劉 旸，楊 洋

(1. 天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300052；2. 天津天地源置業(yè)投資有限公司，天津 300100)

雙樁型復(fù)合地基的計(jì)算方法及實(shí)例分析

劉 旸1，楊 洋2

(1. 天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300052；2. 天津天地源置業(yè)投資有限公司，天津 300100)

基于某工程實(shí)例，闡述了采用樹(shù)根樁作為主控樁、水泥土攪拌樁作為輔樁，共同發(fā)揮作用的雙樁型復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方法；通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析表明，雙樁型復(fù)合地基在一定程度上具有更好的經(jīng)濟(jì)性和適用性；通過(guò)對(duì)該實(shí)例的分析，得出了一些建議性的結(jié)論，可供類(lèi)似工程設(shè)計(jì)參考．

復(fù)合地基；多樁型；地基處理；抗浮

復(fù)合地基即部分土體被增強(qiáng)或被置換形成增強(qiáng)體，由增強(qiáng)體和周?chē)瓲畹鼗凉餐袚?dān)荷載的地基形式，是目前在工程中應(yīng)用非常廣泛的人工地基．復(fù)合地基中的縱向增強(qiáng)體習(xí)慣上被稱(chēng)作“樁”．相對(duì)于單一樁型復(fù)合地基而言，由兩種或兩種以上樁型組成的復(fù)合地基稱(chēng)之為多樁型復(fù)合地基，并且將復(fù)合地基中分擔(dān)荷載比較高的樁型定義為主控樁，其余樁型為輔樁[1-2]．

1 雙樁型復(fù)合地基的應(yīng)用

對(duì)地基土要求較高或工況比較復(fù)雜的工程，多樁型復(fù)合地基可以充分發(fā)揮各樁型自身的特點(diǎn)，能取得地基處理指標(biāo)安全性和經(jīng)濟(jì)效益合理性的平衡．但出于施工難度、工程周期、綜合造價(jià)等因素的考慮，實(shí)際工程中一般多采用的是兩種樁型結(jié)合的復(fù)合地基．

對(duì)液化地基土，為消除地基液化，可采用振動(dòng)沉管碎石樁或振沖碎石樁方案；但當(dāng)建筑物荷載較大而要求加固后的復(fù)合地基承載力較高，單一碎石樁復(fù)合地基方案不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的承載力時(shí)，可采用碎石樁和剛性樁(如 CFG樁)組合的雙樁型復(fù)合地基方案．這種多樁型復(fù)合地基既能消除地基土液化影響，又可以得到較高的復(fù)合地基承載力．

對(duì)于地基土，有兩個(gè)以上土層可以作為樁端持力層．采用單一樁型時(shí)，在復(fù)合地基經(jīng)濟(jì)合理的樁距范圍內(nèi)，若樁端落在淺層土中，復(fù)合地基承載力不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；若樁端落在深層土中，復(fù)合地基承載力又過(guò)高，偏于保守且造成浪費(fèi)；此時(shí)可考慮將樁長(zhǎng)分成兩類(lèi)跳打，短樁樁端落在淺層土中，長(zhǎng)樁樁端落在深層土中，形成單樁型長(zhǎng)短樁復(fù)合地基．這樣，既保證了地基承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，又可以在不增加施工難度和工期的條件下節(jié)約工程造價(jià)．

采用剛性樁(如CFG樁)復(fù)合地基方案，有時(shí)會(huì)遇到基底樁間土土質(zhì)較差，而工程對(duì)樁群承載力和地基變形均勻性要求又較高，此時(shí)可用水泥土攪拌樁對(duì)樁間土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以調(diào)整整個(gè)復(fù)合地基的承載力和變形的均勻性，由此形成多樁型復(fù)合地基[3-6]．

實(shí)際工程中，出于具體需要而采用的多樁型復(fù)合地基多種多樣，不同樁型之間的組合可以起到不同的效果．本文結(jié)合某工程實(shí)例，介紹樹(shù)根樁和水泥土攪拌樁組合用于大型鋼筋混凝土現(xiàn)澆水池地基處理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以期在類(lèi)似工程中得以借鑒．

