基于天津地區(qū)剛性樁復(fù)合地基方案研究

趙怡本 孫云文

（天津華北地質(zhì)勘查局 天津 300170）

隨著天津城市建設(shè)的快速發(fā)展，大量建筑在建設(shè)中采用了多種地基處理方法，取得了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，同時也出現(xiàn)了不少問題，如一些建筑出現(xiàn)傾斜、裂縫等，造成不良后果。為了總結(jié)我市地基處理經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為今后選擇安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的地基處理方法，本文在收集天津市現(xiàn)有地基處理資料、建筑物沉降觀測資料及地基處理事故資料基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，對剛性樁復(fù)合地基處理方法的適宜性進(jìn)行了研究。

1 概述

剛性樁復(fù)合地基是由人工制作的強(qiáng)度較高、樁土應(yīng)力比較大（10）的樁體與樁間土產(chǎn)生摩擦力共同傳遞荷載的改性地基。研究成果及工程實(shí)踐表明，樁土應(yīng)力比是影響其工作狀況和地基強(qiáng)度大小的重要因素。樁的強(qiáng)度低，整體性差時（如碎石樁等散體材料樁），樁土應(yīng)力比就小，樁的作用不能充分發(fā)揮，土體主要是在對樁體的徑向約束情況下而與樁體共同受力，故柔性樁復(fù)合地基一般承載力較低，隨著樁身強(qiáng)度和樁土應(yīng)力比不斷提高，應(yīng)力向樁體集中，樁的作用逐漸得到充分發(fā)揮，土體的徑向被動土壓力不斷減小，逐漸與樁周相互作用產(chǎn)生摩擦力來傳遞荷載，樁間土產(chǎn)生變形，與樁土應(yīng)力比的變化協(xié)調(diào)過程也在進(jìn)行，樁端承載力發(fā)揮作用。即剛性樁復(fù)合地基可以較充分地發(fā)揮樁身由土體提供的承載力（側(cè)阻力與端阻力）。

天津地區(qū)對素混凝土灌注樁、鋼筋混凝土預(yù)制樁、預(yù)制管樁等多種樁型的剛性樁復(fù)合地基技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應(yīng)用,在多個場地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得了較好的社會及經(jīng)濟(jì)效益。本文僅列出其中一個場地素混凝土樁剛性樁復(fù)合地基現(xiàn)場試驗(yàn)研究成果。

2 素混凝土樁復(fù)合地基現(xiàn)場試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)概況

素混凝土樁復(fù)合地基試驗(yàn)選擇在天津市紅橋區(qū)某場地內(nèi)進(jìn)行。該場地各層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。在18號樓及25號樓場地上分別進(jìn)行了3根單樁、3組1m2板地基土和1組2m2板單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

單樁荷載沉降曲線如圖1所示，18號樓單樁最大加載為530kN,3根試樁的平均沉降7.16mm；25號樓單樁最大加載為530kN,3根試樁的平均沉降5.17mm。在荷載較小時，單樁荷載沉降基本呈線性關(guān)系；隨著荷載的增大，單樁荷載沉降呈現(xiàn)一定的非線性，其中18號樓相對較為明顯。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

地基土與單樁復(fù)合地基荷載沉降關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2中可見,由于樁的作用，單樁復(fù)合地基的荷載沉降特性較地基土有明顯的改善，素混凝土樁與地基土形成復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載。在荷載較小時，地基土與單樁復(fù)合地基荷載沉降均呈線性關(guān)系；隨著荷載的增大，荷載沉降呈現(xiàn)一定的非線性，其中地基土荷載沉降關(guān)系的非線性更加明顯，單樁復(fù)合地基荷載沉降關(guān)系相對比較“平緩”。

與進(jìn)行過試驗(yàn)得出的預(yù)制樁復(fù)合地基荷載沉降特性一致，相同沉降要求時，單樁復(fù)合地基承載力較天然地基有較大程度的提高；相同荷載作用下，單樁復(fù)合地基沉降較天然地基顯著減小。

圖2 地基土與單樁復(fù)合地基荷載沉降曲線

2.3 工程實(shí)例應(yīng)用效果分析

某居住區(qū)18號樓采用剛性樁復(fù)合地基。該樓為六層磚混結(jié)構(gòu),采用條形基礎(chǔ),復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值要求170kPa,采用素混凝土樁復(fù)合地基，樁頂大沽標(biāo)高3.8m,樁徑420mm,樁長8.0m，采用C20混凝土,樁頂以上鋪設(shè)300mm厚土石屑墊層。單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk為530kN。素混凝土樁的面積置換率m=4.6%,采用墻下單排形式布樁。采用樁土相互作用非線性沉降計(jì)算軟件驗(yàn)算沉降,沉降計(jì)算值為65mm。本住宅樓于2000年5月竣工,建筑物實(shí)測沉降如圖3所示,竣工時實(shí)測的沉降及不均勻沉降較小,沉降30mm左右，推測18號樓和25號樓最終沉降平均值不會超過60.0mm,采用素混凝土樁剛性樁復(fù)合地基取得了較好地加固效果。

