淺析剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基在高層建筑中的工程應(yīng)用

楊文崗

(中石化西南石油地質(zhì)勘察工程有限公司,四川綿陽(yáng) 621000)

淺析剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基在高層建筑中的工程應(yīng)用

楊文崗

(中石化西南石油地質(zhì)勘察工程有限公司,四川綿陽(yáng) 621000)

本文重點(diǎn)介紹了剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的基本理論,對(duì)目前長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載力和變形的計(jì)算方法進(jìn)行了初步探討,并結(jié)合工程實(shí)例分析,能充分調(diào)動(dòng)樁間土參與工作并在豎向方向上的剛度變化與附加荷載的變化趨勢(shì)相同的剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基,因其高承載力、經(jīng)濟(jì)性和施工周期的優(yōu)勢(shì),已在高層建筑地基處理中得到逐步應(yīng)用。

剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基 承載力 沉降 工程實(shí)例

隨著對(duì)復(fù)合地基理論認(rèn)識(shí)的提高以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，學(xué)術(shù)界提出了由兩種不同類型(或同種類型而長(zhǎng)度差別較大)的樁與土組成的三元組合型復(fù)合基礎(chǔ)理論。多樁型復(fù)合地基是采用兩種及兩種以上不同材料增強(qiáng)體，或采用同一材料、不同長(zhǎng)度增強(qiáng)體加固形成的復(fù)合地基，可達(dá)到比單一工法節(jié)省工程造價(jià)，縮短工期，提高地基承載力，減少?gòu)?fù)合地基的變形或消除地基液化、地基土濕陷性等不良工程問題，目前已在建筑物的地基處理中得以應(yīng)用，并取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著施工技術(shù)、工藝的進(jìn)步和地基處理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，使把剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基應(yīng)用于高層建筑中成為可能。

1 剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基及其工作機(jī)理

圖1 長(zhǎng)短樁復(fù)合地基作用機(jī)理示意圖

長(zhǎng)短樁復(fù)合地基按照樁體材料性質(zhì)的不同可以分為：散體樁復(fù)合地基、柔性樁復(fù)合地基和剛性樁復(fù)合地基[1]。散體樁復(fù)合地基，樁身材料沒有粘結(jié)強(qiáng)度，樁體的極限承載力主要取決于樁側(cè)土體所能提供的最大側(cè)阻力，即承載力主要靠樁周土約束的側(cè)向變形提供，一般情況下被處理的地基土抵抗變形的能力小，對(duì)樁的約束力也很小，因此隨著荷載的增加，樁的側(cè)向變形也逐點(diǎn)增大，地基將發(fā)生較大的沉降。柔性樁復(fù)合地基中的樁體雖有粘結(jié)強(qiáng)度，但樁體強(qiáng)度不高，這些不利因素使柔性樁復(fù)合地基的強(qiáng)度也受到限制。剛性樁復(fù)合地基中的加強(qiáng)樁體強(qiáng)度高，剛性樁中的荷載沿樁身全長(zhǎng)傳遞到更深的土層，這成為高強(qiáng)復(fù)合地基及大大提高承載力的關(guān)鍵，同時(shí)剛與柔及長(zhǎng)與短的不同樁型的有機(jī)組合是經(jīng)濟(jì)性得到優(yōu)化。

剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基相對(duì)于等長(zhǎng)樁復(fù)合地基，由于長(zhǎng)短樁體的間隔布置，使得復(fù)合地基樁端受力由“面”變成“層”，增加了樁體與軟弱下臥層的接觸面積，分散了樁底應(yīng)力作用。充分發(fā)揮了土體的“拱形”效應(yīng)；同時(shí)，在短樁以下加固區(qū)域的同一水平面上，樁體間距相對(duì)增大，有利于發(fā)揮土體的承載力。剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基很好的克服了利用常規(guī)理論設(shè)計(jì)弊端，充分利用樁間土的承載力，有效的控制了地基沉降，減少了施工成本和縮短施工周期。

剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基[3]中，因長(zhǎng)樁和短樁的間隔設(shè)置，在復(fù)合地基中形成三個(gè)不同作用的工作區(qū)域，即以提高承載力為主的長(zhǎng)、短樁聯(lián)合工作區(qū)(1區(qū))、以減少沉降為目的的長(zhǎng)樁工作區(qū)(2區(qū))、承受樁體荷載的持力層(3區(qū))、三區(qū)共同作用，以提高淺層地基承載力、減少地基沉降、形成良好的長(zhǎng)短樁復(fù)合地基。其作用機(jī)理如圖1所示。