2 基于工程實(shí)例的雙樁型復(fù)合地基計(jì)算方法分析

2.1 工程簡(jiǎn)介

某污水處理廠(chǎng)項(xiàng)目中的氧化溝工程，平面尺寸113.7,m×39.35,m，池壁采用直立式擋水墻，底板均采用構(gòu)造底板，基礎(chǔ)埋深3.15～3.45,m．該水池抗震設(shè)防烈度為7度(0.15,g)，抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)；場(chǎng)地土類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)；設(shè)計(jì)抗浮地下埋深為0.6,m．

上部水池豎向標(biāo)準(zhǔn)組合荷載值經(jīng)計(jì)算，大致可歸并成兩種情況：①池壁擋水墻底板部分經(jīng)設(shè)計(jì)需要地基承載力為 85,kPa(滿(mǎn)水狀態(tài))，地下水浮力 28.5,kPa(空池狀態(tài))；②構(gòu)造底板部分經(jīng)設(shè)計(jì)需要地基承載力為 73,kPa(滿(mǎn)水狀態(tài))，地下水浮力 25.5,kPa(空池狀態(tài))．

該水池基礎(chǔ)底板位于原狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，底板以下巖土勘察報(bào)告對(duì)應(yīng)鉆孔揭示的土層及其工程力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1．

表1 場(chǎng)區(qū)各土層工程力學(xué)指標(biāo)

2.2 地基基礎(chǔ)方案分析

由于該水池在空池時(shí)，扣除自重后存在較大的地下水浮力，池內(nèi)也較為空曠，采用自重或配重抗浮將導(dǎo)致現(xiàn)澆底板厚度大幅增加．在經(jīng)過(guò)相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較后，確定本水池采用抗拔樁抗?。忠?yàn)樵撍氐装逦挥谟倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土層，該土層承載力低，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)對(duì)地基持力層的要求，且其厚度較大，全部換填既不經(jīng)濟(jì)又對(duì)抗拔樁存在不利影響，故考慮采用復(fù)合地基提高持力層承載力．

參考該工程所在地區(qū)各種樁基的使用情況、施工經(jīng)驗(yàn)和綜合造價(jià)等因素，最終確定采用樹(shù)根樁作為主控樁、水泥土攪拌樁作為輔樁，由主控樁主要承擔(dān)地下水浮托力，由輔樁主要承擔(dān)豎向荷載的復(fù)合地基方案．

2.3 僅采用主控樁型的地基試算

2.3.1 滿(mǎn)水豎向承載工況

由于該水池上部荷載分布較均勻，荷載效應(yīng)作用點(diǎn)與樁群型心基本重合，偏心力可忽略不計(jì)，樁基可近似按照軸心豎向力作用下計(jì)算承載力．根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](GB50007—2002)及《建筑基樁技術(shù)規(guī)范》[8](JGJ94—2008)的相關(guān)規(guī)定，樹(shù)根樁單樁承載力特征值計(jì)算公式如下

考慮樁土共同作用的承臺(tái)效應(yīng)，樁數(shù)可按照下式計(jì)算

式中

Ra——單樁豎向承載力特征值；

uP——樁身斷面周長(zhǎng)；

qsik——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

li——樁身穿越第i層土的厚度；

qPk——樁端所在土層的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

AP——樁身截面面積；

n——基樁數(shù)；

Qk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下單樁豎向力；

fak——基礎(chǔ)底面地基承載力特征值；

Ac——樁基承臺(tái)總凈面積；

ηc——樁基承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)，取值詳見(jiàn)表2．

根據(jù)本工程巖土勘察報(bào)告的相關(guān)描述，取第⑤層粉質(zhì)黏土作為樁端持力層，設(shè)計(jì)樁徑為250,mm，樁長(zhǎng)8.5,m，采用C25級(jí)混凝土，樁端進(jìn)入⑤層土1.1,m．按照式(1)計(jì)算出單樁豎向承載力特征值Ra＝109.4,kN.考慮樁土共同作用，依據(jù)式(2)計(jì)算得出：池壁擋水墻底板部分按照正方形布置的最小樁距為1.26,m；構(gòu)造底板部分按照正方形布置的最小樁距為1.38,m．