2.4 實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論與建議

（1）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果,采用剛性樁復(fù)合地基加固軟土地基可以大幅度提高承載力和減小相對變形,其加固效果隨單樁承載力的提高而提高。

圖3 建筑物實(shí)測沉降

（2）剛性樁復(fù)合地基樁土反力發(fā)展過程有“樁間土受力在先，樁受力滯后”的特點(diǎn)。

（3）剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)可借鑒一般豎向加固體復(fù)合地基設(shè)計(jì)方法進(jìn)行,關(guān)鍵是在承載力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行沉降驗(yàn)算,采用樁土相互作用理論與方法進(jìn)行沉降計(jì)算是可行與合理的。

（4）從實(shí)際工程沉降結(jié)果看,采用剛性樁復(fù)合地基的建筑物沉降及不均勻沉降均較小,取得了較好的加固效果。

3 剛性樁工程實(shí)例

（1）素混凝土樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)實(shí)例1（處理古河道新近沉積層）。

天津市西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)某小區(qū)一期工程,共15棟6層住宅樓,采用磚混結(jié)構(gòu),大部分住宅樓坐落于古河道區(qū),新近沉積層最厚達(dá)6米左右，承載力低,局部夾淤泥質(zhì)土。經(jīng)多種地基基礎(chǔ)方案篩選，比較了1筏板基礎(chǔ)+素混凝土樁復(fù)合地基；2條形基礎(chǔ)+素混凝土樁復(fù)合地基；3沉管灌注樁＋梁式基礎(chǔ)三種地基基礎(chǔ)方案,最終選擇了筏板基礎(chǔ)+素混凝土樁復(fù)合地基方案。設(shè)計(jì)要求復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值130kPa,建筑物最終沉降不超過10cm。設(shè)計(jì)素混凝土樁直徑420 mm，樁長10.5～12.0m，單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值650～700kN，置換率3.0%～3.5%。經(jīng)檢測素混凝土樁復(fù)合地基滿足設(shè)計(jì)要求，建筑物竣工一年實(shí)測建筑物沉降最大值僅2.0～3.0cm,且較均勻。采用素混凝土樁復(fù)合地基處理古河道軟土地基取得成功。

（2）素混凝土樁(構(gòu)造配筋沉管灌注樁)復(fù)合地基實(shí)例2。

塘沽濱海某住宅小區(qū)一期工程為18棟住宅樓,其中15棟樓為5躍6層,3棟樓為4躍5層,均采用磚混結(jié)構(gòu)。場地淺部約2.0m以上為雜填土、素填土，埋深2.0～6.0m段為粘土、粉質(zhì)粘土，承載力100 kPa，6.0～13.5m為厚層淤泥質(zhì)粘土，以下為粘性土。與例1相同，亦經(jīng)過了地基基礎(chǔ)多方案比較，最終采用了筏板基礎(chǔ)+素混凝土樁復(fù)合地基方案。設(shè)計(jì)要求5躍6層復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到130kPa,4躍5層達(dá)到110kPa，要求建筑物最終沉降不大于10cm，預(yù)留了部分沉降量。素混凝土樁樁徑400 mm,單樁極限承載力均采用760kN，根據(jù)地質(zhì)條件差異，5躍6層住宅樓設(shè)計(jì)樁長20.5m，置換率2.0%，4躍5層樁長21.0m，置換率1.5%。為保證在軟土中成樁質(zhì)量，對素混凝土樁進(jìn)行了構(gòu)造配筋。為保證褥墊層有足夠的強(qiáng)度，采用碎石與石屑作為褥墊層，厚30cm。住宅樓竣工一年建筑物沉降5～6cm,較均勻。預(yù)計(jì)最終沉降一般在10cm左右，個別建筑可能達(dá)到15cm?？紤]預(yù)留部分沉降，建筑總體沉降稍大并不會影響建筑質(zhì)量，本工程地基處理是成功的。區(qū)內(nèi)未進(jìn)行地基處理的4層建筑沉降達(dá)20cm。

