基于天津地區(qū)剛性樁復合地基方案研究

趙怡本 孫云文

（天津華北地質勘查局 天津 300170）

隨著天津城市建設的快速發(fā)展，大量建筑在建設中采用了多種地基處理方法，取得了巨大的社會經濟效益，同時也出現(xiàn)了不少問題，如一些建筑出現(xiàn)傾斜、裂縫等，造成不良后果。為了總結我市地基處理經驗教訓，為今后選擇安全可靠和經濟合理的地基處理方法，本文在收集天津市現(xiàn)有地基處理資料、建筑物沉降觀測資料及地基處理事故資料基礎上，結合現(xiàn)場試驗，對剛性樁復合地基處理方法的適宜性進行了研究。

1 概述

剛性樁復合地基是由人工制作的強度較高、樁土應力比較大（10）的樁體與樁間土產生摩擦力共同傳遞荷載的改性地基。研究成果及工程實踐表明，樁土應力比是影響其工作狀況和地基強度大小的重要因素。樁的強度低，整體性差時（如碎石樁等散體材料樁），樁土應力比就小，樁的作用不能充分發(fā)揮，土體主要是在對樁體的徑向約束情況下而與樁體共同受力，故柔性樁復合地基一般承載力較低，隨著樁身強度和樁土應力比不斷提高，應力向樁體集中，樁的作用逐漸得到充分發(fā)揮，土體的徑向被動土壓力不斷減小，逐漸與樁周相互作用產生摩擦力來傳遞荷載，樁間土產生變形，與樁土應力比的變化協(xié)調過程也在進行，樁端承載力發(fā)揮作用。即剛性樁復合地基可以較充分地發(fā)揮樁身由土體提供的承載力（側阻力與端阻力）。

天津地區(qū)對素混凝土灌注樁、鋼筋混凝土預制樁、預制管樁等多種樁型的剛性樁復合地基技術進行了系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應用,在多個場地進行了實驗研究，取得了較好的社會及經濟效益。本文僅列出其中一個場地素混凝土樁剛性樁復合地基現(xiàn)場試驗研究成果。

2 素混凝土樁復合地基現(xiàn)場試驗研究

2.1 試驗概況

素混凝土樁復合地基試驗選擇在天津市紅橋區(qū)某場地內進行。該場地各層土的物理力學性質指標見表1。在18號樓及25號樓場地上分別進行了3根單樁、3組1m2板地基土和1組2m2板單樁復合地基靜載荷試驗。

2.2 試驗結果與分析

單樁荷載沉降曲線如圖1所示，18號樓單樁最大加載為530kN,3根試樁的平均沉降7.16mm；25號樓單樁最大加載為530kN,3根試樁的平均沉降5.17mm。在荷載較小時，單樁荷載沉降基本呈線性關系；隨著荷載的增大，單樁荷載沉降呈現(xiàn)一定的非線性，其中18號樓相對較為明顯。

表1 地基土物理力學性質指標

地基土與單樁復合地基荷載沉降關系曲線如圖2所示。從圖2中可見,由于樁的作用，單樁復合地基的荷載沉降特性較地基土有明顯的改善，素混凝土樁與地基土形成復合地基共同承擔上部荷載。在荷載較小時，地基土與單樁復合地基荷載沉降均呈線性關系；隨著荷載的增大，荷載沉降呈現(xiàn)一定的非線性，其中地基土荷載沉降關系的非線性更加明顯，單樁復合地基荷載沉降關系相對比較“平緩”。

與進行過試驗得出的預制樁復合地基荷載沉降特性一致，相同沉降要求時，單樁復合地基承載力較天然地基有較大程度的提高；相同荷載作用下，單樁復合地基沉降較天然地基顯著減小。

