理的。

（4）从实际工程沉降结果看,采用刚性桩复合地基的建筑物沉降及不均匀沉降均较小,取得了较好的加固效果。

3 刚性桩工程实例

（1）素混凝土桩复合地基设计实例1（处理古河道新近沉积层）。

天津市西青区张家窝镇某小区一期工程,共15栋6层住宅楼,采用砖混结构,大部分住宅楼坐落于古河道区,新近沉积层最厚达6米左右，承载力低,局部夹淤泥质土。经多种地基基础方案筛选，比较了1筏板基础+素混凝土桩复合地基；2条形基础+素混凝土桩复合地基；3沉管灌注桩＋梁式基础三种地基基础方案,最终选择了筏板基础+素混凝土桩复合地基方案。设计要求复合地基承载力标准值130kPa,建筑物最终沉降不超过10cm。设计素混凝土桩直径420 mm，桩长10.5～12.0m，单桩极限承载力标准值650～700kN，置换率3.0%～3.5%。经检测素混凝土桩复合地基满足设计要求，建筑物竣工一年实测建筑物沉降最大值仅2.0～3.0cm,且较均匀。采用素混凝土桩复合地基处理古河道软土地基取得成功。

（2）素混凝土桩(构造配筋沉管灌注桩)复合地基实例2。

塘沽滨海某住宅小区一期工程为18栋住宅楼,其中15栋楼为5跃6层,3栋楼为4跃5层,均采用砖混结构。场地浅部约2.0m以上为杂填土、素填土，埋深2.0～6.0m段为粘土、粉质粘土，承载力100 kPa，6.0～13.5m为厚层淤泥质粘土，以下为粘性土。与例1相同，亦经过了地基基础多方案比较，最终采用了筏板基础+素混凝土桩复合地基方案。设计要求5跃6层复合地基承载力标准值达到130kPa,4跃5层达到110kPa，要求建筑物最终沉降不大于10cm，预留了部分沉降量。素混凝土桩桩径400 mm,单桩极限承载力均采用760kN，根据地质条件差异，5跃6层住宅楼设计桩长20.5m，置换率2.0%，4跃5层桩长21.0m，置换率1.5%。为保证在软土中成桩质量，对素混凝土桩进行了构造配筋。为保证褥垫层有足够的强度，采用碎石与石屑作为褥垫层，厚30cm。住宅楼竣工一年建筑物沉降5～6cm,较均匀。预计最终沉降一般在10cm左右，个别建筑可能达到15cm。考虑预留部分沉降，建筑总体沉降稍大并不会影响建筑质量，本工程地基处理是成功的。区内未进行地基处理的4层建筑沉降达20cm。

本成功实例说明深厚软土地基采用素混凝土桩复合地基（刚性桩复合地基）处理是可行的，同时亦可看出，在深厚软土地基采用刚性桩复合地基(包括CFG桩复合地基)应特别慎重。本例基底下有近6米厚粘性土，土质强度较新港、保税区、咸水沽、葛沽等地高，4～6层住宅采用刚性桩复合地基其沉降虽满足要求，但相对市区已显偏大。如基础下6米厚粘性土换成淤泥质土、淤泥，推测建筑沉降将难以满足要求。即厚层软土的承载力利用价值、可挖掘的潜力不大，在长期荷载作用下，不高的附加压力（小于承载力）即可产生较大的沉降，加之桩顶向褥垫层刺入，桩身承载力不一定充分发挥，刚性桩复合地基沉降较大且不安全是可能的，故在类似深厚软土地区，荷载较大情况下是不宜采用刚性桩复合地基的。同理，亦不适于采用沉降控制桩基（包括减沉桩、疏桩等理论上充分发挥地基土承载力的桩基）。随着质量可靠造价不高的钢筋混凝土预制管桩的大量应用，近年来滨海地区已较少采用复合地基。

钢筋混凝土预制桩在基底下埋深不大处有较好土层如粉土或砂性大粉质粘土，特别是有厚度2m以上粉土时，其地基处理造价不高，可与深层搅拌桩（目前已较少采用）造价持平。根据桩长4～8m、端面0.2m×0.2m钢筋混凝土预制桩极限承载力试验结果，桩端位于粉土中，桩长4～5m时其极限承载力可达200～300kN，桩长6～8m时其极限承载力可达350～450kN，较按规范查表桩侧阻、端阻均取最大值还高，桩端位于粉质粘土中时，单桩承载力相对于桩端在粉土中时低，但仍比按规范查表得出的承载力高出20%～40%。6个场地，桩长6～16m，端面0.35m×0.35m的预制空心方桩载荷试验亦表明，试验值较按规范查表值高出30%～50%,表明进行极限承载力试验对于充分发挥刚性桩较大的桩身承载力、降低地基处理造价具有积极作用。

4 刚性桩复合地基适宜性

刚性桩的特点是桩身强度高，能将竖向荷载沿桩身传递，侧阻端阻均发挥作用。根据已完成的数百栋采用刚性桩复合地基的建筑成功经验分析，刚性桩复合地基承载力特征值计算可按水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）公式计算，沉降计算可采用同济桩土相互作用实用公式进行沉降计算，也可采用传统分层总和法计算，两种计算方法得到的结果相近，计算结果与实际沉降观测结果出入也不大。钢筋混凝土预制桩、管桩具有施工质量可靠、检测简便、施工周期短特点，应用越来越广泛。素混凝土桩以及水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）虽造价较预制桩低，但存在施工质量控制难度大，特别是在软土地区，在施工顺序不当、桩布置较密情况下，很容易产生缩颈、断桩等问题，处理起来麻烦。故在天津滨海软土地区采用素混凝土桩以及水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）时应慎重，必须进行试验，以确定设计及施工工艺参数。天津市采用所谓的水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩），绝大多数实际上采用的是素混凝土桩，采用CFG桩和素混凝土桩的建筑，其沉降量并无差别。采用刚性桩复合地基的6层住宅竣工多年后其最终沉降量一般在7～12厘米，满足要求。刚性桩一般桩径不大但单桩承载力较高，为充分发挥桩的作用、减少用桩量、减小建筑沉降，可在桩顶加设预制的桩帽。天津市采用刚性桩复合地基的建筑数百万平方米，积累了较多的成功经验，适宜推广采用。