分析與對比某高層住宅建筑樁基礎和剛性樁復合地基設計方案

周衛星

摘 要：本文主要探討對比了河南省某高層住宅建筑樁基礎方案和剛性樁復合地基方案的設計。針對場地地質情況，對首先采用的樁筏基礎方案進行分析。因建設方工期緊張，經過研究決定，改為采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復合地基處理方案。文末對樁筏基礎方案和水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復合地基方案的工程量進行了簡單的對比，以供參考。

關鍵詞：樁基礎;復合地基;水泥粉煤灰碎石樁

中圖分類號：TU473 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）27-0063-03

Abstract： This article mainly discusses and compares the design of the pile foundation scheme and rigid pile composite foundation scheme of a high-rise residential building in Henan Province. According to the geological conditions of the site， firstly， the pile raft foundation scheme adopted is designed and analyzed; Later， due to the tight schedule of the construction party， after research， it was decided to adopt the Cement Fly-ash Gravel Pile （CFG pile） composite foundation treatment plan. At the end of the article， a simple comparison is made between the pile raft foundation scheme and the Cement Fly-ash Gravel pile （CFG pile） composite foundation scheme for reference.

Keywords：pile foundation; composite foundation; Cement Fly-ash Gravel pile

近年來我國城市化進程大大加快，民用住宅建筑市場發展迅速，與此同時對建筑物地基基礎提出了更高的要求。加之我國地域遼闊，山川河流廣布，地質情況復雜多變，建筑物地基基礎的樣式種類就需要因地制宜，因此對建筑物地基基礎的分析探究顯得十分重要。樁基礎是一種古老的基礎形式，經過長期發展已經成為一種很成熟的基礎形式。隨著城市用地越來越緊張，促使了更多地基處理方法的誕生，其中水泥粉煤灰碎石樁復合地基是建設部中國建筑科學研究院在“八五”期間重點攻關項目。這種地基形式優先在北京地區經過了大量工程實踐，結果證明，在保證成樁質量前提下，可以有效提高地基的承載力，滿足工程需要。對兩種方案的分析和對比，有助于在保證安全需求的前提下，選擇造價更為經濟，施工周期更短的建筑地基基礎方案。

樁基礎和復合地基的組成及工作原理有較大的不同。樁基礎是由設置于巖土中的樁和連接于樁頂端的承臺組成的基礎。承臺把若干根樁的頂部聯結成整體，來共同承受荷載。樁的截面一般遠小于其長度，樁具有一定的剛度和抗彎能力，可以很好地將荷載傳至地下深處承載力較高的土層，從而滿足承載力和沉降的要求。天然地基處理時部分土體被增強或被替換，而形成的由地基土和增強體共同承擔荷載的人工地基。水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復合地基是將碎石、粉煤灰和少量水泥，加水拌和，用振動沉管打樁機或長螺旋管內泵壓成樁機具制成的一種具有一定黏結強度的樁，樁和樁間土通過褥墊層形成復合地基，共同承擔上部荷載。下面我們可以對實際工程進行兩種地基基礎形式的設計，并進行對比。

1 某高層建筑樁基礎設計和剛性樁復合地基設計

1.1 工程概況

本項目位于河南省平頂山市寶豐縣，建設用地面積51 521 ㎡，總建筑面積158 806 ㎡。擬建高層住宅11棟及地下車庫、商業、幼兒園。地下車庫一層，層高3.6 m，其中11#、12#住宅樓為27層住宅樓，層高2.9 m，地下一層。

整個工程建筑結構安全等級為二級;結構設計使用年限50年;抗震設防烈度為6度;結構抗震設防類別：幼兒園為重點設防類，其余均為標準設防類，基礎設計等級為甲級。

1.2 工程地質概況

擬建場地地勢較平坦，最大高程123.58 m，最小標高為122.18 m，相對高差最大約1.40 m;地貌單元屬山前沖洪積平原和河流沖積相交匯處。根據鉆探結果及區域地質資料，場地地層主要有①雜填土（Q4pd）、②粉質黏土（Q4al+pl）、③含礫粉質黏土（Q4al+pl）、④黏土（Q2al+pl）、⑤含粉質黏土細砂（Q2al+pl）、⑥鈣質膠結層（Q2al+pl）、⑦含砂姜黏土（Q2al+pl）、⑧黏土（Q2al+pl）。主要土層工程特性如下，第①層（耕土）： 分布地表，厚度小，結構松散，嚴禁做基礎持力層。第②層（粉質黏土）：分布普遍，厚度均勻，層位穩定，為中壓縮性土，對本工程擬建的商業而言，為良好的基礎持力層。第③層（含礫粉質黏土）：分布較普遍，層位不穩定，為中壓縮性，工程性質較好。第④層（黏土）：該層分布普遍，層位穩定，硬塑，中壓縮性，為良好的基礎持力層及下臥層。第⑤層（含粉質黏土細砂）：中密，成分以石英、長石為主，含少量黏土：該層分布普遍，層位不穩定，為中壓縮性土，為良好的下臥層。第⑥層 （鈣質膠結層）：主要礦物成分為碳酸鈣，上部膠結呈整塊狀，下部局部為半膠結狀，下部局部為半膠結狀，排列無規則，該層強度高，但對樁基施工會造成困難。第⑦層（含砂、姜黏土）：硬塑，含砂及鈣質結核，含量分布不均。砂以中粗砂為主，局部呈層;鈣質結核局部膠結呈塊狀。該層在場地內分布普遍，層位不穩定。其下地基土為厚層黏土，強度高，厚度大，為良好下臥層。各巖土設計參數詳見表1。

