考慮樁土共同作用的樁筏基礎(chǔ)的分析

劉平湘

摘要：文章對采用樁土共同作用的樁筏基礎(chǔ)進行計算分析，說明采用該基礎(chǔ)型式的可行性及經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：樁土共同作用；樁筏基礎(chǔ)；沉降差

中圖分類號：TU473.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674—3024（2016）05—117—02

1項目概況

振寧·星光廣場綜合樓項目位于南寧市江南區(qū)亭洪路58號，東面為星光大道，南面與亭洪路相接，西面與規(guī)劃路相接。建筑地下三層，為平戰(zhàn)結(jié)合小汽車停車庫；地上34層，1層為酒店大堂，2～5層為多功能廳、餐廳或宴會廳，6～11層、13～23、25層為辦公，26～32層為酒店，12、24層為避難層。房屋高度13 1.50m，建筑面積60022.45 m2。結(jié)構(gòu)體系采用框架一核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒與外框架柱的間距為11.85米/12.77米，主樓26層和30層角部有局部托柱轉(zhuǎn)換，二層有高度為9.5m的躍層柱。

2基本地質(zhì)條件（摘自勘察報告）

根據(jù)《巖土工程勘察報告》，本工程場地上覆土層為第四系人工填土、黏土和圓礫層，下伏基巖為古近系泥巖，泥巖性狀、特征如下所述：

（1）泥巖④1：灰色，青色，強風化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層厚狀構(gòu)造，局部夾煤層，為古近系巖層，屬極軟巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為V級。層頂埋深2.20～27.40m，揭露厚度4.10～3.20m，平均厚度14.87m。場地范圍內(nèi)均有所揭露。屬低壓縮性土。

該層做標準貫入試驗29次，實測擊數(shù)N=50～68擊，標貫修正技術(shù)標準值為42.9擊；取巖樣17件，壓縮系數(shù)α1-2=0.054～0.131MPa-1，均值0.081MPa-1。

（2）泥巖④2：灰色，青色，中風化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層厚狀構(gòu)造，局部夾煤層，為古近系巖層，屬極軟巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為V級。層頂埋深22.40～33.60m。該層取6組巖樣進行飽和單軸抗壓試驗，標準值為0.41Mpa。場地范圍內(nèi)均有所揭露，未揭穿，入完整巖最大深度為17.1m。屬低壓縮性土。

根據(jù)《巖土工程勘察報告》，泥巖④1層的地基承載力特征值為fak=380kPa，根據(jù)本項目淺層平板載荷試驗，泥巖④1層的地基承載力特征值可提高至fak=525kPa。

3基礎(chǔ)設(shè)計方案的比較選擇

（1）地質(zhì)勘察報告建議該棟樓的基礎(chǔ)型式采用樁基礎(chǔ)，且甲方要求出圖的時間較緊，沒有時間考慮別的基礎(chǔ)方案，因此，經(jīng)與甲方溝通后，前期只能先按地勘報告的建議，框架部分和核心筒部分均采用旋挖成孔灌注樁方案設(shè)計出圖（該樁基方案的造價較大），出圖后再另行進行基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計。

（2）提交施工圖后，甲方組織有關(guān)參建各方召開了針對基礎(chǔ)設(shè)計的專題技術(shù)討論會議，提出了基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化要求。為此，設(shè)計提出了以下三個優(yōu)化方案：

方案一：主樓采用整體筏板基礎(chǔ)，核心筒及相鄰范圍采用CFG樁進行地基處理；

方案二：外框柱下采用天然地基上的柱下獨立基礎(chǔ)，核心筒部分采用地基處理后復合地基上的筏板基礎(chǔ)；

方案三：外框柱下采用天然地基上的柱下獨立基礎(chǔ)，核心筒部分采用樁土共同作用下的樁筏基礎(chǔ)。

（3）對于方案一，根據(jù)建筑方案，本工程地下室底板面絕對標高為67.7m，已經(jīng)位于泥巖④1層，經(jīng)過計算，外框部分的天然地基承載力無需地基處理即可滿足設(shè)計要求，而核心筒部分的地基反力達950 kPa。若采用地基處理，地基承載力特征值需由525 kPa處理至950 kPa。在工程實際中，因泥巖④1層處理后的地基承載力提高幅度較大，理論計算的置換率高，處理成本高，而且當?shù)貨]有類似的成功案例，因此不考慮該方案。

（4）對于方案二，經(jīng)過計算，外框部分的天然地基承載力無需地基處理即可滿足設(shè)計要求，但核心筒部分的地基反力達1150 kPa，同樣因處理后的地基承載力提高幅度太大而不考慮該方案。

（5）經(jīng)比較、分析，結(jié)合工程經(jīng)驗，選擇方案三，即外框柱下采用天然地基上的柱下獨立基礎(chǔ)，核心筒部分采用樁土共同作用下的樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計方案。

4樁土共同作用的工程實用方法

（1）樁土共同作用問題一直受到巖土界同行的重視，是基礎(chǔ)工程設(shè)計中人們反復討論、反復爭論的一個熱點?；仡櫂锻凉餐饔玫难芯繗v程，初期的研究將思維局限于彈性理論，只是采用彈性變形協(xié)調(diào)的概念進行數(shù)學計算，不去仔細考證這種理論和概念對我們所研究問題的適用性。

在經(jīng)過仔細觀測、分析和了解樁基沉降發(fā)生、發(fā)展的實際過程的基礎(chǔ)上，拋棄樁土彈性變形協(xié)調(diào)概念，將樁土共同工作的實際過程簡化為樁頂荷載未超過和超過樁的極限承載力兩個階段。在較小荷載下，主要由樁承受外加荷載，當荷載超出單樁極限承載力時，承臺下土的支撐力就變?yōu)橹饕摹?/p>

