百米高层住宅刚性桩复合地基桩型选择及案例分析

吕恒柱， 侯善民， 徐从荣

(南京金宸建筑设计有限公司， 南京 210019)

0 引言

传统的复合地基一般采用碎石桩、砂桩等散体材料组成柱状加固体与桩间土共同承担荷载，主要应用于软土地基。上述散体材料组成的桩体在荷载作用下，水平向会产生鼓胀变形，且桩体沿桩身深度方向传递竖向荷载时存在临界桩长(通常较短)，超过此长度，再增加桩长，其承载力提高并不显著，故传统复合地基竖向承载力较原状土提高幅度有限，多应用于处理多层建筑地基。

近年来，随着房地产行业的发展，多层建筑逐步被高层建筑替代，为适应地基承载的需要，各地已有许多采用刚性桩作为复合地基增强体的成功案例[1-4]，其通过增强桩体强度，以提高桩体有效桩长和单桩的荷载承载能力，从而提高地基承载力。其中，CFG桩是最早广泛应用于复合地基的刚性桩，其他刚性桩还有素混凝土桩、钻孔灌注桩、预制混凝土桩等，凡是采用上述刚性桩作为竖向增强体的复合地基，统称为刚性桩复合地基，这为承载力较高但经修正后仍无法满足天然地基要求的基础方案提供了新的设计思路。刚性桩因桩身材料的不同，刚度有所差异，如CFG桩和素混凝土桩相较于钻孔灌注桩和预制混凝土桩而言，前两者为低刚度桩，后两者为高刚度桩。本文基于两例采用不同刚性桩复合地基百米高层住宅，对基础的工程设计过程及竣工后的沉降观测数据进行探讨，阐明在工程项目中选择不同类型地基增强体的区别与注意要点。

1 CFG桩复合地基设计

1.1 工程概况及场地地质情况

合肥中央天骏项目位于合肥市徽亳路以东地块，包括8栋33层高层住宅和1栋28层高层住宅，地下为整体车库，总建筑面积为25.8万m2，其中地上总建筑面积为21.4万m2，地下面积为4.4万m2，单体均采用钢筋混凝土剪力墙结构。该地区抗震设防烈度为7度(0.1g)，场地类别为Ⅱ类，属于抗震一般地段。地基基础设计等级为甲级。该项目已于2011年底竣工，目前各单体沉降观测数据已趋于稳定且符合设计要求，项目竣工实景图见图1。

场地土构成顺序自上而下为：①层杂填土，层厚0.70～9.90m，软塑～可塑状态，状态不均匀；②层粉质黏土，层厚0.50～0.70m，可塑状态，饱和，含粉细砂等，其静力触探比贯入阻力PS=1.60～1.80MPa；③1层黏土，层厚0.00～3.40m，硬塑状态，PS=2.10～2.40MPa；③2层黏土，层厚0.00～5.10m，硬塑状态，PS=2.80～3.60MPa；③3层黏土，层厚22.90～27.80m，硬塑～坚硬状态，PS=4.00～5.50MPa；④层强风化砂岩，层厚2.80～6.40m，状态密实，表面已经风化成壤及砂，无水可钻进，属于极软岩；⑤层中风化砂岩，该层未揭穿，坚硬(密实)状态，岩体较完整，厚～中厚层状，属极软岩，其岩体基本质量等级为V类。工程典型地质剖面见图2。各土层桩基础设计参数建议取值见表1。

1.2 基础选型与设计

合肥当地百米高层剪力墙结构住宅普遍采用的基础形式有以下三种：钻孔灌注桩、预应力混凝土管桩(简称管桩)和CFG桩复合地基。以本工程13#楼为例，该单体33层，结构主屋面结构高度99m，单层地下室层高4.6m，顶板上覆土厚1.2m，即埋深5.8m，基础初步采用1.8m厚平板式筏板，充分利用天然地基承载。同时，为减小基底压力，降低复合地基承载提高幅度，筏板边缘自周边剪力墙外边缘扩大1～2m不等。地下室底板位于③3层黏土，承载力特征值为320kPa，根据基础规范[5]，修正后的地基承载力特征值为：

