P.R.D復合地基設計

王康樂 葉 軍 劉 洋

(中國建筑韓國分公司，韓國 釜山 612-726)

P.R.D復合地基設計

王康樂 葉 軍 劉 洋

(中國建筑韓國分公司，韓國 釜山 612-726)

以韓國海云臺LCT綜合體項目P.R.D(Percussion Rotary Drilling)復合地基為背景，介紹了P.R.D復合地基的承載機理，并從設計原則、設計參數選取、承載力計算等方面闡述了具體的設計方法，為國內類似工程的地基處理提供參考借鑒。

P.R.D復合地基，設計，承載力，計算

1 P.R.D復合地基概述

P.R.D樁(Percussion Rotary Drilling)類似于鉆孔灌注樁，是采用套管和長螺旋桿同時鉆進(如遇到巖層，還可配合采用潛孔沖擊錘[1])，成孔后，放入鋼筋籠，澆筑混凝土并養護，之后再取出套管。其復合地基是由樁、樁間土或巖層，以及上部基礎與樁頂間的褥墊層組成。P.R.D復合地基具有承載力大、地基變形小的特點，適用于各種復雜地基，尤其在風化巖層地基中，優勢更加突出，結構組成如圖1所示。

2 工程概要

韓國海云臺LCT綜合體項目臨近海邊，其地層的分層情況如下：

①填土層。層厚0.3 m～4.5 m，疏松；

②崩積層。層厚3.1 m～8.9 m，由粘土、粉土、碎石組成；

③殘積土層。層厚0.7 m～32.3 m，由粘土及風化土層組成；

④風化巖。層厚0 m～15 m，隨深度的增加，由全風化到微風化變化；

⑤軟巖。層厚0 m～40.8 m，未風化巖層；

⑥硬巖。未穿透，未風化的堅硬巖層。

本項目由三棟塔樓及裙房組成，塔樓B呈“Y”字形，東西向長約67 m，南北向寬約59 m，地下5層，地上85層，建筑高度331.1 m，采用4.5 m厚的筏形基礎，基礎底標高EL(-)18.900 m，基巖選用軟巖及硬巖。在塔樓B東北側的基礎下部，存在最大厚度22 m的風化巖層，并緊鄰地連墻。考慮到地連墻的安全性以及經濟性，設計采用P.R.D復合地基，其平面位置如圖2所示。

3 P.R.D復合地基的設計

3.1 P.R.D復合地基設計原則

1)滿足建筑物荷載對復合地基承載力要求。2)滿足規范及設計對建筑物地基變形的要求。3)滿足樁及樁間風化巖層(或樁間土層)協調變形的要求。4)滿足周邊環境條件的要求[2]。

3.2 設計參數的選擇

1)P.R.D樁設計條件。

韓國海云臺LCT綜合體項目復合地基采用的P.R.D樁直徑1 000 mm(有效直徑975 mm)，長度約為5 m～22 m，共58根，要求嵌入軟巖或硬巖2 m以上。加固后的復合地基承載力fa=2 300 kPa，最大單樁設計承載力P=8 500 kN,樁間風化巖層最大承載力600 kPa。樁體采用混凝土強度等級50 MPa，主筋強度fy=500 MPa。

2)地層條件。

根據現場孔內載荷試驗及巖石單軸壓縮強度試驗結果，并結合《New York City Building Code》及《Canadian Foundation Engineering Manual》的經驗公式，計算出軟巖及風化巖的允許承載力，并選取其中最小值作為承載力設計參數，如表1所示。

表1 軟巖及風化巖設計承載力參數

3.3 承載力計算公式

1)樁端極限承載力計算公式。

樁端極限承載力計算按照下列所述三種公式分別計算，并取三種計算結果的最小值。利用孔內載荷試驗結果計算樁端巖層單位面積的極限承載力qp時，采用《Canadian Foundation Engineering Manual》推薦公式，如下所示:

Qp=Ap×qp

(1)

qp=Kb×(pl-po)+σv

(2)

其中，Kb為入軟巖的深度與直徑比值相關常數；σv為基礎底面整體垂直應力。

利用單軸壓縮強度試驗結果計算樁端巖層單位面積的極限承載力qp時，采用韓國的《建筑結構設計標準》公式，如下所示。

qp=4.83×U0.51c

(3)

其中，Uc為單軸壓縮強度值。

利用單軸壓縮強度試驗結果計算樁端巖層單位面積的極限承載力qp時，也可采用韓國的《道路橋梁設計標準》公式，如下所示:

qp=Uc×(Nφ+1.0)

(4)

