雙樁型復(fù)合地基的計算方法及實例分析

劉 旸，楊 洋

(1. 天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300052；2. 天津天地源置業(yè)投資有限公司，天津 300100)

雙樁型復(fù)合地基的計算方法及實例分析

劉 旸1，楊 洋2

(1. 天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300052；2. 天津天地源置業(yè)投資有限公司，天津 300100)

基于某工程實例，闡述了采用樹根樁作為主控樁、水泥土攪拌樁作為輔樁，共同發(fā)揮作用的雙樁型復(fù)合地基承載力設(shè)計計算方法；通過經(jīng)濟(jì)分析表明，雙樁型復(fù)合地基在一定程度上具有更好的經(jīng)濟(jì)性和適用性；通過對該實例的分析，得出了一些建議性的結(jié)論，可供類似工程設(shè)計參考．

復(fù)合地基；多樁型；地基處理；抗浮

復(fù)合地基即部分土體被增強或被置換形成增強體，由增強體和周圍原狀地基土共同承擔(dān)荷載的地基形式，是目前在工程中應(yīng)用非常廣泛的人工地基．復(fù)合地基中的縱向增強體習(xí)慣上被稱作“樁”．相對于單一樁型復(fù)合地基而言，由兩種或兩種以上樁型組成的復(fù)合地基稱之為多樁型復(fù)合地基，并且將復(fù)合地基中分擔(dān)荷載比較高的樁型定義為主控樁，其余樁型為輔樁[1-2]．

1 雙樁型復(fù)合地基的應(yīng)用

對地基土要求較高或工況比較復(fù)雜的工程，多樁型復(fù)合地基可以充分發(fā)揮各樁型自身的特點，能取得地基處理指標(biāo)安全性和經(jīng)濟(jì)效益合理性的平衡．但出于施工難度、工程周期、綜合造價等因素的考慮，實際工程中一般多采用的是兩種樁型結(jié)合的復(fù)合地基．

對液化地基土，為消除地基液化，可采用振動沉管碎石樁或振沖碎石樁方案；但當(dāng)建筑物荷載較大而要求加固后的復(fù)合地基承載力較高，單一碎石樁復(fù)合地基方案不能滿足設(shè)計要求的承載力時，可采用碎石樁和剛性樁(如 CFG樁)組合的雙樁型復(fù)合地基方案．這種多樁型復(fù)合地基既能消除地基土液化影響，又可以得到較高的復(fù)合地基承載力．

對于地基土，有兩個以上土層可以作為樁端持力層．采用單一樁型時，在復(fù)合地基經(jīng)濟(jì)合理的樁距范圍內(nèi)，若樁端落在淺層土中，復(fù)合地基承載力不能滿足設(shè)計要求；若樁端落在深層土中，復(fù)合地基承載力又過高，偏于保守且造成浪費；此時可考慮將樁長分成兩類跳打，短樁樁端落在淺層土中，長樁樁端落在深層土中，形成單樁型長短樁復(fù)合地基．這樣，既保證了地基承載力滿足設(shè)計要求，又可以在不增加施工難度和工期的條件下節(jié)約工程造價．

采用剛性樁(如CFG樁)復(fù)合地基方案，有時會遇到基底樁間土土質(zhì)較差，而工程對樁群承載力和地基變形均勻性要求又較高，此時可用水泥土攪拌樁對樁間土進(jìn)行補強，以調(diào)整整個復(fù)合地基的承載力和變形的均勻性，由此形成多樁型復(fù)合地基[3-6]．

實際工程中，出于具體需要而采用的多樁型復(fù)合地基多種多樣，不同樁型之間的組合可以起到不同的效果．本文結(jié)合某工程實例，介紹樹根樁和水泥土攪拌樁組合用于大型鋼筋混凝土現(xiàn)澆水池地基處理的設(shè)計計算方法，以期在類似工程中得以借鑒．

2 基于工程實例的雙樁型復(fù)合地基計算方法分析

2.1 工程簡介

某污水處理廠項目中的氧化溝工程，平面尺寸113.7,m×39.35,m，池壁采用直立式擋水墻，底板均采用構(gòu)造底板，基礎(chǔ)埋深3.15～3.45,m．該水池抗震設(shè)防烈度為7度(0.15,g)，抗震設(shè)防類別為乙類；場地土類別為Ⅲ類，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級；設(shè)計抗浮地下埋深為0.6,m．

上部水池豎向標(biāo)準(zhǔn)組合荷載值經(jīng)計算，大致可歸并成兩種情況：①池壁擋水墻底板部分經(jīng)設(shè)計需要地基承載力為 85,kPa(滿水狀態(tài))，地下水浮力 28.5,kPa(空池狀態(tài))；②構(gòu)造底板部分經(jīng)設(shè)計需要地基承載力為 73,kPa(滿水狀態(tài))，地下水浮力 25.5,kPa(空池狀態(tài))．

該水池基礎(chǔ)底板位于原狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，底板以下巖土勘察報告對應(yīng)鉆孔揭示的土層及其工程力學(xué)指標(biāo)見表1．

