淺析剛性長短樁復合地基在高層建筑中的工程應用

楊文崗

(中石化西南石油地質勘察工程有限公司,四川綿陽 621000)

淺析剛性長短樁復合地基在高層建筑中的工程應用

楊文崗

(中石化西南石油地質勘察工程有限公司,四川綿陽 621000)

本文重點介紹了剛性長短樁復合地基的基本理論,對目前長短樁復合地基承載力和變形的計算方法進行了初步探討,并結合工程實例分析,能充分調動樁間土參與工作并在豎向方向上的剛度變化與附加荷載的變化趨勢相同的剛性長短樁復合地基,因其高承載力、經濟性和施工周期的優勢,已在高層建筑地基處理中得到逐步應用。

剛性長短樁復合地基 承載力 沉降 工程實例

隨著對復合地基理論認識的提高以及實踐經驗的積累，學術界提出了由兩種不同類型(或同種類型而長度差別較大)的樁與土組成的三元組合型復合基礎理論。多樁型復合地基是采用兩種及兩種以上不同材料增強體，或采用同一材料、不同長度增強體加固形成的復合地基，可達到比單一工法節省工程造價，縮短工期，提高地基承載力，減少復合地基的變形或消除地基液化、地基土濕陷性等不良工程問題，目前已在建筑物的地基處理中得以應用，并取得了較好的社會效益和經濟效益。隨著施工技術、工藝的進步和地基處理實踐經驗的不斷積累，使把剛性長短樁復合地基應用于高層建筑中成為可能。

1 剛性長短樁復合地基及其工作機理

圖1 長短樁復合地基作用機理示意圖

長短樁復合地基按照樁體材料性質的不同可以分為：散體樁復合地基、柔性樁復合地基和剛性樁復合地基[1]。散體樁復合地基，樁身材料沒有粘結強度，樁體的極限承載力主要取決于樁側土體所能提供的最大側阻力，即承載力主要靠樁周土約束的側向變形提供，一般情況下被處理的地基土抵抗變形的能力小，對樁的約束力也很小，因此隨著荷載的增加，樁的側向變形也逐點增大，地基將發生較大的沉降。柔性樁復合地基中的樁體雖有粘結強度，但樁體強度不高，這些不利因素使柔性樁復合地基的強度也受到限制。剛性樁復合地基中的加強樁體強度高，剛性樁中的荷載沿樁身全長傳遞到更深的土層，這成為高強復合地基及大大提高承載力的關鍵，同時剛與柔及長與短的不同樁型的有機組合是經濟性得到優化。

剛性長短樁復合地基相對于等長樁復合地基，由于長短樁體的間隔布置，使得復合地基樁端受力由“面”變成“層”，增加了樁體與軟弱下臥層的接觸面積，分散了樁底應力作用。充分發揮了土體的“拱形”效應；同時，在短樁以下加固區域的同一水平面上，樁體間距相對增大，有利于發揮土體的承載力。剛性長短樁復合地基很好的克服了利用常規理論設計弊端，充分利用樁間土的承載力，有效的控制了地基沉降，減少了施工成本和縮短施工周期。

剛性長短樁復合地基[3]中，因長樁和短樁的間隔設置，在復合地基中形成三個不同作用的工作區域，即以提高承載力為主的長、短樁聯合工作區(1區)、以減少沉降為目的的長樁工作區(2區)、承受樁體荷載的持力層(3區)、三區共同作用，以提高淺層地基承載力、減少地基沉降、形成良好的長短樁復合地基。其作用機理如圖1所示。

長短樁復合地基中，長樁的主要作用是提高承載力、控制整體沉降量。它將荷載通過樁身向地基深處傳遞，減少壓縮層變形，以此來控制建筑物的沉降，很好的避免了常規樁型設計的一些缺陷，也更符合外荷作用下的地基應力場和位移場的特性。同時對柔性樁起到“護樁”作用，并與短樁一起擬制地基周圍土體的隆起，在1區深度范圍內，樁體間將具有較明顯的“挾持”和“遮擋”效應。樁間土體和樁體共同沉降；而在2區的長樁，由于土體和樁體不能同時沉降，其樁尖對樁端土體有相當的刺入量。長樁多采用剛性樁，如素混凝土樁、管樁等。而短樁主要是對上部土體進行處理，減少淺部的應力集中并促使應力向下傳遞，提高承載力，加固樁間土，增強樁體的摩擦力，消除上部土體引起的不均勻沉降，短樁可采用柔性樁或剛性樁。

表1 地基土物理力學指標

根據變剛度協調原理[4]，由于上部荷載的的附加應力隨著深度的增加因應力擴散而減小，需要的樁土剛度相應也減少。這樣剛性長樁和短樁組成的復合地基的剛度隨深度增加而降低的分布模式符合附加應力在地基中對土剛度的要求，所以剛性長短樁復合地基不僅能夠充分發揮樁體的承載能力，同時能積極調動樁間土不同深度的土體共同參與工作。這是該種復合地基承載能力顯著提高，成為高強度復合地基，同時經濟性也具有優勢，是應用于高層建筑的原因所在。

2 剛性長短樁復合地基設計

目前，工程中對單一樁型復合地基的設計計算方法相對比較成熟，但對如何計算兩種及兩種以上樁型的多樁型復合地基承載力和變形還處于研究階段，筆者試圖通過本文對剛性長短樁復合地基承載力和變形計算進行初步探索。

2.1 復合地基承載力計算方法

剛性長短樁復合地基的承載力主要取決于天然地基土及各類樁體的承載力工程特性(置換率及樁、土的強度和剛度)。具體方法目前分為面積加權法和間接疊加法；根據工程試驗對比，兩種方法計算結果基本一致。