其中，Uc為單軸壓縮強度值的1/5；Nφ為承載力系數，按tan2(45°+φ/2)計算。

2)樁周極限摩擦力計算公式。

利用孔內載荷試驗結果計算樁周巖層單位面積的極限摩擦力qs，采用韓國的《建筑結構設計標準》公式，如下所示:

(5)

其中，α為經驗系數(常采用0.55)；Su為巖層剪切強度。

采用《Canadian Foundation Engineering Manual》經驗曲線圖，選用巖石單軸壓縮強度與樁體混凝土強度兩者中的最小值，計算嵌入巖層樁周單位面積的極限摩擦力qs。

3.4 設計實例

1)根據上述樁端極限承載力及樁周極限摩擦力計算公式，韓國海云臺LCT綜合體項目P.R.D樁的風化巖層計算結果如表2所示，軟巖計算結果如表3所示，設計時采用最小值。

表2 風化巖單位面積極限承載力 kN/m2

表3 軟巖單位面積極限承載力 kN/m2

2)下面舉例說明最小樁長5 m時，P.R.D樁的計算結果。

樁直徑：1 000 mm(有效直徑975 mm)；樁長：風化巖內3 m+軟巖內2 m；設計要求承載力：P=8 500 kN。

樁周極限摩擦力(風化巖+軟巖)：Qs=(π×D×L×qs)+(π×D×L×qs)=(π×0.975×3×700)+(π×0.975×2×12 000)=13 784 kN。

允許承載力：Qt=Qs+Qp=(13 784+20 158)÷3=11 314 kN>P=8 500 kN。

本項目P.R.D樁是抗沉降及巖層加固用樁，可支撐極限荷載的70%～80%，與基礎樁不同。參照《Canadian Foundation Engineering Manual》，可采用較小的安全率(約1.3)。然而，考慮到本項目屬于超高層建筑，采用較保守的安全率3.0進行允許承載力計算。

4 試驗驗證

4.1 試驗目的

上部結構物施工階段及施工完成后，作用于P.R.D樁的上部結構物荷載，主要由樁周摩擦力及樁端承載力分擔。通過模擬上部結構物荷載，分別測定樁端承載力、樁周摩擦力及樁位移，并分析得出P.R.D樁單位面積摩擦力及承載力在各地層的試驗結果，驗證設計計算選用的P.R.D樁設計參數是否合適，以及能否達到設計承載力。若不滿足，需要根據試驗結果調整設計。

4.2 試驗要求

本項目P.R.D試驗樁選用5 m短樁及20 m長樁，根據ASTM D1143/D1143M-07的標準進行試驗。短樁采用靜載試驗方法及錨索反力系統，長樁則采用雙向載荷試驗方法及油壓系統加載。試驗最大荷載為2倍以上的設計荷載(2×8 500 kN)，并進行周期性加載，當樁頭部位移達到樁直徑的10%，可判定為試驗破壞[3]。

4.3 后期監測

P.R.D復合地基施工時，需要安裝沉降監測儀、傾斜監測儀、土壓監測儀、應變監測儀，測定后期施工階段及正式使用階段P.R.D復合地基的沉降、傾斜及應力應變隨時間變化情況，確保建筑物的安全及為以后的P.R.D復合地基設計提供參考借鑒。

5 結語

1)P.R.D樁適用于各種復雜地質條件，在韓國超高層建筑及橋梁工程中應用廣泛。其復合地基具有變形小，地基承載力高，施工機械化程度高，施工速度快，不受氣候影響，經濟效益顯著的特點。

2)以韓國海云臺LCT綜合體項目設計為例，介紹P.R.D復合地基設計方法，并計算證明地基承載力得到極大提高，地基變形得以很大程度的降低，為國內類似工程的地基處理設計提供參考借鑒。

[1] 雷 斌，尚增第，宋明智.填石層潛孔錘全護筒跟管鉆孔灌注樁施工技術[J].施工技術，2013(6):89-91.

[2] 李 娟.某工程CFG復合地基設計[J].山西建筑，2012，38(8)：62-63.

[3] 建筑工程標準仕方書[S].

The design of P.R.D composite ground

Wang Kangle Ye Jun Liu Yang

(ChinaBuildingKoreaBranchCompany,Fushan612-726,Korea)

Taking P.R.D (Percussion Rotary Drilling)composite foundation of LCT comprehensive project in Haiyuntai of Korea as the background, the paper introduces the bearing mechanism of P.R.D composite foundation, and describes its specific design methods from aspects of design principles, design parameter selection and bearing capacity computation and so on, which has provided some guidance for similar domestic engineering foundation treatment.

P.R.D composite foundation, design, bearing capacity, computation

2014-12-12

王康樂(1989- )，男，助理工程師； 葉 軍(1962- )，男，高級工程師； 劉 洋(1986- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)06-0090-02

TU470

A