圖2 地基土與單樁復合地基荷載沉降曲線

2.3 工程實例應用效果分析

某居住區(qū)18號樓采用剛性樁復合地基。該樓為六層磚混結構,采用條形基礎,復合地基承載力標準值要求170kPa,采用素混凝土樁復合地基，樁頂大沽標高3.8m,樁徑420mm,樁長8.0m，采用C20混凝土,樁頂以上鋪設300mm厚土石屑墊層。單樁豎向極限承載力標準值Quk為530kN。素混凝土樁的面積置換率m=4.6%,采用墻下單排形式布樁。采用樁土相互作用非線性沉降計算軟件驗算沉降,沉降計算值為65mm。本住宅樓于2000年5月竣工,建筑物實測沉降如圖3所示,竣工時實測的沉降及不均勻沉降較小,沉降30mm左右，推測18號樓和25號樓最終沉降平均值不會超過60.0mm,采用素混凝土樁剛性樁復合地基取得了較好地加固效果。

2.4 實驗研究的結論與建議

（1）根據現(xiàn)場實體試驗結果,采用剛性樁復合地基加固軟土地基可以大幅度提高承載力和減小相對變形,其加固效果隨單樁承載力的提高而提高。

圖3 建筑物實測沉降

（2）剛性樁復合地基樁土反力發(fā)展過程有“樁間土受力在先，樁受力滯后”的特點。

（3）剛性樁復合地基設計可借鑒一般豎向加固體復合地基設計方法進行,關鍵是在承載力設計的基礎上進行沉降驗算,采用樁土相互作用理論與方法進行沉降計算是可行與合理的。

（4）從實際工程沉降結果看,采用剛性樁復合地基的建筑物沉降及不均勻沉降均較小,取得了較好的加固效果。

3 剛性樁工程實例

（1）素混凝土樁復合地基設計實例1（處理古河道新近沉積層）。

天津市西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)某小區(qū)一期工程,共15棟6層住宅樓,采用磚混結構,大部分住宅樓坐落于古河道區(qū),新近沉積層最厚達6米左右，承載力低,局部夾淤泥質土。經多種地基基礎方案篩選，比較了1筏板基礎+素混凝土樁復合地基；2條形基礎+素混凝土樁復合地基；3沉管灌注樁＋梁式基礎三種地基基礎方案,最終選擇了筏板基礎+素混凝土樁復合地基方案。設計要求復合地基承載力標準值130kPa,建筑物最終沉降不超過10cm。設計素混凝土樁直徑420 mm，樁長10.5～12.0m，單樁極限承載力標準值650～700kN，置換率3.0%～3.5%。經檢測素混凝土樁復合地基滿足設計要求，建筑物竣工一年實測建筑物沉降最大值僅2.0～3.0cm,且較均勻。采用素混凝土樁復合地基處理古河道軟土地基取得成功。

（2）素混凝土樁(構造配筋沉管灌注樁)復合地基實例2。

塘沽濱海某住宅小區(qū)一期工程為18棟住宅樓,其中15棟樓為5躍6層,3棟樓為4躍5層,均采用磚混結構。場地淺部約2.0m以上為雜填土、素填土，埋深2.0～6.0m段為粘土、粉質粘土，承載力100 kPa，6.0～13.5m為厚層淤泥質粘土，以下為粘性土。與例1相同，亦經過了地基基礎多方案比較，最終采用了筏板基礎+素混凝土樁復合地基方案。設計要求5躍6層復合地基承載力標準值達到130kPa,4躍5層達到110kPa，要求建筑物最終沉降不大于10cm，預留了部分沉降量。素混凝土樁樁徑400 mm,單樁極限承載力均采用760kN，根據地質條件差異，5躍6層住宅樓設計樁長20.5m，置換率2.0%，4躍5層樁長21.0m，置換率1.5%。為保證在軟土中成樁質量，對素混凝土樁進行了構造配筋。為保證褥墊層有足夠的強度，采用碎石與石屑作為褥墊層，厚30cm。住宅樓竣工一年建筑物沉降5～6cm,較均勻。預計最終沉降一般在10cm左右，個別建筑可能達到15cm?？紤]預留部分沉降，建筑總體沉降稍大并不會影響建筑質量，本工程地基處理是成功的。區(qū)內未進行地基處理的4層建筑沉降達20cm。