表1 場區(qū)各土層工程力學(xué)指標(biāo)

2.2 地基基礎(chǔ)方案分析

由于該水池在空池時，扣除自重后存在較大的地下水浮力，池內(nèi)也較為空曠，采用自重或配重抗浮將導(dǎo)致現(xiàn)澆底板厚度大幅增加．在經(jīng)過相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較后，確定本水池采用抗拔樁抗?。忠驗樵撍氐装逦挥谟倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土層，該土層承載力低，不滿足設(shè)計對地基持力層的要求，且其厚度較大，全部換填既不經(jīng)濟(jì)又對抗拔樁存在不利影響，故考慮采用復(fù)合地基提高持力層承載力．

參考該工程所在地區(qū)各種樁基的使用情況、施工經(jīng)驗和綜合造價等因素，最終確定采用樹根樁作為主控樁、水泥土攪拌樁作為輔樁，由主控樁主要承擔(dān)地下水浮托力，由輔樁主要承擔(dān)豎向荷載的復(fù)合地基方案．

2.3 僅采用主控樁型的地基試算

2.3.1 滿水豎向承載工況

由于該水池上部荷載分布較均勻，荷載效應(yīng)作用點與樁群型心基本重合，偏心力可忽略不計，樁基可近似按照軸心豎向力作用下計算承載力．根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[7](GB50007—2002)及《建筑基樁技術(shù)規(guī)范》[8](JGJ94—2008)的相關(guān)規(guī)定，樹根樁單樁承載力特征值計算公式如下

考慮樁土共同作用的承臺效應(yīng)，樁數(shù)可按照下式計算

式中

Ra——單樁豎向承載力特征值；

uP——樁身斷面周長；

qsik——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

li——樁身穿越第i層土的厚度；

qPk——樁端所在土層的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

AP——樁身截面面積；

n——基樁數(shù)；

Qk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下單樁豎向力；

fak——基礎(chǔ)底面地基承載力特征值；

Ac——樁基承臺總凈面積；

ηc——樁基承臺效應(yīng)系數(shù)，取值詳見表2．

根據(jù)本工程巖土勘察報告的相關(guān)描述，取第⑤層粉質(zhì)黏土作為樁端持力層，設(shè)計樁徑為250,mm，樁長8.5,m，采用C25級混凝土，樁端進(jìn)入⑤層土1.1,m．按照式(1)計算出單樁豎向承載力特征值Ra＝109.4,kN.考慮樁土共同作用，依據(jù)式(2)計算得出：池壁擋水墻底板部分按照正方形布置的最小樁距為1.26,m；構(gòu)造底板部分按照正方形布置的最小樁距為1.38,m．

表2 樁基承臺效應(yīng)系數(shù)取值

2.3.2 空池抗浮工況

根據(jù)《建筑基樁技術(shù)規(guī)范》[8](JGJ94—2008)的相關(guān)規(guī)定，樹根樁的單樁抗拔承載力計算公式為

式中

Nk——按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計算的基樁抗拔力；

Tuk——群樁呈非整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

GP——基樁自重，地下水位以下取浮重度；

λi——樁身穿越第i層土的抗拔系數(shù)．

按照式(4)計算出的單樁極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ra＝133.4,kN，基樁自重GP＝10.4,kN；考慮1.05的抗浮安全系數(shù)，依據(jù)式(3)計算得出：滿足抗拔要求時，池壁擋水墻底板部分按照正方形布置的最小樁距為2.48,m；構(gòu)造底板部分按照正方形布置的最小樁距為2.14,m．

通過以上試算可以看出，由于樁間土層承載力低，同一計算部位的最小樁距均為豎向承載力工況控制，據(jù)此計算出該水池僅采用主控樁加固地基時，共需樹根樁2,298根．

2.4 雙樁型復(fù)合地基計算分析

從上述試算結(jié)果可以看出，基礎(chǔ)底面樁間土地基承載力較低，承臺效應(yīng)作用不明顯，大部分荷載均由主控樁基承受，導(dǎo)致工程量增加和工期延長．在這種情況下，采用雙樁型復(fù)合地基的方案，通過輔樁提高主控樁樁間土的承載力，以提高承臺效應(yīng)的作用．

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[7](GB50007—2002)及《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[9](JGJ79—2002)的相關(guān)規(guī)定，作為輔樁的水泥土攪拌樁，其單樁承載力特征值及復(fù)合地基承載力計算公式如下