表2 樁基承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)取值

2.3.2 空池抗浮工況

根據(jù)《建筑基樁技術(shù)規(guī)范》[8](JGJ94—2008)的相關(guān)規(guī)定，樹(shù)根樁的單樁抗拔承載力計(jì)算公式為

式中

Nk——按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的基樁抗拔力；

Tuk——群樁呈非整體破壞時(shí)基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

GP——基樁自重，地下水位以下取浮重度；

λi——樁身穿越第i層土的抗拔系數(shù)．

按照式(4)計(jì)算出的單樁極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ra＝133.4,kN，基樁自重GP＝10.4,kN；考慮1.05的抗浮安全系數(shù)，依據(jù)式(3)計(jì)算得出：滿(mǎn)足抗拔要求時(shí)，池壁擋水墻底板部分按照正方形布置的最小樁距為2.48,m；構(gòu)造底板部分按照正方形布置的最小樁距為2.14,m．

通過(guò)以上試算可以看出，由于樁間土層承載力低，同一計(jì)算部位的最小樁距均為豎向承載力工況控制，據(jù)此計(jì)算出該水池僅采用主控樁加固地基時(shí)，共需樹(shù)根樁2,298根．

2.4 雙樁型復(fù)合地基計(jì)算分析

從上述試算結(jié)果可以看出，基礎(chǔ)底面樁間土地基承載力較低，承臺(tái)效應(yīng)作用不明顯，大部分荷載均由主控樁基承受，導(dǎo)致工程量增加和工期延長(zhǎng)．在這種情況下，采用雙樁型復(fù)合地基的方案，通過(guò)輔樁提高主控樁樁間土的承載力，以提高承臺(tái)效應(yīng)的作用．

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](GB50007—2002)及《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[9](JGJ79—2002)的相關(guān)規(guī)定，作為輔樁的水泥土攪拌樁，其單樁承載力特征值及復(fù)合地基承載力計(jì)算公式如下

式中

Ra——單樁豎向承載力特征值，取式(5)和式(6)中的較小值；

α——樁端天然地基土承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6(本工程取 0.5)；

η——樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，可取 0.25～0.33(本工程取0.30)；

fcu——與攪拌樁樁身水泥土配比相同的試塊立方體抗壓強(qiáng)度平均值，具體試驗(yàn)要求詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9]；

fsPk——復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

m——面積置換率；

β——樁間土承載力折減系數(shù)，樁端為軟土?xí)r可取0.5～1.0(本工程取0.5)；

fsk——樁間天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

n——攪拌樁數(shù)；

A——加固地基面積．

本工程水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)樁徑為 500,mm，樁長(zhǎng)8.2,m(樁端與主控樁深度相同，樁頂考慮 300,mm 厚級(jí)配碎石褥墊層)，采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為被加固濕土重的 15%，fcu工程實(shí)測(cè)值為1,500,kPa．依照式(5)、式(6)分別計(jì)算出Ra為213.7，88.3,kN，取兩者中的較小值，確定輔樁的單樁豎向承載力特征值為88.3,kN．

通過(guò)估算，當(dāng)主控樁樁間土承載力特征值提高到100,kPa(《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[10](第2版)中要求：100,kPa以下視為軟土，仍需處理；故設(shè)計(jì)此類(lèi)工程時(shí)，均按照將土體承載力特征值提高到100,kPa計(jì)算)左右時(shí)，滿(mǎn)水豎向承載工況和空池抗浮工況分別計(jì)算出的主控樁樁距較為接近，這時(shí)可以最大限度地發(fā)揮主控樁的作用．因此，取輔樁加固后的復(fù)合地基承載力為 100,kPa進(jìn)行計(jì)算．通過(guò)對(duì)式(7)的推導(dǎo)，可以得出輔樁面積置換率的計(jì)算公式為