長(zhǎng)短樁復(fù)合地基中，長(zhǎng)樁的主要作用是提高承載力、控制整體沉降量。它將荷載通過(guò)樁身向地基深處傳遞，減少壓縮層變形，以此來(lái)控制建筑物的沉降，很好的避免了常規(guī)樁型設(shè)計(jì)的一些缺陷，也更符合外荷作用下的地基應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的特性。同時(shí)對(duì)柔性樁起到“護(hù)樁”作用，并與短樁一起擬制地基周圍土體的隆起，在1區(qū)深度范圍內(nèi)，樁體間將具有較明顯的“挾持”和“遮擋”效應(yīng)。樁間土體和樁體共同沉降；而在2區(qū)的長(zhǎng)樁，由于土體和樁體不能同時(shí)沉降，其樁尖對(duì)樁端土體有相當(dāng)?shù)拇倘肓?。長(zhǎng)樁多采用剛性樁，如素混凝土樁、管樁等。而短樁主要是對(duì)上部土體進(jìn)行處理，減少淺部的應(yīng)力集中并促使應(yīng)力向下傳遞，提高承載力，加固樁間土，增強(qiáng)樁體的摩擦力，消除上部土體引起的不均勻沉降，短樁可采用柔性樁或剛性樁。

表1 地基土物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)變剛度協(xié)調(diào)原理[4]，由于上部荷載的的附加應(yīng)力隨著深度的增加因應(yīng)力擴(kuò)散而減小，需要的樁土剛度相應(yīng)也減少。這樣剛性長(zhǎng)樁和短樁組成的復(fù)合地基的剛度隨深度增加而降低的分布模式符合附加應(yīng)力在地基中對(duì)土剛度的要求，所以剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基不僅能夠充分發(fā)揮樁體的承載能力，同時(shí)能積極調(diào)動(dòng)樁間土不同深度的土體共同參與工作。這是該種復(fù)合地基承載能力顯著提高，成為高強(qiáng)度復(fù)合地基，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性也具有優(yōu)勢(shì)，是應(yīng)用于高層建筑的原因所在。

2 剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

目前，工程中對(duì)單一樁型復(fù)合地基的設(shè)計(jì)計(jì)算方法相對(duì)比較成熟，但對(duì)如何計(jì)算兩種及兩種以上樁型的多樁型復(fù)合地基承載力和變形還處于研究階段，筆者試圖通過(guò)本文對(duì)剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載力和變形計(jì)算進(jìn)行初步探索。

2.1 復(fù)合地基承載力計(jì)算方法

剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的承載力主要取決于天然地基土及各類樁體的承載力工程特性(置換率及樁、土的強(qiáng)度和剛度)。具體方法目前分為面積加權(quán)法和間接疊加法；根據(jù)工程試驗(yàn)對(duì)比，兩種方法計(jì)算結(jié)果基本一致。

2.1.1 面積加權(quán)法

剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載力的計(jì)算思路、途徑與單一樁的復(fù)合地基基本一直，根據(jù)《建筑低級(jí)處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)。利用面積加權(quán)原理可導(dǎo)出剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載力的計(jì)算公式為：

式中：m1、m2分別為樁1、樁2的面積置換率；λ1、λ2分別為樁1、樁2的單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；Ra1、Ra2分別為樁1、樁2的單樁承載力特征值(KN)；Ap1、Ap2分別為樁1、樁2的截面面積(m2)；β樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；無(wú)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取0.9～1.0；fsk處理后復(fù)合地基樁間土承載力特征值(kPa)。

2.1.2 間接疊加法

參照等長(zhǎng)樁復(fù)合地基承載力計(jì)算的方法，計(jì)算長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的承載力，將短樁與樁間土組成的復(fù)合地基視為長(zhǎng)樁復(fù)合地基的“樁間土”，通過(guò)兩次復(fù)合計(jì)算長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的承載力[5]。

式中：fsp，k1為長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載力特征值，(kPa)；fsp，k2為短樁復(fù)合地基承載力特征值，(kPa)；α1、α2為樁間土承載力提高系數(shù)；fak為天然地基承載力特征值，(kPa)。

2.2 復(fù)合地基變形計(jì)算方法

長(zhǎng)短樁復(fù)合地基變形計(jì)算在理論上可將復(fù)合地基的變形分為復(fù)合土層變形與下臥層變形，分別計(jì)算后相加得到。變形計(jì)算采用復(fù)合模量法，計(jì)算時(shí)采用的復(fù)合土層分層除與天然地基相同外，剛性長(zhǎng)、短樁樁端位置也要作為復(fù)合土層分層邊界，從而將加固區(qū)分為1、2兩部分(見圖1)。復(fù)合土層和下臥層土體內(nèi)的應(yīng)力分布采用各向同性均質(zhì)的直線變形體理論，復(fù)合地基最終變形量可按下式計(jì)算：

