刚性桩复合地基设计探讨

刚性桩复合地基设计探讨

陈孝愿

安徽省通源环境节能股份有限公司安徽合肥230000

摘要：高层建筑工程中采用预应力混凝土管桩置换部分土体，形成由增强体和周围地基土共同承担荷载的刚性桩复合地基，该方法既能充分发挥桩和桩间土的承载性能，又能很好地协调地基的变形。文章简述了刚性桩复合地基面积置换率计算方法与地基承载力特征值计算桩身强度，最后分析了刚性桩复合地基设计要点。

关键词：复合地基；素混凝土刚性桩；地基处理

随着我国城市化进程的加快，有粘结强度的增强体（简称刚性桩）复合地基从20世纪80年代开始在工程中应用，代表性的刚性桩有水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）、素混凝土桩和预制管桩等，它具有承载力提高幅度大、地基变形小、地层适应性强等特点。在实际应用中，设计人员对刚性桩复合地基设计计算方面存在不同认知，容易引起不安全或不经济。

1、面积置换率的计算方法

JGJ79—2002《建筑地基处理技术规范》规定复合地基面积置换率的计算方式为：

式中：d为桩身直径；de为1根桩分担的地基处理面积的等效直径。

设计人员在计算复合地基面积置换率时，往往按照中桩分担的地基处理面积来计算。对于梁筏或平筏基础下满堂布桩的情况，一般桩数较多，按此方法计算误差较小，其计算结果作为设计依据是可行的。但对于独立基础下局部布桩的情况，由于单个基础对应的桩数较少，仍按此方法计算会造成较大的误差，正确的计算方法应为总桩身截面积除以基础面积，即：

2、桩身强度的确定

当基础埋置较浅或基础与地下车库相连，因深度修正对地基承载力提高的幅度较小，而直接采用复合地基承载力特征值作为设计依据时，桩身强度按式（3）计算：

式中：为桩体试块标准养护28d的立方体抗压强度标准值；λ为单桩承载力发挥系数；Ra为单桩竖向承载力特征值；Ap为桩的截面积。

当基础埋置较深，从而采用深度修正后的复合地基承载力特征值作为设计依据时，则桩身强度应按下式计算：

式中：为复合地基承载力特征值；为深度修正后的承载力特征值或实际使用值。

3、刚性桩复合地基设计要点分析

3.1持力层的选择

高层和大高层住宅基础采用复合地基时，增强体不应采用离散性较大的载体，宜采用桩身强度较高的刚性桩，桩端持力层宜选择硬塑，黏土层中密砂层，乃至更好的强风化岩层，密实砂层，但要注意对于这类低压缩性层桩端进入不宜过深。桩按端承摩擦桩设计，对控制高层建筑的沉降变形有好处。上述工程案例的桩端持力层分别选择为:全风化板岩和硬塑粉质黏土，地基承载力均大于200kPa，采用单节混凝土管桩复合地基后，地基承载力能达到400～450kPa，基本满足高层建筑基础设计所需的承载力。

3.2桩径比的选择

桩土应力比是在复合地基的受力过程中，桩顶的平均应力与桩间土的平均应力之比，即n=σp/σs，正常工作状态下，桩土应力比相对比较稳定。特征值荷载下桩间土承担的荷载均超过其承载力特征值，而桩的承载能力远未得到充分发挥。此时，桩、土承载力发挥系数的平均值分别为0．72和1．78，因此刚性桩复合地基宜采用小直径桩。在桩的荷载分担比一致条件下，桩的直径小、数量多，桩土共同性能发挥好于桩直径大、数量较少的情况[1]。

3.3褥垫层的设置

刚性桩复合地基与基础之间应设置垫层，它是刚性桩与基底土层形成复合地基共同工作的重要条件，在褥垫层内相对的位移可调整桩土荷载的桩土分担比。褥垫层厚度一般为100～300mm。桩土应力比值大时垫层厚度取小值，刚性桩抗压承载力、桩径、桩距大时取较大值，即褥垫层越厚，土分担的水平荷载越百分比越大，桩分担的水平荷载百分比越小。褥垫层宜选用中砂、粗砂级配良好的砂石、碎石、粒径不宜大于30mm，同时预应力管桩桩顶可采取设置混凝土桩帽或采用高于增强体强度等级的混凝土灌芯的技术措施，减少桩顶的刺入变形。

3.4经济技术分析

刚性桩复合地基的底板高要有一定的刚度以调节桩土之间应力分配，80～100m的高层建筑筏板，一般为1．3～1．5m，刚性桩复合地基桩基能够充分利用桩间土的作用，所需的桩体长度和桩径比桩基础要小，故桩的造价节省很多。

而当单桩承载力较高，桩可沿剪力墙下布置时，条形承台之间设防水板，此时，桩基础不一定比刚性桩复合地基造价高。当造价相近时，采用刚性桩复合地基和桩基础各有优势。复合地基的检测要求高，除了要载荷板试验因素，还必须做单桩静载试验，但其整体稳定性、抗倾覆性及桩基抗水平能力优于桩基础。同时，采用桩基础为获取较高的单桩承载力，需穿越一定厚度的中密或密实土层，施工可能需要引孔，出现断桩、挤土效应及施工周期增加。因此，基础设计应综合考虑相关因素。

3.5复合地基检测要点

复合地基的检测应注意以下几点:(1)因复合地基承载力理论计算有很强的地区性，施工前必须做复合地基载荷板试验和单桩静载试验，以确定复合地基承载力；(2)地质条件相近，桩型、直径、桩长和置换率相同的条件下，载荷板试验不少于3块，单桩竖向承载力静载试验不少于3根且不少于总桩数的1%；若一项目有多栋单体建筑，载荷板试验每栋不少于1块，总数不少于3块，单桩静载试桩不少于1根，并且总数不少于3根；(3)刚性桩复合地基质量验收检测，可抽取刚性桩进行单桩竖向静载试验，试验数量为总桩数的0．5%，且每个单体工程的试验数量不应少于3根[2]。

3.6基础沉降计算

复合地基的沉降控制是复合地基设计重点关注的问题。目前地基基础沉降验算仍是经验性的计算方法，按规范所做的沉降计算结果与实测资料差距很大，用不同的沉降计算方法，计算结果往往相差好几倍，这方面的工作有待研究改进，复合地基沉降验算可参照分层总合法计算，其中主要问题是复合地基压缩模取值，建议复合地基压缩模量，按文献［3］第7．1．9条确定，根据江苏地区大量的工程实测经验刚性桩复合地基实测沉降远远小于计算值。

4、结束语

混凝土刚性桩复合地基是最近几年新兴的一种地基处理方法，它通过桩身将上部荷载传入深部的硬土层，同时利用桩-土共同作用，使其复合地基承载力大幅提高，在外荷载作用下，桩周摩阻力得到充分发挥，端阻力随荷载作用的时间及桩侧阻力发挥的程度而逐渐增高。同时，桩顶褥垫层发挥排水、参与承载作用，使桩间土与桩身共同作用，逐渐形成复合地基。

参考文献

[1]马骏骐.软弱地基处理技术在钻前工程中的应用[J].建筑技术，2017，48（S1）：11–12.

[2]GB/T50783－2012复合地基技术规范［S］.

[3]JGJ79－2012建筑地基处理技术规范［S］.