按照式(9)計(jì)算出的輔樁面積置換率 m＝0.157，再按照式(8)計(jì)算出按照正方形布置的輔樁最小樁距為1.2,m；而此時(shí)主控樁僅需按照抗浮工況計(jì)算，得出池壁擋水墻底板部分按照正方形布置的主控樁最小樁距為2.06,m，構(gòu)造底板部分按照正方形布置的主控樁最小樁距為2.14,m．

據(jù)此計(jì)算出該水池采用主控樁和輔樁共同加固地基時(shí)，只需樹(shù)根樁925根，水泥土攪拌樁2,875根．

2.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

通過(guò)上述計(jì)算，可以估算出僅采用主控樁型和采用雙樁型方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并進(jìn)行比較，具體指標(biāo)見(jiàn)表3．

經(jīng)比較可以看出，在達(dá)到同樣地基處理效果的前提下，采用兩種樁型復(fù)合的方案要比僅采用主控樁方案的造價(jià)節(jié)約 32萬(wàn)元．而且由于鉆孔灌注樁數(shù)量的大幅減少，在投入施工機(jī)具和人力相近的情況下，采用雙樁型復(fù)合方案可以有效地節(jié)約工期，取得更好的效益．

表3 復(fù)合地基方案及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

3 結(jié) 語(yǔ)

從工程造價(jià)、施工周期和工程實(shí)用等角度出發(fā)，多樁型復(fù)合地基處理方案相比傳統(tǒng)的單樁型復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)，在一定程度上具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)．隨著近年來(lái)相關(guān)施工工藝的優(yōu)化和設(shè)計(jì)計(jì)算理論的完善，多樁型復(fù)合地基已經(jīng)越來(lái)越多地被應(yīng)用到工程實(shí)踐中，并且取得了良好的效果．但是由于各種復(fù)合地基處理方法的作用機(jī)理和自身特性均存在差異，在進(jìn)一步認(rèn)識(shí)多樁型復(fù)合地基承載力和變形特性的過(guò)程中，除了研究機(jī)理之外，尚需要積累更多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)．

［1］朱常志，王士杰，周瑞林，等．多樁型復(fù)合地基承載力計(jì)算方法研究[J]. 工程勘察，2006(10)：22-23,71．

［2］閆明禮，王明山，閆雪峰，等．多樁型復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2003(6)：352-355.

［3］牛志榮，李 宏. 復(fù)合地基處理及工程實(shí)例[M]. 北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2000．

［4］王士杰，何滿(mǎn)潮，周瑞林，等．多樁型復(fù)合地基試驗(yàn)研究[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(5)：118-122．

［5］陳 磊，閆明禮. 組合樁復(fù)合地基在工程中的應(yīng)用[J].工程勘察，1999(1)：24-26.

［6］馬 驥，張東剛. 長(zhǎng)短樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算[J]. 巖土工程技術(shù)，2001(2)：86-91．

［7］GB50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

［8］JGJ94—2008，建筑基樁技術(shù)規(guī)范[S].

［9］JGJ79—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

［10］給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)．給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 2版． 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007．

Calculation Methods and Example Analysis of Composite Piled Foundation

LIU Yang1，YANG Yang2
(1. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin 300052，China；2. Tianjin Tande Property Establishment Investment Co.，Ltd.，Tianjin 300100，China）

Based on a project example，this paper shows the design of the composite piled foundation and the calculation methods of the bearing capacity of the foundation with tree root as the master pile and the cement-soil pile as auxiliary pile.And then through the economic analysis the paper shows that the composite piled foundation to some extent has better economic efficiency and applicability. Finally，through the example analysis the paper draws some constructive conclusions，thus providing reference for engineering designers.

composite foundation；multi-pile type；foundation treatment；anti-uplift

TU470.3

A

1006-6853(2011)02-0105-04

2010-11-22；

2010-12-30

劉 旸（1979—），女，天津人，天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院工程師．