基于高層建筑剛性樁復合地基設計的應用研究

摘 要：天然地基均具備一定的承載力，若設計的基礎應力大于天然地基的承載力，怎樣可以充分發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，充分發揮土的承載力。本文通過工程實例對高層建筑剛性樁復合地基的設計及應用進行較為詳細的闡述，主要包括復合地基的計算、設計的思路、理論計算及實際結果間的對比分析。期望為實際工程提供借鑒。

關鍵詞：高層建筑；剛性樁；復合地基；應用

引 言

剛性樁復合地基具備承載力高、變形小以及經濟性好等優勢，近些年在高層建筑中的應用越來越廣泛。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合地基對樁基進行取代，主要是為了節約工程的造價。合理設計的剛性樁復合地基，不僅可達到較高的地基承載力及較出色的變形性能，達到高層建筑的需要，還可避免由于樁端持力層差異以及樁距限制等因素導致的布樁困難，在此基礎上還可獲得較好的經濟效益。

1 剛性樁復合地基概述

若工程地質較差、承載力較低或者是在基礎受力范圍之內的某一深度位置存在軟弱夾層，無法達到承載力及變形要求時，通常選擇在天然的地基中對一定比例的樁體進行設置，使樁與土共同承擔荷載，這便是復合地基。當建筑層數相對較多，荷重相對較大的高層建筑，會選擇高粘結強度樁，比如螺旋鉆孔壓漿樁，又稱壓灌混凝土樁，此類復合地基便屬于剛性復合地基。

1.1 剛性樁復合地基的特點

剛性樁復合地基就是使用剛性樁對天然地基的部分土體進行增強，通過設置在基礎與樁間的褥墊層，使樁及地基土共同承擔荷載的一種人工復合地基。剛性樁復合地基具有大幅提高地基承載力且可調性強；提高土層的整體變形模量；具有保證的耐久性及穩定的樁體質量；沉降和差異沉降小等優點。

1.2 剛性樁復合地基的設計思想

由于剛性樁復合地基與復合樁基礎的作用機理相差不多，因此，現行的《建筑樁基技術規范》中的相關設計原則也可對剛性樁復合地基的設計起參考作用。在確保準確分析工程的特征、工程的地質資料以及選擇合適樁型的前提下，選擇一個相對硬層，使之成為剛性樁的端層。并且須進入一定的深度，以確保端承力的發揮以及必要的側向約束，須慎防將樁端置于軟土層處。另外，還須對樁長以及樁間距、單樁承載力的極限值以及設計值進行計算，驗算樁身的結構強度以及群樁整體被破壞的可能性。

1.3 剛性樁復合地基應用的常見錯誤

1.3.1 樁身的強度越高越好

復合地基中，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度相關，樁體在不發生破壞的前提下，樁越長、樁徑越大并且樁側的土越好，樁的承載能力相對越高。當樁長與樁徑一定、樁體沒有發生破壞時，樁的承載能力只是和樁側樁端土的性狀相關。

1.3.2 褥墊層得厚度越厚越好

剛性樁復合地基的褥墊層具備確保樁土共同承擔荷載的重要功能，部分設計人員在設計復合地基時偏向選擇厚褥墊層，他們會認為褥墊層的厚度越厚越好，其實不然。試驗結果表明，褥墊層的厚度和樁土承載能力的發揮關系密切，褥墊層厚度的選擇對于復合地基承載力的影響是顯著的。

1.4 樁體強度設計的影響因素

和樁基的不同在于，復合地基的承載力可以進行深度修正，基礎兩側的超載越大，其深度修正的數量就越大，樁所承受的豎向荷載就越大，其設計的樁體強度就越高；剛性樁復合地基，因為設置了褥墊層，所以，從剛加荷開始，就會產生負摩擦區，那么樁的最大軸力作用點就不在樁頂，而是位于中性點位置，就是中性點位置的軸力要大于樁頂的受力；復合地基檢測的最大加載量不能低于設計要求壓力的兩倍。在最大加載壓力的作用下，樁與土不一定能同時達到各自的極限承載能力。有可能在沒有達到最大加載壓力樁就已經被破壞了。

2 高層建筑剛性樁復合地基設計的應用

2.1 工程概況

該工程屬于小高層住宅，地下設置一層人防地下室，其基坑的開挖深度大概為4.5m，地面以上部分是14層，屋面的標高是42.850m。結構體系使用壁式框架剪力墻的結構，建筑結構的安全等級屬于二級，地基基礎的設計等級屬于乙級?；A的設計選擇大直徑的鉆孔灌注樁，以強風化凝灰巖作為持力層，在現場試樁到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坡條石及塊石。通過對比可行性以及經濟性的各種方案，地基基礎的設計方案選擇剛性樁復合地基。表1表示了各個土層的主要物理力學性能指標。

