岩溶地区端承型刚性桩复合地基设计研究

刘中军，杨随新，凌 跃

（广州市城市规划勘测设计研究院，广州 510060）

刚性桩复合地基作为地基处理的的一种方法，其竖向增强体包括预制桩、灌注桩和钢管注浆桩等。根据现行国家标准GB/T 50783—2012《复合地基技术规范》[1]刚性桩复合地基应满足复合地基本质和形成条件，即通过桩与土变形协调使桩与土共同承担荷载，“不应”使用端承型刚性桩。

1 端承型刚性桩复合地基的可行性

端承型刚性桩复合地基是否能在工程实践中运用，近年来一些专家和学者进行了很多探索和研究，提出了一些计算方法和理论依据，也介绍了一些工程实例，根据资料在山东、四川、广东、马尔代夫共和国等地区和国家已进行了工程实践。杨随新等[2]在某工程中采用了端承型刚性桩组成的刚柔性复合地基；刘清华[3]基于桩土变形协调探讨了刚性桩复合地基承载力计算方法；孙卓恒等[4]研究了嵌岩刚性桩桩端铺设一定厚度垫层的受荷情况。王世岐等[5]认为基岩埋深较浅区域嵌岩刚桩应采用土岩组合地基模型进行计算；李涛[6]研究了褥垫层对桩端落在强风化岩上的刚性桩发挥桩间土承载力的影响；张东刚等[7]探讨了复合地基褥垫层的变形机理和端承型刚性桩与桩间土能否构成复合地基的问题，得出褥垫层可以有效调节桩土相对变形的结论。

广东省《建筑地基处理技术规范》规定[8]刚性桩复合地基中的桩宜为摩擦型桩，在10.2.10条的条文说明中提到：“……目前不少工程采用端承为主的摩擦桩或端承桩，如岩溶地区一般要求刚性桩支撑于岩面上……”可以看出，广东省标准没有严格限制端承型刚性桩复合地基的使用。

2 工程设计实践

“欧派智造创新项目”位于广州市花都区雅瑶中路以北、凤凰南路以西位置，建筑规划总用地为55 926 m2，规划总建筑面积为189 770 m2。场地岩溶强烈发育，地基基础设计等级为甲级。其中B栋工业厂房采用独立基础，基础尺寸长×宽×厚=5.5 m×5.5 m×1.5 m，基础底标高-5.1 m，刚性桩复合地基，桩为直径500 mm长螺旋钻孔压灌桩，桩身混凝土强度等级C20，摩擦端承型，正方形布置，桩距1.5 m，桩顶垫层为厚250 mm级配碎石。桩身承载力特征值要求大于等于750 kN，复合地基承载力要求大于等于450 kPa。典型地质情况及指标见表1。本工程参考广东省标准进行设计及计算。

表1 地层及指标

2.1 根据广东省《建筑地基处理技术规范》桩及桩间土分别计算

2.1.1 单桩承载力特征值

（1）根据广东省《建筑地基处理技术规范》

式中：qsia为第i层桩侧的摩阻力特征值，kPa；qpa为桩端持力层端阻力特征值，kPa；μ为桩身截面周长，m；li为第i层土的厚度，m；Ap为桩身截面面积，m2。

（2）根据广东省《岩溶地区建筑地基基础技术规范》[9]：

式中：α1为考虑岩溶、潜在土洞的桩侧土阻力折减系数，本工程取0.85；α2为考虑岩溶发育程度的桩端阻力折减系数，本工程取0.8。

（3）根据广东省《建筑地基处理技术规范》水泥土类桩复合地基及刚性桩复合地基应根据修正后的复合地基承载力特征值进行桩身强度验算，式中fck为桩身混凝土强度标准值。

桩身承载力特征值大于750 kN，满足要求。

2.1.2 复合地基承载力特征值

根据广东省《建筑地基处理技术规范》

式中：m为面积置换率，m=d2/de2；β为桩间土天然地基承载力折减系数，本工程取1.0；fsk为处理后桩间土地基承载力特征值，kPa，可取天然地基承载力特征值，本工程取150 kPa；d为桩直径，m；de为桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m，正方形布桩de=1.13l，l为桩间距。

复合地基承载力大于等于450 kPa，满足要求。

2.1.3 沉降计算

（1）根据广东省《建筑地基处理技术规范》变形可按桩及桩间土分别计算。

①桩间土的变形计算

式中：p0为桩间土的基底附加压应力，kPa，可取p0=（0.8~1.0）（1-m）fsk；SS为桩间土最终变形量，mm；S'S为按分层总和法计算出的桩间土最终变形量，mm；ψs为沉降计算经验系数，本工程按表2取值；参数计算结果见表3。

表2 沉降计算经验系数ψs取值

表3 参数计算结果

②桩的变形计算。

式中：Sp1为桩顶与基础间垫层的压缩变形，mm；Sp2为桩身与桩端土层的变形量；hco为垫层厚度，mm，本工程为250 mm；Eco为垫层变形模量，本工程取Eco=30 MPa；Pp0为桩顶压应力为桩底持力层端阻力，MPa；D为桩径，mm；l为桩长，mm；Eo为桩端持力土层的变形模量，MPa。

（2）根据广东省《建筑地基处理技术规范》有经验时刚性桩复合地基的承载力和沉降也可由桩土沉降协调确定。

①刚性桩复合地基承载力按下式计算

式中：fsk为由沉降协调确定的土分担的承载力；式中：Rk为由沉降协调确定的桩分担的承载力。

②桩和土的刚度计算：Kp=Ra/Sp，Ks=fa/Ss，Kp为桩的刚度；Ks为土的刚度；fa为基础下天然地基修正承载力特征值

式中：ηsd取1.0；Sp为桩顶位置处基础在桩承载力特征值Ra下的对应沉降；Ss为天然地基在基础作用修正承载力特征值fa时的沉降，对于残积土和砂土地基等非饱和土，采用变形模量代替压缩模量计算，此时沉降修正经验系数取1.0；参数计算结果见表4。

表4 参数计算结果

③验算桩和地基承载力：Rk/Ra，fsk

④刚性桩复合地基沉降计算：

当Ra取931 kN时，Sp=931/22.4=42 mm，此时根据变形协调fsk为52.08 kPa，

满足复合地基承载力大于等于450 kPa要求。

3 结束语

本文分析了使用端承型刚性桩复合地基的可行性，参考广东省标准对某岩溶地区端承型刚性桩复合地基的承载力和沉降进行了计算，为同类型工程提供了参考。需要指出的是在沉降协调方法计算时，桩身承载力特征值取931 kN。