摘 要：天然地基均具備一定的承載力，若設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)應(yīng)力大于天然地基的承載力，怎樣可以充分發(fā)揮天然地基的承載能力，并使大于天然地基承載力的部分選擇樁基承擔(dān)，充分發(fā)揮土的承載力。本文通過工程實(shí)例對(duì)高層建筑剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述，主要包括復(fù)合地基的計(jì)算、設(shè)計(jì)的思路、理論計(jì)算及實(shí)際結(jié)果間的對(duì)比分析。期望為實(shí)際工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剛性樁；復(fù)合地基；應(yīng)用

引 言

剛性樁復(fù)合地基具備承載力高、變形小以及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢，近些年在高層建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。在符合承載力的需要及沉降控制要求的前提下，高層建筑選擇剛性樁復(fù)合地基對(duì)樁基進(jìn)行取代，主要是為了節(jié)約工程的造價(jià)。合理設(shè)計(jì)的剛性樁復(fù)合地基，不僅可達(dá)到較高的地基承載力及較出色的變形性能，達(dá)到高層建筑的需要，還可避免由于樁端持力層差異以及樁距限制等因素導(dǎo)致的布樁困難，在此基礎(chǔ)上還可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 剛性樁復(fù)合地基概述

若工程地質(zhì)較差、承載力較低或者是在基礎(chǔ)受力范圍之內(nèi)的某一深度位置存在軟弱夾層，無法達(dá)到承載力及變形要求時(shí)，通常選擇在天然的地基中對(duì)一定比例的樁體進(jìn)行設(shè)置，使樁與土共同承擔(dān)荷載，這便是復(fù)合地基。當(dāng)建筑層數(shù)相對(duì)較多，荷重相對(duì)較大的高層建筑，會(huì)選擇高粘結(jié)強(qiáng)度樁，比如螺旋鉆孔壓漿樁，又稱壓灌混凝土樁，此類復(fù)合地基便屬于剛性復(fù)合地基。

1.1 剛性樁復(fù)合地基的特點(diǎn)

剛性樁復(fù)合地基就是使用剛性樁對(duì)天然地基的部分土體進(jìn)行增強(qiáng)，通過設(shè)置在基礎(chǔ)與樁間的褥墊層，使樁及地基土共同承擔(dān)荷載的一種人工復(fù)合地基。剛性樁復(fù)合地基具有大幅提高地基承載力且可調(diào)性強(qiáng)；提高土層的整體變形模量；具有保證的耐久性及穩(wěn)定的樁體質(zhì)量；沉降和差異沉降小等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)思想

由于剛性樁復(fù)合地基與復(fù)合樁基礎(chǔ)的作用機(jī)理相差不多，因此，現(xiàn)行的《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)設(shè)計(jì)原則也可對(duì)剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)起參考作用。在確保準(zhǔn)確分析工程的特征、工程的地質(zhì)資料以及選擇合適樁型的前提下，選擇一個(gè)相對(duì)硬層，使之成為剛性樁的端層。并且須進(jìn)入一定的深度，以確保端承力的發(fā)揮以及必要的側(cè)向約束，須慎防將樁端置于軟土層處。另外，還須對(duì)樁長以及樁間距、單樁承載力的極限值以及設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)算樁身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及群樁整體被破壞的可能性。

1.3 剛性樁復(fù)合地基應(yīng)用的常見錯(cuò)誤

1.3.1 樁身的強(qiáng)度越高越好

復(fù)合地基中，剛性樁的承載能力和樁長與樁徑、樁端土的性狀以及樁體的強(qiáng)度相關(guān)，樁體在不發(fā)生破壞的前提下，樁越長、樁徑越大并且樁側(cè)的土越好，樁的承載能力相對(duì)越高。當(dāng)樁長與樁徑一定、樁體沒有發(fā)生破壞時(shí)，樁的承載能力只是和樁側(cè)樁端土的性狀相關(guān)。

1.3.2 褥墊層得厚度越厚越好

剛性樁復(fù)合地基的褥墊層具備確保樁土共同承擔(dān)荷載的重要功能，部分設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)復(fù)合地基時(shí)偏向選擇厚褥墊層，他們會(huì)認(rèn)為褥墊層的厚度越厚越好，其實(shí)不然。試驗(yàn)結(jié)果表明，褥墊層的厚度和樁土承載能力的發(fā)揮關(guān)系密切，褥墊層厚度的選擇對(duì)于復(fù)合地基承載力的影響是顯著的。