2.1.1 面積加權法

剛性長短樁復合地基承載力的計算思路、途徑與單一樁的復合地基基本一直，根據《建筑低級處理技術規范》(JGJ79-2012)。利用面積加權原理可導出剛性長短樁復合地基承載力的計算公式為：

式中：m1、m2分別為樁1、樁2的面積置換率；λ1、λ2分別為樁1、樁2的單樁承載力發揮系數；Ra1、Ra2分別為樁1、樁2的單樁承載力特征值(KN)；Ap1、Ap2分別為樁1、樁2的截面面積(m2)；β樁間土承載力發揮系數；無地區經驗時可取0.9～1.0；fsk處理后復合地基樁間土承載力特征值(kPa)。

2.1.2 間接疊加法

參照等長樁復合地基承載力計算的方法，計算長短樁復合地基的承載力，將短樁與樁間土組成的復合地基視為長樁復合地基的“樁間土”，通過兩次復合計算長短樁復合地基的承載力[5]。

式中：fsp，k1為長短樁復合地基承載力特征值，(kPa)；fsp，k2為短樁復合地基承載力特征值，(kPa)；α1、α2為樁間土承載力提高系數；fak為天然地基承載力特征值，(kPa)。

2.2 復合地基變形計算方法

長短樁復合地基變形計算在理論上可將復合地基的變形分為復合土層變形與下臥層變形，分別計算后相加得到。變形計算采用復合模量法，計算時采用的復合土層分層除與天然地基相同外，剛性長、短樁樁端位置也要作為復合土層分層邊界，從而將加固區分為1、2兩部分(見圖1)。復合土層和下臥層土體內的應力分布采用各向同性均質的直線變形體理論，復合地基最終變形量可按下式計算：

式中：n1、n2分別為加固區1、2范圍土層分層數；3n沉降計算深度范圍內土層總的分層數；p0為相應于作用的準永久組合時的基礎底面處的附加壓力，(kPa)；siE 基礎底面的第i層土的壓縮模量，(MPa)； Zi、 Zi-1基礎底面至第i層、第i-1層土底面的距離，(m)；、 αi-1基礎底面計算點第i層、第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數；ζ1、ζ2分別為加固區1、2土層壓縮模量提高系數(沉降計算修正系數。

3 工程實例

某工程[6]高層住宅為地下2層地上33層的剪力墻結構，群樓采用框架結構，筏形基礎，基礎埋深-7.2m。基底以下地基土工程地質情況如表1所示。考慮場地巖土工程地質條件、周圍環境、施工工藝，經過方案論證，本工程采用剛性長短樁復合地基方案：短樁采用直徑500mm泥漿護壁素混凝土鉆孔灌注樁，有效樁長12.00m，以細砂5層作為樁端持力層，樁身混凝土強度等級C25；長樁采用直徑400mm的水泥粉煤灰碎石樁，有效樁長16.5m，以細砂7層作為樁端持力層，混合料強度等級C25；采用正方形布樁，樁間距1.25m；設計要求處理后的復合地基承載力特征值fak=480kPa。

復合地基承載力驗算：

根據現場單樁靜載荷試驗結果：R1=690KN(長樁)， R2=600KN(短樁)。從已知條件分析可得： AP1=0.1256m2、 AP2=0.20m2；λ1=λ2=0.9； β=1.0； α1= α2=1.0； m1=0.04， m2=0.064；fsk=fak=180 kPa (第1層粉土)。

(1)按面積加權法計算復合地基承載力特征值fspk=536.17 kPa。

(2)將天然地基與短樁組成的復合地基視為長樁復合地基的“樁間土”等效樁間土承載力特征值fsp，k2=341.28kPa；長短樁復合地基承載力特征值fsp，k1=525.40kpa。

根據以上兩種方法計算的長短樁復合地基承載力特征值在不做深度修正情況下皆滿足設計要求。

復合地基變形驗算：

復合地基沉降計算深度，按《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011的方法確定，本工程計算深度59.8m，按照本文復合地基沉降的計算方法，長短樁復合地基沉降量預測值為37.08mm，變形滿足實際要求。

該樓主體結構封頂時的復合土層沉降量約為12mm～15mm，該建筑已投如使用。根據工程所在地區的一般結構封頂時的沉降量已完成最終沉降量的50%～60%，據此結果推算最終沉降量應為20mm～30mm，小于沉降預測值37.08mm。

4 結語

我國長短樁復合地基處理技術的新進展，從傳統的樁基礎到長短樁復合地基的運用，體現了我國樁基礎處理地基的能力和水平的提高。隨著技術進步和對地基處理要求的提高，地基處理方法趨向多樣性。復合地基設計不僅是根據承載力和變形確定設計參數，而且在設計時必須綜合考慮建筑物對變形的適應能力地基土的特點及施工等諸多因素。根據場地巖土工程地質條件采用剛性長短樁復合地基處理高層建筑地基方案并選擇合理的施工工藝是一種經濟有效的地基處理方法，值得研究和推廣。

[1]龔曉南.復合地基理論與工程應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[2]馬驥,張東剛.樁體復合地基設計計算[J].巖土工程技術2001,(2): 81-96.

[3]陳祥福,徐至鈞.變剛度群樁設計原理與工程應用[M].北京:科學出版社,2011.

[4]錢波,蔡建明,余闖,劉慶華.長短樁復合地基承載力計算新方法[J].低溫建筑技術,2009,(12):91-93.

[5]建筑地基處理技術規范(JGJ79-2012)[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.