2.2 剛性樁復合地基的設計

2.2.1 設計方案

通過補充施工勘探報告，本場地的鉆探見洞率較高，場地基巖變化的起伏較大。為了防止基礎沉降大以及地基承載力小等現象，基于復合地基的承載機理，便對塔樓部分選擇剛性樁復合地基的設計方案。

使用夯擴樁做為剛性樁是由于其在樁端形成了擴大頭，提高其樁端支承的面積，還夯擴擠密了樁端土，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，擴大頭直徑為900mm的夯擴樁，布樁形式為等邊三角形，樁中心的距離是1.75m，樁端持力層是粉質粘土層或者是石灰巖面，樁身的混凝土強度等級是C25。通過夯擴樁單樁豎向的承載力公式Rk=πdΣLixqsa+π/4xD2xβxqpa，計算出Rk范圍在736～1183kN之間，選取全部鉆孔承載力計算的平均值是1000kN。但是由于基礎處于溶洞發育的地區，因此對Rk選取調整系數為0.6，則最終單樁豎向承載力的特征值定為600kN。

2.2.2 基礎設計

該工程的剛性樁選擇西457×12鋼管樁，有效的樁長是36m，將強風化沉凝灰巖作為持力層。樁頂使用鋼板封閉，地下室底板之間設置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、地基承載力標準值是160kPa的粘質粉土，由于此層土相對較薄，因此選擇？準426的振動沉管砂石短樁對粉砂層進行加固。

2.2.3 復合地基承載力的計算

考慮到樁的設置對于承載力的影響，對剛性樁復合地基承載力的計算方法如下：

fspk=mRa/Ap+β（1-m）fsk

式中：fspk——復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；

fsk——修正之后樁間土承載力的特征值（kPa）。

2.2.4 褥墊層的設置

首先，要確保在樁頂應力作用下樁可以刺入褥墊層中，就是上述的變形對樁和樁間土承載力的影響；其次，褥墊層在樁間土應力的作用下不會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，而且樁間土的面積大，令樁間土分擔荷載不會形成卸載，樁“刺入”褥墊層之后，樁頂對于褥墊層的作用進入至塑性階段，增加樁頂的荷載P。P增加的大部分通過樁間土來承擔承擔。后者實際上是當樁間土不會因為褥墊層有較大的變形，而不可分擔荷載。復合地基示意圖以及變形圖如圖1所示。假設褥墊層的極限承載力是fu，要確保樁刺入褥墊層，那么樁頂應力p須產國褥墊層的極限承載力，若褥墊層太薄，樁頂壓實區的實體會頂住基礎，刺入的難度變大，樁頂褥墊層與樁間土區域的轉移量降低，則樁間土的作用較小，復合地基有可能成為一般的樁基。若褥墊層太厚，樁刺入量會變得很大，基礎沉降量變大，而且會增加基礎的造價，也增加了地基土的荷載作用。這里從樁刺入時的受力機理進行分析，提出褥墊層厚度最小的想法。這是根據如下的考慮；滑動面不會受到基礎底面的干擾，那么基礎底就應在滑動面得頂點以上，其對滑動面的阻力達到最小。褥墊層的壓縮模量一定要遠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荷載。

2.2.5 樁身強度的確定

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

2.2.6 沉降的計算

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

3 結束語

在地基處理設計時，對于剛性樁復合地基來說，樁與土的承載力大小和褥墊的厚度、樁徑比、基礎剛度是密切相關的，剛度足較大時，復合地基褥墊的厚度適合選取樁徑的1/2。剛度足夠的基礎復合地基，樁徑宜選取350～600mm，當單樁承載力相對較高時，宜選擇大值。工程設計的過程中，一定要使剛性樁樁體強度滿足建筑物使用荷載的需要，這樣，施工檢測樁體時才不會發生破壞。

參考文獻

[1]《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）.中國建筑工業出版社，2002.

[2]李彥明，王紅宇.混凝土結構設計的一些常見問題分析[J].科技創新導報，2009，（22）.

[3]何輝，吳祖躍.淺談高層建筑結構的設計與分析[J].科技創新導報，2009，（13）.

[4]吳曉琳.淺析高層建筑結構設計與特點[J].中國高新技術企業，2009，（11）.

作者簡介：江棹榮（1980-），男，碩士研究生，一級注冊結構工程師，主要從事結構設計工作。