本成功實例說明深厚軟土地基采用素混凝土樁復合地基（剛性樁復合地基）處理是可行的，同時亦可看出，在深厚軟土地基采用剛性樁復合地基(包括CFG樁復合地基)應特別慎重。本例基底下有近6米厚粘性土，土質強度較新港、保稅區(qū)、咸水沽、葛沽等地高，4～6層住宅采用剛性樁復合地基其沉降雖滿足要求，但相對市區(qū)已顯偏大。如基礎下6米厚粘性土換成淤泥質土、淤泥，推測建筑沉降將難以滿足要求。即厚層軟土的承載力利用價值、可挖掘的潛力不大，在長期荷載作用下，不高的附加壓力（小于承載力）即可產生較大的沉降，加之樁頂向褥墊層刺入，樁身承載力不一定充分發(fā)揮，剛性樁復合地基沉降較大且不安全是可能的，故在類似深厚軟土地區(qū)，荷載較大情況下是不宜采用剛性樁復合地基的。同理，亦不適于采用沉降控制樁基（包括減沉樁、疏樁等理論上充分發(fā)揮地基土承載力的樁基）。隨著質量可靠造價不高的鋼筋混凝土預制管樁的大量應用，近年來濱海地區(qū)已較少采用復合地基。

鋼筋混凝土預制樁在基底下埋深不大處有較好土層如粉土或砂性大粉質粘土，特別是有厚度2m以上粉土時，其地基處理造價不高，可與深層攪拌樁（目前已較少采用）造價持平。根據樁長4～8m、端面0.2m×0.2m鋼筋混凝土預制樁極限承載力試驗結果，樁端位于粉土中，樁長4～5m時其極限承載力可達200～300kN，樁長6～8m時其極限承載力可達350～450kN，較按規(guī)范查表樁側阻、端阻均取最大值還高，樁端位于粉質粘土中時，單樁承載力相對于樁端在粉土中時低，但仍比按規(guī)范查表得出的承載力高出20%～40%。6個場地，樁長6～16m，端面0.35m×0.35m的預制空心方樁載荷試驗亦表明，試驗值較按規(guī)范查表值高出30%～50%,表明進行極限承載力試驗對于充分發(fā)揮剛性樁較大的樁身承載力、降低地基處理造價具有積極作用。

4 剛性樁復合地基適宜性

剛性樁的特點是樁身強度高，能將豎向荷載沿樁身傳遞，側阻端阻均發(fā)揮作用。根據已完成的數(shù)百棟采用剛性樁復合地基的建筑成功經驗分析，剛性樁復合地基承載力特征值計算可按水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）公式計算，沉降計算可采用同濟樁土相互作用實用公式進行沉降計算，也可采用傳統(tǒng)分層總和法計算，兩種計算方法得到的結果相近，計算結果與實際沉降觀測結果出入也不大。鋼筋混凝土預制樁、管樁具有施工質量可靠、檢測簡便、施工周期短特點，應用越來越廣泛。素混凝土樁以及水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）雖造價較預制樁低，但存在施工質量控制難度大，特別是在軟土地區(qū)，在施工順序不當、樁布置較密情況下，很容易產生縮頸、斷樁等問題，處理起來麻煩。故在天津濱海軟土地區(qū)采用素混凝土樁以及水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）時應慎重，必須進行試驗，以確定設計及施工工藝參數(shù)。天津市采用所謂的水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁），絕大多數(shù)實際上采用的是素混凝土樁，采用CFG樁和素混凝土樁的建筑，其沉降量并無差別。采用剛性樁復合地基的6層住宅竣工多年后其最終沉降量一般在7～12厘米，滿足要求。剛性樁一般樁徑不大但單樁承載力較高，為充分發(fā)揮樁的作用、減少用樁量、減小建筑沉降，可在樁頂加設預制的樁帽。天津市采用剛性樁復合地基的建筑數(shù)百萬平方米，積累了較多的成功經驗，適宜推廣采用。

5 結論

⑴剛性樁復合地基較采用散體材料樁具有更好的技術經濟指標；

⑵剛性樁復合地基可以按國標中水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）公式計算承載力，可以按分層總和法或樁土相互作用法計算沉降；

⑶剛性樁復合地基適用于市區(qū)及西、北部等淺部沒有深厚軟土的地區(qū)。在開發(fā)區(qū)、保稅區(qū)、新港等有深厚軟土地區(qū)應用時應進行試驗，根據具體建筑物、地質條件，以及試驗結果綜合分析各項指標，確定其適宜性。