图1 项目竣工实景图

图2 典型地质剖面图

各土层桩基础设计参数建议取值/kPa 表1

式中:fa为修正后的地基承载力特征值；fak为地基承载力特征值；ηb，ηd为基础宽度和埋置深度的地基承载力修正系数，分别取0.3，1.6；γ为基础地面以下土的重度；γm为基础底面以上土的加权平均重度；d为基础埋置深度。

经JCCAD软件计算，标准组合下的结构基底平均反力pk为484kPa。故采用天然地基不能满足承载要求，考虑本工程总面积大、基础造价高，经基础方案论证，初选CFG复合地基和管桩复合地基两种方案，其桩径、桩长、桩距等参数经现场试桩后，再综合成桩工艺、工期和造价等多种因素比选后确定。

底板下③3层黏土厚度大、承载力高，无论采用CFG桩或管桩均可以此层为持力层。为使复合地基方案较为经济，预设修正后的复合地基承载力大于基底平均反力一定范围即可，设计桩径为400mm，桩间距为1.7m×1.7m，桩长则根据所需承载力反算得出。复合地基承载力特征值根据地基处理规范[6]式(9.2.5)计算，即：

(1)

由地基处理规范[6]式(7.1.5-1)可知：

则有：

可得Ra=694kPa。

由表1可知③3层黏土不同桩型的桩侧阻和端阻参数值，根据地基处理规范[6]式(9.2.6)可知：

Ra=qsia×L×up+qpa×Ap

(2)

式中：L为管桩桩长；up为管桩周长；qsia，qpa取值：CFG桩按钻孔桩取值，管桩按预制桩取值。

根据式(2)可求得CFG桩桩长L1=10.7m，管桩桩长L2=5.3m，实际工程试桩分别取整，即CFG桩桩长取11m，管桩桩长取6m。为保证两种基础形式的可行性，分别按两种设计方案要求进行工程前试桩。

1.2.1 CFG桩复合地基试桩

根据地基处理规范[6]式(9.2.7)，CFG桩桩体抗压强度平均值需满足：

根据试桩荷载，CFG试桩桩身混凝土强度采用C30，而工程桩桩身混凝土强度取C25即可满足设计强度要求。考虑建设场地范围内土层分布均匀，稳妥起见，在单体范围之外的场地完成三根CFG桩的成桩，开挖至设计标高后进行单桩和复合地基抗压静载荷试验，三根CFG桩单桩竖向静载试验最大加载值分别为1 560，1 600和1 620kPa，单桩复合地基最大加载值均为1 200kPa，超过设计预设值500kPa约200%。在加载范围内，各试点的荷载-沉降(Q-s)曲线均为缓变形曲线，最大加载值1 560，1 600，1 620kN对应的最大沉降量分为39.62，38.42，42.58mm。根据地基处理规范[6]第B.0.10条，取载荷板宽度的6%的沉降量(本次试验按102mm取值)对应的荷载值为极限荷载，当最大沉降小于载荷板宽度的6%时，取最大加载值为极限荷载，即CFG复合地基承载力极限为1 200kPa，则承载力特征值取600kPa。

1.2.2 管桩复合地基试桩

管桩采用直径400mm高强管桩，由自然地面静压成桩，含自然地面至桩顶设计标高段共11m，穿越③1和③2层，进入③3层5～6m，由地勘报告可知，上述3层黏土均为硬塑状态，静力触探比贯入阻力PS值大，现场压桩困难，施工速度缓慢，另外采用了引孔及桩端加桩靴等辅助措施。三根单桩静载试验均达到了1 600kN试桩要求值，且Q-s曲线较CFG桩平缓，最大沉降量小，回弹量高，两类桩基静载试验Q-s曲线对比见图3。