式中

Ra——單樁豎向承載力特征值，取式(5)和式(6)中的較小值；

α——樁端天然地基土承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6(本工程取 0.5)；

η——樁身強度折減系數(shù)，可取 0.25～0.33(本工程取0.30)；

fcu——與攪拌樁樁身水泥土配比相同的試塊立方體抗壓強度平均值，具體試驗要求詳見文獻(xiàn)[9]；

fsPk——復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

m——面積置換率；

β——樁間土承載力折減系數(shù)，樁端為軟土?xí)r可取0.5～1.0(本工程取0.5)；

fsk——樁間天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

n——攪拌樁數(shù)；

A——加固地基面積．

本工程水泥土攪拌樁設(shè)計樁徑為 500,mm，樁長8.2,m(樁端與主控樁深度相同，樁頂考慮 300,mm 厚級配碎石褥墊層)，采用32.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為被加固濕土重的 15%，fcu工程實測值為1,500,kPa．依照式(5)、式(6)分別計算出Ra為213.7，88.3,kN，取兩者中的較小值，確定輔樁的單樁豎向承載力特征值為88.3,kN．

通過估算，當(dāng)主控樁樁間土承載力特征值提高到100,kPa(《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[10](第2版)中要求：100,kPa以下視為軟土，仍需處理；故設(shè)計此類工程時，均按照將土體承載力特征值提高到100,kPa計算)左右時，滿水豎向承載工況和空池抗浮工況分別計算出的主控樁樁距較為接近，這時可以最大限度地發(fā)揮主控樁的作用．因此，取輔樁加固后的復(fù)合地基承載力為 100,kPa進(jìn)行計算．通過對式(7)的推導(dǎo)，可以得出輔樁面積置換率的計算公式為

按照式(9)計算出的輔樁面積置換率 m＝0.157，再按照式(8)計算出按照正方形布置的輔樁最小樁距為1.2,m；而此時主控樁僅需按照抗浮工況計算，得出池壁擋水墻底板部分按照正方形布置的主控樁最小樁距為2.06,m，構(gòu)造底板部分按照正方形布置的主控樁最小樁距為2.14,m．

據(jù)此計算出該水池采用主控樁和輔樁共同加固地基時，只需樹根樁925根，水泥土攪拌樁2,875根．

2.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

通過上述計算，可以估算出僅采用主控樁型和采用雙樁型方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并進(jìn)行比較，具體指標(biāo)見表3．

經(jīng)比較可以看出，在達(dá)到同樣地基處理效果的前提下，采用兩種樁型復(fù)合的方案要比僅采用主控樁方案的造價節(jié)約 32萬元．而且由于鉆孔灌注樁數(shù)量的大幅減少，在投入施工機(jī)具和人力相近的情況下，采用雙樁型復(fù)合方案可以有效地節(jié)約工期，取得更好的效益．

表3 復(fù)合地基方案及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

3 結(jié) 語

從工程造價、施工周期和工程實用等角度出發(fā)，多樁型復(fù)合地基處理方案相比傳統(tǒng)的單樁型復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)，在一定程度上具有較強的優(yōu)勢．隨著近年來相關(guān)施工工藝的優(yōu)化和設(shè)計計算理論的完善，多樁型復(fù)合地基已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用到工程實踐中，并且取得了良好的效果．但是由于各種復(fù)合地基處理方法的作用機(jī)理和自身特性均存在差異，在進(jìn)一步認(rèn)識多樁型復(fù)合地基承載力和變形特性的過程中，除了研究機(jī)理之外，尚需要積累更多的工程實踐經(jīng)驗．

［1］朱常志，王士杰，周瑞林，等．多樁型復(fù)合地基承載力計算方法研究[J]. 工程勘察，2006(10)：22-23,71．

［2］閆明禮，王明山，閆雪峰，等．多樁型復(fù)合地基設(shè)計計算方法探討[J]. 巖土工程學(xué)報，2003(6)：352-355.

［3］牛志榮，李 宏. 復(fù)合地基處理及工程實例[M]. 北京：中國建材工業(yè)出版社，2000．

［4］王士杰，何滿潮，周瑞林，等．多樁型復(fù)合地基試驗研究[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，29(5)：118-122．

［5］陳 磊，閆明禮. 組合樁復(fù)合地基在工程中的應(yīng)用[J].工程勘察，1999(1)：24-26.

［6］馬 驥，張東剛. 長短樁復(fù)合地基設(shè)計計算[J]. 巖土工程技術(shù)，2001(2)：86-91．

［7］GB50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

［8］JGJ94—2008，建筑基樁技術(shù)規(guī)范[S].

［9］JGJ79—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

［10］給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊編委會．給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M]. 2版． 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007．

Calculation Methods and Example Analysis of Composite Piled Foundation

LIU Yang1，YANG Yang2
(1. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin 300052，China；2. Tianjin Tande Property Establishment Investment Co.，Ltd.，Tianjin 300100，China）

Based on a project example，this paper shows the design of the composite piled foundation and the calculation methods of the bearing capacity of the foundation with tree root as the master pile and the cement-soil pile as auxiliary pile.And then through the economic analysis the paper shows that the composite piled foundation to some extent has better economic efficiency and applicability. Finally，through the example analysis the paper draws some constructive conclusions，thus providing reference for engineering designers.

composite foundation；multi-pile type；foundation treatment；anti-uplift

TU470.3

A

1006-6853(2011)02-0105-04

2010-11-22；

2010-12-30

劉 旸（1979—），女，天津人，天津市市政工程設(shè)計研究院工程師．