1.3 11#住宅樓樁基礎設計

1.3.1 樁基礎設計參數選取。11#住宅樓為場地內最高的住宅建筑，±0.000以上總高78.3 m，剪力墻結構，采用中國建筑科學研究院編制的PKPM系列軟件（10版V4.3.4版本）SATWE、JCCAD板塊對11#住宅樓進行計算分析，若采用天然地基2 m厚筏板基礎，11#住宅樓基底壓力平均值Pk為460 kPa。基礎埋深為6.55 m，基礎持力層為③、④、⑤層，根據表1數據，采用天然地基筏板時地基土強度均不能滿足建筑物上部荷載的要求。結合場地周圍環境條件及地質條件擬采用泥漿護壁沖孔灌注樁，樁基設計參數如表2所示。

1.3.2 樁基礎設計計算。以當地最常用樁徑0.6 m正方形布孔的沖孔灌注樁進行計算，樁最小中心間距按照3倍樁徑1.8 m考慮，單樁承擔的面積3.24 ㎡，樁基單樁頂豎向力1 490.4 kN。樁基持力層選第⑧層黏土層，進入持力層深度2 m。按土層地質情況最差的鉆孔ZK3依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）[1]給出的土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系，確定單樁豎向極限承載力標準值：

因此，樁身最小樁長為1.7+3.3+3.9+7.4+2=18.3m，取18.5m。依據文獻[1]確定單樁豎向承載力特征值：

單樁豎向承載力特征值取值1 650 kN，按照樁徑0.6 m樁中心間距1.8 m布樁，采用中國建筑科學研究院編制的PKPM系列軟件（10版V4.3.4版本）JCCAD板塊對11#住宅樓樁基礎進行計算分析，荷載效應標準組合下基樁最大豎向力NKmax為1 720 kN，小于1.2 Ra。地震作用效應標準組合下樁基礎也能滿足承載力要求。樁身混凝土強度為C30，其樁身強度能滿足要求。

1.4 11#住宅樓剛性樁復合地基設計

1.4.1 水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復合地基設計參數選取。根據本場地工程地質條件，尤其是場地內發育厚層鈣質膠結層，呈半成巖狀態，按常規做法，水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）成樁困難，但建設單位急需趕工期，經過和樁基施工單位的共同研究，采用改善型打樁機樁頭，可有效解決鈣質膠結層不易鉆孔的情況，因此11#住宅樓欲采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁），不再采用樁筏基礎形式。地基勘察單位提供的復合地基設計參數如表3所示。

1.4.2 水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復合地基設計計算。依據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012備案號J220—2012）[2]，對于有黏結強度增強體復合地基，確定復合地基承載力特征值：

其中，m為面積置換率，m= d2/ de2;d為樁身平均直徑，de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑;正三角形布樁de=1.05 s，正方形布樁de=1.13 s，s為樁中心間距。不同樁徑和樁布置方式下的面積置換率如表4所示。

經過之前的計算分析，未經修正的復合地基承載力特征值fspk需要460 kPa。按照最不利情況考慮，現場地地基原有承載力特征值fsk取180 kPa，式（3）經過推導可得所需單樁豎向承載力特征值：

按照地勘資料提供數據，單樁承載力發揮系數λ取0.9，樁間土承載力發揮系數β取0.9，經過計算，若達到所需承載力，不同樁徑和樁間距所需單樁承載力特征值如表5所示。

經過與樁基施工單位溝通，結合當地經驗，現場擬采用樁徑0.5 mCFG樁，樁中心間距2 m，正三角形布置。單樁承載力特征值需達到1 181.58 kN。樁基礎持力層選第⑦層，入層深度3.5 m，按土層地質情況最差的鉆孔ZK3計算，依據文獻[2]確定復合地基增強體單樁承載力特征值：

因此，樁身最小樁長為1.7+3.3+3.9+3.5=12.4 m，取12.5 m。單樁豎向承載力特征值取值12 00 kN，滿足承載力要求。復合地基樁身強度經核算，也滿足承載力要求。經過復核基礎最大沉降量在40 mm以內，滿足《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）[3]規定的建筑物地基變形允許值。

2 樁基礎方案和水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復合地基方案對比

按照樁基礎設計，11#住宅樓共需要樁303根，樁累計長度達5 605.5 m，混凝土用量約1 584 m?，需要鋼筋約110 t;按照修改后的水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復合地基方案，11#住宅樓共需要樁439根（不包括場地外試樁），樁累計長度5 487.5 m，估算混凝土用量在1 050 m?左右。

3 結語

水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）是復合地基的代表，與樁基礎相比CFG樁不配鋼筋，可以省去鋼筋加工環節，節省時間和人力。樁體利用工業廢料粉煤灰作為摻合料，大大降低了工程造價，此建筑地基處理方案獲得了建設方的認可。但當地采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復合地基的工程不是很多，主要考慮當地土質情況，擔心鉆孔難度較大，難以保證成孔質量，本項目采用了改善型樁頭的打樁機進行施工，有效解決了這一問題。經過此次方案設計，對比了兩種方案的造價和施工工期，對當地類似工程具有一定參考價值。

參考文獻：

[1] 建筑樁基技術規范JGJ 94—2008[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2] 建筑地基處理技術規范JGJ 79—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[3] 建筑地基基礎設計規范GB 5007—2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.