鉴于CFG桩单桩复合地基载荷板试桩结果情况良好，管桩复合地基载荷同理可达设计要求，管桩单桩复合地基载荷板试验不再赘述。

图3 单桩静载试验Q-s曲线对比

结合上述两种现场复合地基载荷试验结果及施工过程所反映出的情况，最终采用CFG桩复合地基作为工程基础。即CFG桩桩长为11m，桩径为0.4m，桩间距为1.7m×1.7m，单桩承载力特征值为700kPa，13#单体CFG桩总根数为397根。单体基底面积为640m2，基底范围平均压力为484kPa；筏板自基底范围平均外延1.7m，总外延面积为337m2，外延部分考虑地下室顶板覆土、地下室结构自重及筏板基础自重等，外延面积范围内平均压力为85kPa，即筏板自重及以上承担荷载总压力为338 573kN，全部397根CFG桩承载力为277 900kN。设K值为所有CFG桩桩体承载能力与基底总压力的比值，则此单体K=0.82。

因CFG桩桩底位于③3层黏土中，其承载力特征值为320kPa，小于刚性桩复合地基承载力，需验算桩底处土层承载力是否满足要求。由上述可知，基础底面平均压力pk=484kPa，CFG桩长11m范围内土体自重压力pc=γ0d′=20×11=220kPa，则基础底面处的平均压力pz=pk+pc=484+220=704kPa。而CFG桩桩端的地基承载力特征值fa经深度修正后为：

经深度修正后的地基承载力特征值满足设计要求。其余下卧④层强风化砂岩和⑤层中风化砂岩经验算亦满足承载要求，计算从略。

1.3 基础沉降计算与分析

高层建筑的地基基础不但要满足基底承载力的要求，还需计算其沉降变形是否满足相关规范的限值要求。刚性桩复合地基沉降一般情况下来自四个方面：褥垫层的压缩量，桩体的压缩量，桩上、下端的刺入量以及桩下土层的压缩量。其中，褥垫层的总厚度一般在200～400mm，其压缩量有限，且大部分发生在施工阶段，可以忽略不计；桩体压缩量也不大，可采用弹性理论计算桩体轴向压缩量；因此，地基沉降量主要为基底下土层的压缩变形量，可由规范理论公式、软件计算求取及实际观测得到。

1.3.1 由基础规范[5]理论公式计算沉降量

理论计算按基础规范[5]第5.3.5条和第7.2.10条的相关公式，即复合地基最终变形量s为：

s=ψsps′

式中：Ai为加固土层第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值;Aj为加固土层下第j层土附加应力系数沿土层厚度的积分值；Esj为加固土层以下第j层土的压缩模量，MPa；Espi=ξ·Esi，ξ=fspk/fak，其中Espi为复合地基处理范围内第i层土修正后的压缩模量，MPa；ξ为复合土层的压缩模量提高系数，将基底下复合地基承载力特征值600kPa(实际静载荷试验值)和天然地基承载力特征值320kPa带入，可得ξ=600/320=1.88，从而可求出复合地基各土层Espi。

1.3.2 由JCCAD软件计算沉降量

考虑本工程1.8m厚筏板的基础刚度和上部33层剪力墙结构的整体刚度均较大，采用软件中刚性底板假定方法进行沉降计算，相较于1.3.1小节的理论公式，软件计算仅将结构荷载传递给基础来计算沉降，而忽略上部整体刚度的影响。软件整体计算可考虑地基、基础及上部结构相互作用的影响，能够比较真实地反映基础的实际受力状态，可以作为沉降量计算的补充，沉降计算结果见图4。

图4 建筑物沉降计算结果/mm

由图4可以看出，基础平均沉降量为22.5mm，最大沉降量为23.8mm，最小沉降量为20.9mm，单体整体沉降较均匀，远小于基础规范[5]规定的容许平均沉降量200mm的限值。