式中：n1、n2分別為加固區(qū)1、2范圍土層分層數(shù)；3n沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)土層總的分層數(shù)；p0為相應(yīng)于作用的準(zhǔn)永久組合時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力，(kPa)；siE 基礎(chǔ)底面的第i層土的壓縮模量，(MPa)； Zi、 Zi-1基礎(chǔ)底面至第i層、第i-1層土底面的距離，(m)；、 αi-1基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)第i層、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)；ζ1、ζ2分別為加固區(qū)1、2土層壓縮模量提高系數(shù)(沉降計(jì)算修正系數(shù)。

3 工程實(shí)例

某工程[6]高層住宅為地下2層地上33層的剪力墻結(jié)構(gòu)，群樓采用框架結(jié)構(gòu)，筏形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深-7.2m?；滓韵碌鼗凉こ痰刭|(zhì)情況如表1所示?？紤]場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、施工工藝，經(jīng)過(guò)方案論證，本工程采用剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基方案：短樁采用直徑500mm泥漿護(hù)壁素混凝土鉆孔灌注樁，有效樁長(zhǎng)12.00m，以細(xì)砂5層作為樁端持力層，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25；長(zhǎng)樁采用直徑400mm的水泥粉煤灰碎石樁，有效樁長(zhǎng)16.5m，以細(xì)砂7層作為樁端持力層，混合料強(qiáng)度等級(jí)C25；采用正方形布樁，樁間距1.25m；設(shè)計(jì)要求處理后的復(fù)合地基承載力特征值fak=480kPa。

復(fù)合地基承載力驗(yàn)算：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)單樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果：R1=690KN(長(zhǎng)樁)， R2=600KN(短樁)。從已知條件分析可得： AP1=0.1256m2、 AP2=0.20m2；λ1=λ2=0.9； β=1.0； α1= α2=1.0； m1=0.04， m2=0.064；fsk=fak=180 kPa (第1層粉土)。

(1)按面積加權(quán)法計(jì)算復(fù)合地基承載力特征值fspk=536.17 kPa。

(2)將天然地基與短樁組成的復(fù)合地基視為長(zhǎng)樁復(fù)合地基的“樁間土”等效樁間土承載力特征值fsp，k2=341.28kPa；長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載力特征值fsp，k1=525.40kpa。

根據(jù)以上兩種方法計(jì)算的長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載力特征值在不做深度修正情況下皆滿足設(shè)計(jì)要求。

復(fù)合地基變形驗(yàn)算：

復(fù)合地基沉降計(jì)算深度，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011的方法確定，本工程計(jì)算深度59.8m，按照本文復(fù)合地基沉降的計(jì)算方法，長(zhǎng)短樁復(fù)合地基沉降量預(yù)測(cè)值為37.08mm，變形滿足實(shí)際要求。

該樓主體結(jié)構(gòu)封頂時(shí)的復(fù)合土層沉降量約為12mm～15mm，該建筑已投如使用。根據(jù)工程所在地區(qū)的一般結(jié)構(gòu)封頂時(shí)的沉降量已完成最終沉降量的50%～60%，據(jù)此結(jié)果推算最終沉降量應(yīng)為20mm～30mm，小于沉降預(yù)測(cè)值37.08mm。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)長(zhǎng)短樁復(fù)合地基處理技術(shù)的新進(jìn)展，從傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)到長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的運(yùn)用，體現(xiàn)了我國(guó)樁基礎(chǔ)處理地基的能力和水平的提高。隨著技術(shù)進(jìn)步和對(duì)地基處理要求的提高，地基處理方法趨向多樣性。復(fù)合地基設(shè)計(jì)不僅是根據(jù)承載力和變形確定設(shè)計(jì)參數(shù)，而且在設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮建筑物對(duì)變形的適應(yīng)能力地基土的特點(diǎn)及施工等諸多因素。根據(jù)場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)條件采用剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基處理高層建筑地基方案并選擇合理的施工工藝是一種經(jīng)濟(jì)有效的地基處理方法，值得研究和推廣。

[1]龔曉南.復(fù)合地基理論與工程應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[2]馬驥,張東剛.樁體復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算[J].巖土工程技術(shù)2001,(2): 81-96.

[3]陳祥福,徐至鈞.變剛度群樁設(shè)計(jì)原理與工程應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[4]錢波,蔡建明,余闖,劉慶華.長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載力計(jì)算新方法[J].低溫建筑技術(shù),2009,(12):91-93.

[5]建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79-2012)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.