1.4 樁體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的影響因素

和樁基的不同在于，復(fù)合地基的承載力可以進(jìn)行深度修正，基礎(chǔ)兩側(cè)的超載越大，其深度修正的數(shù)量就越大，樁所承受的豎向荷載就越大，其設(shè)計(jì)的樁體強(qiáng)度就越高；剛性樁復(fù)合地基，因?yàn)樵O(shè)置了褥墊層，所以，從剛加荷開始，就會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩擦區(qū)，那么樁的最大軸力作用點(diǎn)就不在樁頂，而是位于中性點(diǎn)位置，就是中性點(diǎn)位置的軸力要大于樁頂?shù)氖芰?；?fù)合地基檢測的最大加載量不能低于設(shè)計(jì)要求壓力的兩倍。在最大加載壓力的作用下，樁與土不一定能同時(shí)達(dá)到各自的極限承載能力。有可能在沒有達(dá)到最大加載壓力樁就已經(jīng)被破壞了。

2 高層建筑剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的應(yīng)用

2.1 工程概況

該工程屬于小高層住宅，地下設(shè)置一層人防地下室，其基坑的開挖深度大概為4.5m，地面以上部分是14層，屋面的標(biāo)高是42.850m。結(jié)構(gòu)體系使用壁式框架剪力墻的結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)屬于二級(jí)，地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)屬于乙級(jí)?；A(chǔ)的設(shè)計(jì)選擇大直徑的鉆孔灌注樁，以強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r作為持力層，在現(xiàn)場試樁到3夾塊石混砂土層，鉆孔的難度較大，速度較慢，沒有辦法穿透地基中的護(hù)坡條石及塊石。通過對(duì)比可行性以及經(jīng)濟(jì)性的各種方案，地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案選擇剛性樁復(fù)合地基。表1表示了各個(gè)土層的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)。

2.2 剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)方案

通過補(bǔ)充施工勘探報(bào)告，本場地的鉆探見洞率較高，場地基巖變化的起伏較大。為了防止基礎(chǔ)沉降大以及地基承載力小等現(xiàn)象，基于復(fù)合地基的承載機(jī)理，便對(duì)塔樓部分選擇剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)方案。

使用夯擴(kuò)樁做為剛性樁是由于其在樁端形成了擴(kuò)大頭，提高其樁端支承的面積，還夯擴(kuò)擠密了樁端土，增加了樁端的阻力，最終使樁承載力提高。選擇樁身的直徑為500mm，擴(kuò)大頭直徑為900mm的夯擴(kuò)樁，布樁形式為等邊三角形，樁中心的距離是1.75m，樁端持力層是粉質(zhì)粘土層或者是石灰?guī)r面，樁身的混凝土強(qiáng)度等級(jí)是C25。通過夯擴(kuò)樁單樁豎向的承載力公式Rk=πdΣLixqsa+π/4xD2xβxqpa，計(jì)算出Rk范圍在736～1183kN之間，選取全部鉆孔承載力計(jì)算的平均值是1000kN。但是由于基礎(chǔ)處于溶洞發(fā)育的地區(qū)，因此對(duì)Rk選取調(diào)整系數(shù)為0.6，則最終單樁豎向承載力的特征值定為600kN。

2.2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

該工程的剛性樁選擇西457×12鋼管樁，有效的樁長是36m，將強(qiáng)風(fēng)化沉凝灰?guī)r作為持力層。樁頂使用鋼板封閉，地下室底板之間設(shè)置200mm的墊層與70mm厚C10的凝土墊層。地下室的底板下有一層平均厚度是1.85m、地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值是160kPa的粘質(zhì)粉土，由于此層土相對(duì)較薄，因此選擇？準(zhǔn)426的振動(dòng)沉管砂石短樁對(duì)粉砂層進(jìn)行加固。