1.3.3 实际观测的沉降量

根据13#楼的平面情况，该楼共布设了10个沉降观测点，除4个角点外，南北侧各3个点。自施工至地上8层开始沉降观测，至结构主体封顶及封顶后一段时间，各观测点累计沉降量在20.53～16.91mm不等，整体沉降均匀，楼体平均沉降量为19.26mm，最大沉降在东北角点，最小沉降在西南角点，最大差异沉降为3.62mm。单体侧面荷载、沉降量和时间进程曲线图见图5。观测末期各点沉降速率介于0.088～0.014mm/d之间，由测量规范[7]的相关条文可知，主体已处于沉降稳定阶段，且观测期间未发现陡降等沉降异常，符合正常沉降规律。沉降观测数值与JCCAD软件计算的沉降量相接近，两者仅为规范理论计算值的70%。

图5 13#楼荷载、沉降量-时间进程曲线

2 管桩复合地基设计

2.1 工程概况及场地地质情况

淮安恒大名都项目位于淮安市清浦区生产路以南地块，工程一期总建筑面积33万m2，包括11栋32～33层住宅楼，建筑高度约99m。该地区抗震设防烈度为7度(0.1g)，场地类别为Ⅱ类，均采用剪力墙结构，项目已于2012年竣工，目前各项沉降观测数据良好。项目整体效果图见图6。

场地勘探深度范围内上部为第四纪全新世冲积的人工填土、粉土，中部及下部为晚更新世冲湖积黏土、粉质黏土、粉土和砂土，各土层特征分述如下：①1层杂填土，层厚1.4～2.7m，由碎砖、碎石混粉质黏土填积；①2层素填土，层厚0.3～1.5m；②层粉土，层厚0.3～1.9m，稍密～中密状态，局部夹粉质黏土，土质较均匀；③层粉质黏土，层厚0.4～2.8m，硬～可塑状态，局部为黏土，干强度和韧性高；④层粉土与粉质黏土互层，层厚0.4～4.0m，粉土呈中密～密实状态，粉质黏土为可塑～软塑状态，土质不均匀，干强度及韧性低；⑤层黏土、粉质黏土，层厚25.5～30.0m，可～硬塑状态，干强度和韧性高，土质均匀；⑥层中砂与粉砂互层，层厚11.0～15.4m，饱和，密实状态，局部中密状态，夹薄层粗砂；⑦层黏土，揭露厚度25.8～29.3m，硬塑状态，局部坚硬状态，低压缩性。各土层桩基础设计参数建议取值见表2。

图6 项目整体效果图

各土层桩基础设计参数建议取值/kPa 表2

2.2 基础选型与设计

当地已完成的百米高层或类似项目基础多数采用钻孔灌注桩。以本工程7#单体为例，单体基底面积915m2，主体33层，建筑高度99.5m，室内外高差300mm，基底相对标高-6.90m，对应的持力层为③层粉质黏土底部范围或④层粉土与粉质黏土互层顶部范围，③,④层土的承载力特征值分别为180，170kPa，而基底平均压力为485kPa，不能满足上部结构的承载力要求。若采用钻孔灌注桩基础，经试算，需桩径600mm，桩长26m，以⑦层黏土为桩端持力层，桩端进入持力层5m，共布桩175根，单桩承载力特征值为2 900kPa，相对于基底总压力，桩基布桩系数约为1.14，即：(2 900×175)/(485×915)=1.14。单体桩基总造价约180万元。由于本工程地质分布均匀，④层粉土与粉质黏土互层较薄，其下⑤层黏土、粉质黏土较厚，且承载力达到了260kPa，设计拟采用CFG桩复合地基形式，以⑤层黏土、粉质黏土为桩基持力层。

因本地区百米高层住宅基础形式无此先例，且项目总面积大，经过专家论证，得到以下意见：考虑本工程桩基持力层为⑤层黏土、粉质黏土，其状态为可～硬塑，承载力特征值与设计需要承载力相差较大，当地未有类似工程先例可借鉴及工程工期等多方面因素，建议采用管桩复合地基方案。

