剛性樁復(fù)合地基設(shè)計和施工要點

梁棟

摘要：結(jié)合工程實踐，在闡述剛性樁復(fù)合地基受力機理的基礎(chǔ)上，對其設(shè)計中樁型的選擇及與柔性樁復(fù)合地基的綜合應(yīng)用、承載力與變形的計算及逆作施工樁基在復(fù)合地基施工中的應(yīng)用等問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：剛性樁；復(fù)合地基；設(shè)計；施工

1概述

軟土地區(qū)建造多層及高層建筑，采用天然地基通常難以同時滿足承載力與變形的雙重要求。一般采用造價較高的樁基礎(chǔ)，盡管樁基礎(chǔ)具有承載能力高、應(yīng)力傳遞路徑明確、地基變形小的優(yōu)點，但其浪費整個或絕大部分天然地基承載力的缺點也是工程設(shè)計人員所不愿意看到的。這樣，復(fù)合地基應(yīng)用的現(xiàn)實性和合理性就凸現(xiàn)出來，其主要優(yōu)點有：

1）充分利用土的天然承載作用，樁土共同受力，提高地基承載力和減少沉降。

2）充分利用由于地下空間建筑地下室、基坑開挖卸荷建造建筑物對地基土的應(yīng)力補償作用。

3）保護(hù)樁身的穩(wěn)定，并進(jìn)一步固結(jié)軟弱土層；防止樁頂與底板脫開，避免負(fù)摩擦力。

4）充分利用原有的土層結(jié)構(gòu)條件，靈活、合理地選擇樁端持力層。

5）經(jīng)濟、合理地降低造價。近年來，復(fù)合地基日益在巖土工程設(shè)計、施工中得到廣泛應(yīng)用和推廣，對于多層建筑，則廣泛地采用散體材料樁（碎石樁、砂樁等）、柔性樁（灰土樁、石灰樁、水泥土樁等）復(fù)合地基處理軟土地基，取得了滿意的效果，積累了豐富的設(shè)計、施工經(jīng)驗，特別是對柔性樁復(fù)合地基的研究有了比較成熟的設(shè)計計算及理論分析方法。但是由于散體材料樁、柔性樁復(fù)合地基對地基承載力的提高幅度有限，難以滿足亞高層及高層建筑對承載力及變形的要求。 而剛性樁復(fù)合地基具有承載力提高幅度可調(diào)范圍大、變形模量高、樁體質(zhì)量及耐久性有保障等優(yōu)點，故可用于亞高層及高層建筑。本文擬通過對剛性樁復(fù)合地基承載機理、設(shè)計計算及施工中一些問題的探討為設(shè)計和進(jìn)一步研究提供借鑒和參考。

2剛性樁復(fù)合地基受力機理的基本闡述

樁體復(fù)合地基是在天然地基中置入豎向加筋體共同承受上部荷載并協(xié)調(diào)變形的人工地基。除散體材料樁如碎石樁、砂樁外，樁體復(fù)合地基根據(jù)增強體的性質(zhì)又可分為柔性樁復(fù)合地基和剛性樁復(fù)合地基。對于樁體剛性和柔性的區(qū)分，國內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的定量的公式或結(jié)論。但是由于樁體剛性和柔性的差異所形成的復(fù)合地基的承載特性、荷載傳遞的深度、擴散的范圍等方面的差異已得到巖土工程界的普遍認(rèn)同。剛性樁復(fù)合地基的樁體通常是以水泥為主要膠結(jié)材料，如低標(biāo)號混凝土樁、水泥砂漿壓力灌漿形成的樹根樁、高壓旋噴樁等，具有較高的強度，其強度等級一般在10-20MPa，初始受荷時，樁身上部產(chǎn)生垂直應(yīng)力和彈性變形，并沿樁身向下部傳遞，在樁側(cè)四周逐步產(chǎn)生摩阻力，但是由于樁間軟弱土從初始狀態(tài)也開始受荷并產(chǎn)生壓縮固結(jié)變形，同時由于樁體強度較高，樁體自身的壓縮量小，在樁身上部樁身與周圍土體的相對位移較小，因而其自身垂直應(yīng)力下移的傳遞過程非常迅速，樁側(cè)摩阻力基本上是自下而上產(chǎn)生的。

通過分析可以看出，在加載初期樁頂及樁間土應(yīng)力隨著荷載的增大而增大，但二者應(yīng)力相差不大，而從總體來說，地基土分擔(dān)的荷載比例較大。隨著施工進(jìn)程的發(fā)展，上部荷載增大，由于樁與樁間土壓縮模量的差異且樁間土的壓縮固結(jié)變形的增大，荷載逐漸向樁上轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)應(yīng)力向樁上集中的過程，樁頂應(yīng)力急劇增大，而樁間土上的壓力增長幅度較小。隨著荷載的進(jìn)一步增大，樁端附近產(chǎn)生塑性區(qū)并使樁對下臥層（或墊層）產(chǎn)生塑性刺入變形，從而使樁頂上的應(yīng)力趨于穩(wěn)定。隨著時間的發(fā)展及樁間土的進(jìn)一步固結(jié)，基底反力在樁土之間繼續(xù)作一定的調(diào)整。在該工程設(shè)計中由于樁的承載力的安全系數(shù)較高，因而基本上沒有反映增加荷載主要由土體來承擔(dān)的過程段。筆者認(rèn)為，對應(yīng)于有限元計算的結(jié)果而言，如果上部荷載繼續(xù)增加，則伴隨著樁的刺入變形的發(fā)展，增加的荷載主要由樁間土承擔(dān)，并且樁上的荷載也有部分向樁間土上轉(zhuǎn)移，從而使樁土應(yīng)力比有減小的趨勢。上述過程同時也反映了樁基與復(fù)合地基的主要區(qū)別：即樁基是由樁來承擔(dān)和傳遞上部荷載，而復(fù)合地基是由樁和樁間土共同承載。