2.2.3 復(fù)合地基承載力的計(jì)算

考慮到樁的設(shè)置對(duì)于承載力的影響，對(duì)剛性樁復(fù)合地基承載力的計(jì)算方法如下：

fspk=mRa/Ap+β（1-m）fsk

式中：fspk——復(fù)合地基承載力的特征值（kPa）；

m——樁土面積的置換率；

Ra——單樁豎向承載力的特征值（kN）；

Ap——包含樁芯土的樁橫截面的全部面積（m2）；

β——樁間土承載力的折減系數(shù)；

fsk——修正之后樁間土承載力的特征值（kPa）。

2.2.4 褥墊層的設(shè)置

首先，要確保在樁頂應(yīng)力作用下樁可以刺入褥墊層中，就是上述的變形對(duì)樁和樁間土承載力的影響；其次，褥墊層在樁間土應(yīng)力的作用下不會(huì)形成過大的壓縮變形。前者的目的是在樁刺入之后，樁頂褥墊層的材料向樁間土的上部移動(dòng)，而且樁間土的面積大，令樁間土分擔(dān)荷載不會(huì)形成卸載，樁“刺入”褥墊層之后，樁頂對(duì)于褥墊層的作用進(jìn)入至塑性階段，增加樁頂?shù)暮奢dP。P增加的大部分通過樁間土來承擔(dān)承擔(dān)。后者實(shí)際上是當(dāng)樁間土不會(huì)因?yàn)槿靿|層有較大的變形，而不可分擔(dān)荷載。復(fù)合地基示意圖以及變形圖如圖1所示。假設(shè)褥墊層的極限承載力是fu，要確保樁刺入褥墊層，那么樁頂應(yīng)力p須產(chǎn)國褥墊層的極限承載力，若褥墊層太薄，樁頂壓實(shí)區(qū)的實(shí)體會(huì)頂住基礎(chǔ)，刺入的難度變大，樁頂褥墊層與樁間土區(qū)域的轉(zhuǎn)移量降低，則樁間土的作用較小，復(fù)合地基有可能成為一般的樁基。若褥墊層太厚，樁刺入量會(huì)變得很大，基礎(chǔ)沉降量變大，而且會(huì)增加基礎(chǔ)的造價(jià)，也增加了地基土的荷載作用。這里從樁刺入時(shí)的受力機(jī)理進(jìn)行分析，提出褥墊層厚度最小的想法。這是根據(jù)如下的考慮；滑動(dòng)面不會(huì)受到基礎(chǔ)底面的干擾，那么基礎(chǔ)底就應(yīng)在滑動(dòng)面得頂點(diǎn)以上，其對(duì)滑動(dòng)面的阻力達(dá)到最小。褥墊層的壓縮模量一定要遠(yuǎn)大于樁間土的壓縮模量，以確保不因褥墊層變形過大從而降低樁間土的承擔(dān)荷載。

2.2.5 樁身強(qiáng)度的確定

通過樁身強(qiáng)度的驗(yàn)算公式Ra≤ψcApfc（式中的ψc是工作條件的系數(shù)，選擇0.7）可得fc≥1000/（0.7×0.19625）=7.28N/mm2，查詢《混凝土規(guī)范》，可以選擇強(qiáng)度等級(jí)C25，fc=11.9N/mm2，達(dá)到要求。

2.2.6 沉降的計(jì)算

對(duì)復(fù)合地基沉降的計(jì)算選擇分層總和法進(jìn)行，將總沉降量劃分加固區(qū)的沉降S1以及下臥層的沉降S2，總沉降即為兩者的加和。這里要注意的是因?yàn)閺?fù)合地基加固區(qū)是土體與增強(qiáng)體共同進(jìn)行荷載的承擔(dān)，增加體與土體要視為一個(gè)整體進(jìn)行考慮復(fù)合模量。通過規(guī)范可知，復(fù)合模量的表達(dá)式如下：Esp=Esx（fspk/fak），其中fak表示天然地基土承載力的特征值。計(jì)算過程忽略，最終得到的沉降達(dá)到了規(guī)范的要求。

3 結(jié)束語

在地基處理設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于剛性樁復(fù)合地基來說，樁與土的承載力大小和褥墊的厚度、樁徑比、基礎(chǔ)剛度是密切相關(guān)的，剛度足較大時(shí)，復(fù)合地基褥墊的厚度適合選取樁徑的1/2。剛度足夠的基礎(chǔ)復(fù)合地基，樁徑宜選取350～600mm，當(dāng)單樁承載力相對(duì)較高時(shí)，宜選擇大值。工程設(shè)計(jì)的過程中，一定要使剛性樁樁體強(qiáng)度滿足建筑物使用荷載的需要，這樣，施工檢測樁體時(shí)才不會(huì)發(fā)生破壞。

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作者簡介：江棹榮（1980-），男，碩士研究生，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。