根据专家论证意见，经多次试算后，复合地基管桩桩径采用0.5m，C型桩尖，桩顶标高为-7.20m，以⑤层黏土、粉质黏土为桩端持力层，桩长仍由设计所需的地基承载力反算得出，实际取值14m，单桩承载力特征值为1 300kN。则复合地基承载力特征值由式(1)计算为：

图7 7#单体复合地基桩基平面布置图

其中，桩基承载力特征值Ra计算取值为表2中的预制桩参数，桩穿过2m厚的④层，进入⑤层12m，桩基布置间距为2m×2m，桩基平面布置图见图7，总布桩根数为340根，管桩总造价约为119万元，较钻孔灌注桩节约60余万元。7#单体基底面积为915m2，基底范围平均压力为485kPa；筏板自基底范围平均外延1.8m，总外延面积为445m2，外延部分考虑地下室顶板覆土、地下室结构自重及筏板基础自重等，外延面积范围内平均压力为85kPa，即筏板自重及以上承担荷载总压力为481 600kN，全部340根管桩承载力为442 000kN，7#单体的K值为0.918。

工程桩施工结束15d后，对工程桩进行验收检测，单桩承载力采用静载试验检测，每栋单体桩的检测数量不小于两根，其中7#单体某试桩单桩抗压静载Q-s曲线见图8；复合地基竣工验收时，其承载力检验采用2m×2m载荷板试验，每栋建筑复合地基试验数量不少于三点，其中7#单体某点载荷板试验Q-s曲线见图9。由图8和图9可知，在设计加载范围内，单桩及复合地基Q-s曲线较平滑，沉降值满足设计要求。

图8 单桩静载试验Q-s曲线

图9 复合地基载荷板试验Q-s曲线

本项目首次突破当地百米高层住宅基础以钻孔灌注桩桩基为首选的设计思路，采用管桩复合地基。结构主体封顶时，沉降控制在2～3cm，并趋于稳定。此工程之后，当地有不少类似项目采用了该类型的基础形式，为地方建筑基础设计提供了新经验和成功案例，起到了很好的示范作用。

3 刚性桩复合地基选型要点分析及思考

结合上述两项工程实例及文献[1-4，8-10]所述工程实践中的设计案例所提供的数据(表3)，如单桩静载试验、单桩复合地基静载试验、复合地基静载试验和沉降计算、沉降观测资料等，针对设计过程中遇到的问题和设计经验进行分析研究和探讨如下：

(1)百米高层住宅建筑一般采用剪力墙结构，3.3～3.6m小开间布局，剪力墙基本每间均有布置，结构基底平均压力在450～520kPa范围之间，若采用桩基础，桩型可选用桩径600mm及以上钻孔灌注桩或管桩。其中，钻孔灌注桩为非挤土桩，布置间距3.0D(D为桩基直径)，而管桩为挤土桩，布置间距不小于3.5D～4.0D。为便于布桩，单桩承载力特征值需在2 800kN及以上，此时，桩可沿剪力墙下布置，条形承台间设防水板，此基础形式充分利用桩基承载、经济性好。若单桩承载力偏低时，将出现布桩困难而需满堂布桩的情况，此时可考虑桩筏基础或采用复合地基。

(2)不同材料的复合地基刚性桩增强体各有特点。其中，预制桩为工厂标准工艺生产，相较于现场施工的CFG桩，受外界施工水平、施工环境与工艺影响小，桩身质量更有保障，具有施工速度快、养护周期短、综合费用低等优点，若需穿越一定厚度的中密或密实土层时，则易出现断桩、挤土效应及施工周期增加等不利因素，施工可能需要引孔或其他辅助措施；而CFG桩为现场搅拌成桩，土层适用性好，施工方便，单桩混凝土用量省，但受限于自身强度不高、所需桩数多，从而导致开挖量和材料总用量大。若桩长范围存在粉土，尤其是软弱粉土地区，需充分评估施工振动致土液化的可能性。在没有可靠措施时，要慎重选择CFG桩工艺。特别是对高饱和度的粉土地层，不宜采用CFG桩复合地基，可选择管桩基础或管桩复合地基。因此，在复合地基方案选择时，刚性桩增强体设计应综合考虑工程地质条件、主体结构情况、施工便捷性、材料费用、所需机械和工时等因素。

