刚性桩复合地基与管桩基础方案比选

方 家 升

(合肥工大建设监理有限责任公司，安徽 合肥 230009)

1 概述

随着我国经济建设飞速发展，高层和超高层建筑大量涌现。较常规建筑而言，这类建筑的总荷载大，结构形式复杂，因此对地基承载力和沉降变形的要求高。当天然地基力学特性不能满足上部结构对地基承载力或沉降变形的要求时，传统方案多采用管桩基础，其特点是通过管桩承受上部结构荷载。对于具有一定承载力的天然地基土质，采用管桩基础则是浪费地基本身对承载力的贡献。本文以合肥市某高层住宅为例，基于该场地的工程地质条件，通过对刚性桩复合地基和管桩基础进行对比分析，说明刚性桩复合地基在技术和经济方面的优越性，为周边地区类似工程提供参考。

2 工程概况

本工程为皖新文化科技创新中心一期项目住宅小区，位于合肥市滨湖新区云谷路与庐州大道交叉口的西北角，总居住用地面积41 191.3 m2，总建筑面积115 361.2 m2。选择2号楼作为典型单体进行基础方案比选，该楼采用剪力墙结构，总高32层，设有2层地下室，基础埋深6.20 m，地上2层局部附属商业。图1为2号楼2层和标准层平面布置图。

3 工程地质条件

本工程岩土工程勘察等级为甲级，根据钻探、原位测试及室内土工试验成果等综合分析，场地地层典型剖断面见图2[1]。由土层剖面看出土层由上到下为：①层素填土、②1层粘土(fak=260 kPa，ES=12.5 MPa，K=55 MN/m3)、②2层粘土(fak=300 kPa，ES=16.0 MPa，K=60 MN/m3)、③层粉质粘土夹粉土(fak=320 kPa，ES=16.0 MPa)、④1层强风化砂质泥岩(fak=350 kPa，ES=20.0 MPa)、④2层中风化砂质泥岩。由土层剖面与天然地基、桩基设计参数可见，此工程场地下有近40 m深②2层粘土，土质均匀、稳定，作为持力层具有较高的地基承载力，同时可为桩基提供较大的极限侧阻力，见表1。

4 基础方案选型

4.1 刚性桩复合地基

为了充分利用②2层粘土天然地基承载力，选用桩径φ400的素混凝土桩体。单桩承载力与复合地基承载力按JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范[2]式(7.1.5-2)，式(7.1.5-3)确定。

表1 桩基极限端阻力与极限侧阻力标准值

层号参数qsik/kPaqpk/kPa钻孔灌注桩PHC预应力管桩人工挖孔桩(CFG桩)钻孔灌注桩(CFG桩)PHC预应力管桩人工挖孔桩(CFG桩)①——————②1868884———②29094881 6006 0002 300③95100931 7006 5002 400④1120—1202 200—3 000④2200—2004 500—6 000

Ra=Up∑qsili+qpAp

(1)

(2)

4.2 预应力管桩满堂布置

采用桩径φ500预应力高强混凝土空心管桩，不考虑承台效应时，基桩竖向承载力特征值取单桩竖向承载力特征值。根据JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[3]式(5.3.8)确定单桩承载力标准值。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)

(3)

其中，管桩桩长l=20 m，壁厚为125 mm，内径为250 mm。桩间距取4倍桩径，即2 000 mm，沿主楼范围内满堂布置，见图4。选取②2层粘土为持力层，因桩进入持力层深度较大，hb/d1≥5，故桩端土塞效应系数λp=0.8。经计算，单桩承载力特征值Ra=0.5Quk=2 000 kN，筏板基础厚度取1 300 mm，顶标高为-6.200 m，基础混凝土等级为C35。

4.3 预应力管桩沿墙下布置

管桩沿墙下布置方案管桩桩长取l=30 m，其余条件均同管桩满堂布置方案。经计算，单桩承载力特征值Ra=2 700 kN，平面布置详见图5。

5 基础方案技术与经济性能对比

上述三种地基基础方案均是当前高层建筑主流基础方案。由于基础形式不同，刚性桩复合地基作为天然基础，与作为深基础的预应力管桩，在受力特性上存在本质差异；深基础方案中，采用短桩长，小桩间距的满堂布置与长桩长，间距相对稀疏的墙下布桩，其桩承载能力的发挥也不尽相同。因此，本章采用PKPM软件进行计算对比，从技术性能(桩反力、基础沉降量、沉降差)和经济性能(总桩长、材料用量、综合造价)等方面进行量化比较，以便直观地判断各类型基础形式综合性能的优劣。

5.1 技术性能对比

根据前述基础平面布置，分别在PKPM JCCAD中进行计算，得到各种基础形式在标准组合下的最大反力、准永久组合下的基础沉降。通过对比分析，刚性桩复合地基最大反力pkmax=572 kPa，pkmax<1.2fa；满堂布桩与墙下布桩最大桩顶反力Nkmax分别为2 293 kN和3 227 kN，Nkmax<1.2R，可见三种方案承载力均能满足规范要求，且刚性桩复合地基和管桩满堂布置方案相对规范上限值尚有10%的余量，而墙下布桩最大反力接近规范上限值。

在地基沉降方面，由于地基处理后压缩模量Espi=ζEsi，其中,ζ=fspk/fak。故调整后②1,②2层复合地基压缩模量分别为23 MPa,28.8 MPa。因此，复合地基最大沉降量仅为55 mm，相对于满堂布桩(99 mm)和墙下布桩(117 mm)减少近50%；刚性桩复合地基沉降差为12 mm，两种管桩基础方案沉降差均为11 mm，三种基础形式在沉降差方面基本一致。

5.2 经济性能对比

由于地基基础部分在整个结构造价中占很大比重，故技术性能满足规范要求的同时，也需兼顾经济指标。根据前述的刚性桩和管桩参数，计算上述三种基础选型材料用量，详见表2。

表2 基础选型材料用量对比

从表2可以看出，虽然平面布置上刚性桩数量相对两种管桩方案分别多50%和119%，但结合桩长因素考虑，采用刚性桩复合地基的单体下桩总长度反而降低，分别减少了2%和5%；考虑桩径影响，采用刚性桩复合地基的单体下桩总混凝土用量亦更经济，用量为319 m3，相对两种管桩方案分别降低16%,19%。上述说明在地基承载力强度与地基变形均满足规范要求前提下，刚性桩复合地基在减少材料用量方面也具有明显优势。

根据近期市场价格，包含人工、机械、材料等，刚性桩单位总造价约为600元/m3，预应力管桩约为240元/m，根据前述混凝土总量，得到本项目刚性桩复合地基与两种管桩基础总工程造价分别为20万元，64.5万元，刚性桩复合地基造价约为管桩地基的30%。

6 结语

本文通过工程实例，从技术、经济指标两方面分析了在土质均匀、稳定场地上高层建筑采用刚性桩复合地基与传统管桩基础的差异，得出以下结论：

1)在土层均匀场地中，刚性桩复合地基和管桩基础方案均能满足上部荷载对地基强度和变形的要求，但刚性桩复合地基充分发挥了桩间土的承载能力，增大了复合地基的压缩模量，使复合地基最终沉降变形减小，约为管桩基础的50%。

2)关于刚性桩复合地基方案，虽然桩数多于管桩，但单根桩长与桩总长度均少于管桩，混凝土总量约为管桩的80%，且施工周期短。刚性桩复合地基利用素混凝土加固土层，工程造价低廉，约为传统管桩基础的30%，经济效益明显。