3樁型的選擇及其與柔性樁復(fù)合地基的綜合應(yīng)用

對于不同的土層結(jié)構(gòu)以及具體性質(zhì)不同的軟弱土層，樁型的選擇及其與柔性樁復(fù)合地基的綜合應(yīng)用也是設(shè)計人員進(jìn)行概念設(shè)計的重要內(nèi)容。就各種復(fù)合地基而言，碎石等散體材料形成的復(fù)合地基如前所述不僅其承載力提高幅度極為有限，而且其一般也僅適用于淤泥質(zhì)粉土、可塑的粘土等類型的軟弱土層，而對于處于流塑或軟塑狀態(tài)的軟土而言，因其在施工過程中要么不能成樁，要么能夠成樁但局部有擠斷、擠歪等現(xiàn)象，同時其在承載過程中固結(jié)歷時長，淤泥易進(jìn)人散體材料中間，這些因素都影響了散體材料樁復(fù)合地基的處理效果。

4復(fù)合地基承載力公式分析

復(fù)合地基承載力的確定，比較可靠的方法是采用單樁或多樁復(fù)合地基原位載荷試驗如果所采用的樁型為擠土樁，如沉管灌注樁，則在成樁的過程中鄰樁在界面處易被擠斷；而如果軟弱土層較為深厚，即使樁身的強度較高，也會在土中形成歪樁，這樣不僅得不到設(shè)計需要的承載力，而且樁的同向偏斜易造成建筑物的不均勻沉降，這樣的工程教訓(xùn)已為數(shù)不少。有鑒于此，提出剛性樁和柔性樁復(fù)合地基的綜合應(yīng)用。

5 剛性樁復(fù)合地基的變形計算

對于剛性樁復(fù)合地基的變形計算，鑒于其受力的復(fù)雜性及眾多的影響因素，至今為止尚無一種計算方法能夠涵蓋各種因素的影響作用。從工程應(yīng)用的迫切需要來講，筆者認(rèn)為首先要從結(jié)合工程實測數(shù)據(jù)和一定的承載受荷機理的基礎(chǔ)上找出沉降計算中的主要量，舍棄次要量，從精確和簡便的雙重要求建立計算公式。用于樁土復(fù)合地基中，即用布氏解求由樁間土受荷作用產(chǎn)生的土中的附加壓應(yīng)力 ，用明氏解求樁荷載作用產(chǎn)生的土中附加應(yīng)力 ，然后再把兩者疊加得：

= +

然后再按所求得的土體中的附加應(yīng)力分層計算各土層的沉降。

6 考慮逆作法施工樁基在剛性樁復(fù)合地基施工中的應(yīng)用

在加載初期提高樁間土的應(yīng)力水平，降低樁土應(yīng)力比，使樁與樁間土更好地共同工作，會最終提高復(fù)合地基的承載力，減少沉降量和增加基礎(chǔ)的安全度。因此筆者認(rèn)為在樁間軟土不是很差的情況下，可以優(yōu)先考慮逆作法施工樁基來進(jìn)行剛性樁復(fù)合地基的施工。逆作法施工樁基即不同于正常的由下向上的施工方法，改變了以往傳統(tǒng)的先打樁后建房的施工工藝。其具體做法就是首先將除樁以外的基礎(chǔ)其他部分按設(shè)計要求施工，而在攪搗基礎(chǔ)底板時按施工圖預(yù)留樁位孔，再根據(jù)加固土層的土質(zhì)情況及壓樁所需的反力繼續(xù)施工上部建筑到預(yù)定層次，在原預(yù)留樁位孔處用液壓打樁機（或采用錨桿靜壓樁）將預(yù)制樁段逐段壓人土中至壓樁反力和壓樁深度達(dá)到預(yù)定要求，并同時施工上部結(jié)構(gòu)。在上述的施工過程中，由于樁間土的預(yù)壓作用，能夠增強后補樁的樁周摩阻力和樁端介質(zhì)的圍壓，同時補樁作用又對樁間土有擠密作用。因此能夠發(fā)揮樁土之間的共同作用。而該做法的另一個優(yōu)點是將補樁工期穿插到上部結(jié)構(gòu)施工的工期中，從而不占決定工期，大大加快了施工進(jìn)度。

就現(xiàn)實而言，對于多層建筑采用考慮上部結(jié)構(gòu)施工承載作用的樁筏復(fù)合地基采用逆作施工法已經(jīng)取得了較多的經(jīng)驗。上海電子商廈（施工三層進(jìn)行補樁）和上海冶金?？茖W(xué)校教學(xué)實驗大樓（八層框架結(jié)構(gòu)，施工三層后壓樁）采用該施工法均取得了理想的效果，值得在工程實踐中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

7 參考文獻(xiàn)

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