（2）強度條件和變形條件雙控是結(jié)構(gòu)設(shè)計中最基本的原則，基礎(chǔ)設(shè)計也不例外，可以以樁土共同作用的極限狀態(tài)作為基樁強度的驗算條件，另一方面，必須用沉降計算的方法滿足樁基礎(chǔ)的沉降控制條件。在不考慮樁土共同作用的時，用樁量較大，樁基沉降量較小?？紤]了樁土共同作用工作以后，用較少的樁就可以滿足強度條件。強度條件比較容易滿足，這就使得沉降條件顯得更為嚴格，換句話說，常使沉降條件成為控制條件。

在上海地區(qū)，由于他們積累了大量實測的樁基長期沉降觀測數(shù)據(jù)，在常用的工程樁運用范圍內(nèi)大大地提高了當?shù)貥痘两涤嬎愕木取Ｒ虼?，在上海不僅可以以變形條件作為真正的控制條件，而且進一步可直接用變形條件確定布樁總數(shù)量。

上述的基本概念和工程設(shè)計實用方法都很簡單，但在具體設(shè)計時，還應(yīng)該注意一下幾點：

（1）在具體的設(shè)計中，不可能一次就使得強度和變形兩個條件都恰好滿足。因此，一個好的設(shè)計過程是一個優(yōu)化的過程：第一步先確定樁端持力層，樁型和單樁極限承載力；第二步是假定基礎(chǔ)承臺底面尺寸；第三步計算沉降與樁數(shù)的關(guān)系曲線；第四步驗算整體強度。根據(jù)第三、第四步的結(jié)果返回到第一、第二步進行修正，再進行第三、第四步的計算，如此循環(huán)，以相對最優(yōu)的設(shè)計。

（2）由于實際的樁土共同作用工作可簡化為兩個階段。第一階段由樁單獨承受上部荷載，待到樁的荷載達到極限承載力時進入第二階段，樁向土中刺，這時土才真正參加共同工作。隨著荷載的增加，各樁都先后達到極限承載力，樁的沉降明顯增大，基礎(chǔ)的沉降由承臺下的土地所控制，計算這時的基礎(chǔ)沉降量，其計算點必須選擇在樁與樁之間的土上，基礎(chǔ)沉降應(yīng)等于承臺底面以下土體的總壓縮量。

（3）以上所述的都是沉降穩(wěn)定以后的最終狀態(tài)，所計算的沉降也是最終沉降量，在長期的沉降發(fā)展過程中，各不同時刻的樁土共同作用與我們估算的最終狀態(tài)是有所不同的，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是樁與樁之間的土體隨著時間還會發(fā)生緩慢變形。在加載初期，樁土的荷載分擔可認為基本上按照樁或土的瞬時剛度分配，土面上會受到一定的力。但以后的變化就不一樣了，樁身的壓縮基本上可以認為非常接近彈性，而樁問的土體在通過摩擦阻力傳來的應(yīng)力作用下會繼續(xù)壓縮。樁問土的壓縮量是比較大的，可以估算出來，大約幾公分到二十公分。在樁側(cè)樁與土接觸面上樁與土質(zhì)點的相對位移不斷變化的，因此在具體設(shè)計時，必須要考慮到在沉降的發(fā)展過程中，這些受力的變化所造成的最不利的影響。

（4）本工程樁筏基礎(chǔ)的筏板底部土層為強風化泥巖④1層，樁端持力層為中風化泥巖④2層，由于強風化泥巖④1層、中風化泥巖④2層均為極軟巖，在本地的設(shè)計行業(yè)中均不認為此泥巖為巖石，只要樁基下持力層存在沉降，則樁間土就可以起到作用。因此，為了充分利用筏板底泥巖的承載力，樁筏基礎(chǔ)設(shè)計時考慮樁土共同作用的方案，其中樁承擔上部約70%的荷載，樁間土承擔上部約30%的荷載。同時，為減小樁長，采用樁端后注漿工藝。該基礎(chǔ)設(shè)計方案取得了良好的經(jīng)濟性效果。

5本212程沉降分析

（1）根據(jù)PKPM計算結(jié)果，核心筒部分的沉降約為61mm，外框架柱獨立基礎(chǔ)最大沉降量為72mm，沉降差11mm。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）表5.5.4，允許沉降差為0.0021=0.002×11850=23.7mm>11mm，計算沉降差滿足規(guī)范要求。

（2）臨近場地沉降計算及觀測結(jié)果。同地塊1#住宅樓31層，建筑高度99.9米，剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，地基持力層為泥巖④1層，目前已經(jīng)施工至27層（內(nèi)隔墻未砌筑）。PKPM計算的沉降量約為80mm，目前觀測沉降量約為8mm。

從以上理論計算結(jié)果與實際觀測結(jié)果并綜合其它項目的數(shù)據(jù)看，程序理論計算的沉降量與實際沉降量有較大出入，實際沉降量要小于理論計算值，基礎(chǔ)沉降差滿足規(guī)范的要求。

6本工程控制沉降差的其他方法

我們還可以通過采取以下有效措施控制核心筒與外框之間的沉降差：

（1）適當加大外框柱下獨基尺寸；

（2）底板底靠近筏板、獨基位置因放坡開挖被挖除的部分采用素混凝土回填，保證底板底地基土的承載力；

（3）主樓范圍內(nèi)的底板加厚至h=400mm；

（4）基礎(chǔ)與防水底板之間留施工縫，分開施工。

7結(jié)論

根據(jù)以上分析，本工程核心筒部分采用考慮樁土共同作用的樁筏基礎(chǔ)、外框部分采用獨立基礎(chǔ)的基礎(chǔ)型式，沉降差滿足規(guī)范的要求，也是相對經(jīng)濟、合理的。