本成功實(shí)例說明深厚軟土地基采用素混凝土樁復(fù)合地基（剛性樁復(fù)合地基）處理是可行的，同時亦可看出，在深厚軟土地基采用剛性樁復(fù)合地基(包括CFG樁復(fù)合地基)應(yīng)特別慎重。本例基底下有近6米厚粘性土，土質(zhì)強(qiáng)度較新港、保稅區(qū)、咸水沽、葛沽等地高，4～6層住宅采用剛性樁復(fù)合地基其沉降雖滿足要求，但相對市區(qū)已顯偏大。如基礎(chǔ)下6米厚粘性土換成淤泥質(zhì)土、淤泥，推測建筑沉降將難以滿足要求。即厚層軟土的承載力利用價值、可挖掘的潛力不大，在長期荷載作用下，不高的附加壓力（小于承載力）即可產(chǎn)生較大的沉降，加之樁頂向褥墊層刺入，樁身承載力不一定充分發(fā)揮，剛性樁復(fù)合地基沉降較大且不安全是可能的，故在類似深厚軟土地區(qū)，荷載較大情況下是不宜采用剛性樁復(fù)合地基的。同理，亦不適于采用沉降控制樁基（包括減沉樁、疏樁等理論上充分發(fā)揮地基土承載力的樁基）。隨著質(zhì)量可靠造價不高的鋼筋混凝土預(yù)制管樁的大量應(yīng)用，近年來濱海地區(qū)已較少采用復(fù)合地基。

鋼筋混凝土預(yù)制樁在基底下埋深不大處有較好土層如粉土或砂性大粉質(zhì)粘土，特別是有厚度2m以上粉土?xí)r，其地基處理造價不高，可與深層攪拌樁（目前已較少采用）造價持平。根據(jù)樁長4～8m、端面0.2m×0.2m鋼筋混凝土預(yù)制樁極限承載力試驗(yàn)結(jié)果，樁端位于粉土中，樁長4～5m時其極限承載力可達(dá)200～300kN，樁長6～8m時其極限承載力可達(dá)350～450kN，較按規(guī)范查表樁側(cè)阻、端阻均取最大值還高，樁端位于粉質(zhì)粘土中時，單樁承載力相對于樁端在粉土中時低，但仍比按規(guī)范查表得出的承載力高出20%～40%。6個場地，樁長6～16m，端面0.35m×0.35m的預(yù)制空心方樁載荷試驗(yàn)亦表明，試驗(yàn)值較按規(guī)范查表值高出30%～50%,表明進(jìn)行極限承載力試驗(yàn)對于充分發(fā)揮剛性樁較大的樁身承載力、降低地基處理造價具有積極作用。

4 剛性樁復(fù)合地基適宜性

剛性樁的特點(diǎn)是樁身強(qiáng)度高，能將豎向荷載沿樁身傳遞，側(cè)阻端阻均發(fā)揮作用。根據(jù)已完成的數(shù)百棟采用剛性樁復(fù)合地基的建筑成功經(jīng)驗(yàn)分析，剛性樁復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算可按水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）公式計(jì)算，沉降計(jì)算可采用同濟(jì)樁土相互作用實(shí)用公式進(jìn)行沉降計(jì)算，也可采用傳統(tǒng)分層總和法計(jì)算，兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果相近，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際沉降觀測結(jié)果出入也不大。鋼筋混凝土預(yù)制樁、管樁具有施工質(zhì)量可靠、檢測簡便、施工周期短特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。素混凝土樁以及水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）雖造價較預(yù)制樁低，但存在施工質(zhì)量控制難度大，特別是在軟土地區(qū)，在施工順序不當(dāng)、樁布置較密情況下，很容易產(chǎn)生縮頸、斷樁等問題，處理起來麻煩。故在天津?yàn)I海軟土地區(qū)采用素混凝土樁以及水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）時應(yīng)慎重，必須進(jìn)行試驗(yàn)，以確定設(shè)計(jì)及施工工藝參數(shù)。天津市采用所謂的水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁），絕大多數(shù)實(shí)際上采用的是素混凝土樁，采用CFG樁和素混凝土樁的建筑，其沉降量并無差別。采用剛性樁復(fù)合地基的6層住宅竣工多年后其最終沉降量一般在7～12厘米，滿足要求。剛性樁一般樁徑不大但單樁承載力較高，為充分發(fā)揮樁的作用、減少用樁量、減小建筑沉降，可在樁頂加設(shè)預(yù)制的樁帽。天津市采用剛性樁復(fù)合地基的建筑數(shù)百萬平方米，積累了較多的成功經(jīng)驗(yàn)，適宜推廣采用。

5 結(jié)論

⑴剛性樁復(fù)合地基較采用散體材料樁具有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

⑵剛性樁復(fù)合地基可以按國標(biāo)中水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）公式計(jì)算承載力，可以按分層總和法或樁土相互作用法計(jì)算沉降；

⑶剛性樁復(fù)合地基適用于市區(qū)及西、北部等淺部沒有深厚軟土的地區(qū)。在開發(fā)區(qū)、保稅區(qū)、新港等有深厚軟土地區(qū)應(yīng)用時應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)具體建筑物、地質(zhì)條件，以及試驗(yàn)結(jié)果綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)，確定其適宜性。