刚性桩复合地基工程桩基设计参数 表3

(3)由多个工程实例数据统计(表3)可知，天然地基承载力特征值均大于150kPa，多数在200kPa以上，说明基底土层自身承载能力较好，采用刚性桩复合地基后，地基承载力可达420～480kPa及以上。由表3可知，复合地基较天然地基承载提高倍数在1.67～3.25之间，一般在2.5左右较为常见，即天然地基承载力不低于刚性桩复合地基承载力的40%，能够满足高层建筑基础设计所需的承载力要求，在软土地基上采用复合地基应慎重。组成复合地基的增强体桩基，应具备一定刚度，随着复合地基承载力需求增大，增强体桩基的支承刚度、桩身承载强度要求也需相应提高。

(4)刚性桩具有较强的置换作用，在其他参数相同的情况下，桩长越长，桩的荷载分担比越高。由文献[4]中相关公式的推导可知，在桩总体积不变的情况下，桩径D与单桩竖向承载力特征值Ra近似成反比，说明桩径越小，所获得的桩基承载特征值Ra越高；反之，Ra越小。因此，在设计复合地基时，宜考虑采用细而长的桩基，能够提高单桩承载力，在获得同样复合地基承载力情况下，可减小布桩置换率，从而降低基础造价。

(5)刚性桩采用CFG桩相较于管桩自身压缩变形量要大得多，为控制结构整体沉降量满足设计要求，选择承载力和压缩模量相对较高的土层作为桩端持力层可以很好地发挥桩端阻力。桩按端承摩擦桩设计，不宜采用单纯摩阻桩。桩端持力层宜选择硬塑黏土层或中密砂层，乃至更好的强风化岩层、密实砂层，有利于控制基础的总沉降量。但应注意，对于这类低压缩性土层，桩端入土不宜过深，否则会为施工带来困难。同时，为实现桩土共同承载工作，持力层不宜为强风化以上的岩层，即增强体不能为端承桩。

(6)式(1)中β为桩间土承载力发挥系数，按当地经验系数取值，无经验时可取0.9～1.0[6]。由文献[11]的相关研究，经现场压力盒实测，β值介于0.23～0.31之间，表明在高层或超高层建筑基底高压力水平下，桩间土承载力发挥系数远小于地基处理规范[6]的推荐值，实际工况下，刚性桩承载比重较大。β值不仅与桩间土、桩端土及桩周土性质相关，还与桩长、置换率、褥垫层厚度、桩土相对刚度等众多因素相关，准确取值困难。因此，为提高基础承载的安全可靠度，建议基础设计方案完成后，复核单体刚性桩承载的K值。建议K值在0.75～1.0之间，基底土层天然承载力高时，K值可取低值0.75～0.8；反之，土层承载力低，K值可取高值0.9～1.0。若K值大于1，则说明设计方案中桩基自身已能满足基底承载要求，桩基布置数量过多。假设基底平均压力500kPa，基底天然土层承载特征值为200kPa，当K值为0.85时，刚性桩承担了425kPa，则桩间土承担75kPa，β值即为0.375。刚性桩复合地基特别是管桩复合地基，因桩土刚度差别大，β取值不宜过高。

4 结语

本文中采用刚性桩复合地基的工程均已竣工并投入使用，各方反应良好，并在当地产生了积极的社会效益和经济效益。结合国内此类似成功案例及相关研究成果，对该类型基础形式，从复合地基刚性桩增强体的特点、刚性桩复合地基设计要点、如何更好实现桩土共同工作等几个方面进行了经验总结及分析思考，给出了刚性桩复合地基应用于百米高层剪力墙结构的设计要点和注意事项。