分析與對比某高層住宅建筑樁基礎(chǔ)和剛性樁復(fù)合地基設(shè)計方案

周衛(wèi)星

摘 要：本文主要探討對比了河南省某高層住宅建筑樁基礎(chǔ)方案和剛性樁復(fù)合地基方案的設(shè)計。針對場地地質(zhì)情況，對首先采用的樁筏基礎(chǔ)方案進(jìn)行分析。因建設(shè)方工期緊張，經(jīng)過研究決定，改為采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復(fù)合地基處理方案。文末對樁筏基礎(chǔ)方案和水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復(fù)合地基方案的工程量進(jìn)行了簡單的對比，以供參考。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ);復(fù)合地基;水泥粉煤灰碎石樁

中圖分類號：TU473 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）27-0063-03

Abstract： This article mainly discusses and compares the design of the pile foundation scheme and rigid pile composite foundation scheme of a high-rise residential building in Henan Province. According to the geological conditions of the site， firstly， the pile raft foundation scheme adopted is designed and analyzed; Later， due to the tight schedule of the construction party， after research， it was decided to adopt the Cement Fly-ash Gravel Pile （CFG pile） composite foundation treatment plan. At the end of the article， a simple comparison is made between the pile raft foundation scheme and the Cement Fly-ash Gravel pile （CFG pile） composite foundation scheme for reference.

Keywords：pile foundation; composite foundation; Cement Fly-ash Gravel pile

近年來我國城市化進(jìn)程大大加快，民用住宅建筑市場發(fā)展迅速，與此同時對建筑物地基基礎(chǔ)提出了更高的要求。加之我國地域遼闊，山川河流廣布，地質(zhì)情況復(fù)雜多變，建筑物地基基礎(chǔ)的樣式種類就需要因地制宜，因此對建筑物地基基礎(chǔ)的分析探究顯得十分重要。樁基礎(chǔ)是一種古老的基礎(chǔ)形式，經(jīng)過長期發(fā)展已經(jīng)成為一種很成熟的基礎(chǔ)形式。隨著城市用地越來越緊張，促使了更多地基處理方法的誕生，其中水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基是建設(shè)部中國建筑科學(xué)研究院在“八五”期間重點攻關(guān)項目。這種地基形式優(yōu)先在北京地區(qū)經(jīng)過了大量工程實踐，結(jié)果證明，在保證成樁質(zhì)量前提下，可以有效提高地基的承載力，滿足工程需要。對兩種方案的分析和對比，有助于在保證安全需求的前提下，選擇造價更為經(jīng)濟，施工周期更短的建筑地基基礎(chǔ)方案。

樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基的組成及工作原理有較大的不同。樁基礎(chǔ)是由設(shè)置于巖土中的樁和連接于樁頂端的承臺組成的基礎(chǔ)。承臺把若干根樁的頂部聯(lián)結(jié)成整體，來共同承受荷載。樁的截面一般遠(yuǎn)小于其長度，樁具有一定的剛度和抗彎能力，可以很好地將荷載傳至地下深處承載力較高的土層，從而滿足承載力和沉降的要求。天然地基處理時部分土體被增強或被替換，而形成的由地基土和增強體共同承擔(dān)荷載的人工地基。水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復(fù)合地基是將碎石、粉煤灰和少量水泥，加水拌和，用振動沉管打樁機或長螺旋管內(nèi)泵壓成樁機具制成的一種具有一定黏結(jié)強度的樁，樁和樁間土通過褥墊層形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部荷載。下面我們可以對實際工程進(jìn)行兩種地基基礎(chǔ)形式的設(shè)計，并進(jìn)行對比。

1 某高層建筑樁基礎(chǔ)設(shè)計和剛性樁復(fù)合地基設(shè)計

1.1 工程概況

本項目位于河南省平頂山市寶豐縣，建設(shè)用地面積51 521 ㎡，總建筑面積158 806 ㎡。擬建高層住宅11棟及地下車庫、商業(yè)、幼兒園。地下車庫一層，層高3.6 m，其中11#、12#住宅樓為27層住宅樓，層高2.9 m，地下一層。

整個工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級;結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年;抗震設(shè)防烈度為6度;結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別：幼兒園為重點設(shè)防類，其余均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。

1.2 工程地質(zhì)概況

擬建場地地勢較平坦，最大高程123.58 m，最小標(biāo)高為122.18 m，相對高差最大約1.40 m;地貌單元屬山前沖洪積平原和河流沖積相交匯處。根據(jù)鉆探結(jié)果及區(qū)域地質(zhì)資料，場地地層主要有①雜填土（Q4pd）、②粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）、③含礫粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）、④黏土（Q2al+pl）、⑤含粉質(zhì)黏土細(xì)砂（Q2al+pl）、⑥鈣質(zhì)膠結(jié)層（Q2al+pl）、⑦含砂姜黏土（Q2al+pl）、⑧黏土（Q2al+pl）。主要土層工程特性如下，第①層（耕土）： 分布地表，厚度小，結(jié)構(gòu)松散，嚴(yán)禁做基礎(chǔ)持力層。第②層（粉質(zhì)黏土）：分布普遍，厚度均勻，層位穩(wěn)定，為中壓縮性土，對本工程擬建的商業(yè)而言，為良好的基礎(chǔ)持力層。第③層（含礫粉質(zhì)黏土）：分布較普遍，層位不穩(wěn)定，為中壓縮性，工程性質(zhì)較好。第④層（黏土）：該層分布普遍，層位穩(wěn)定，硬塑，中壓縮性，為良好的基礎(chǔ)持力層及下臥層。第⑤層（含粉質(zhì)黏土細(xì)砂）：中密，成分以石英、長石為主，含少量黏土：該層分布普遍，層位不穩(wěn)定，為中壓縮性土，為良好的下臥層。第⑥層 （鈣質(zhì)膠結(jié)層）：主要礦物成分為碳酸鈣，上部膠結(jié)呈整塊狀，下部局部為半膠結(jié)狀，下部局部為半膠結(jié)狀，排列無規(guī)則，該層強度高，但對樁基施工會造成困難。第⑦層（含砂、姜黏土）：硬塑，含砂及鈣質(zhì)結(jié)核，含量分布不均。砂以中粗砂為主，局部呈層;鈣質(zhì)結(jié)核局部膠結(jié)呈塊狀。該層在場地內(nèi)分布普遍，層位不穩(wěn)定。其下地基土為厚層黏土，強度高，厚度大，為良好下臥層。各巖土設(shè)計參數(shù)詳見表1。

1.3 11#住宅樓樁基礎(chǔ)設(shè)計

1.3.1 樁基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)選取。11#住宅樓為場地內(nèi)最高的住宅建筑，±0.000以上總高78.3 m，剪力墻結(jié)構(gòu)，采用中國建筑科學(xué)研究院編制的PKPM系列軟件（10版V4.3.4版本）SATWE、JCCAD板塊對11#住宅樓進(jìn)行計算分析，若采用天然地基2 m厚筏板基礎(chǔ)，11#住宅樓基底壓力平均值Pk為460 kPa?；A(chǔ)埋深為6.55 m，基礎(chǔ)持力層為③、④、⑤層，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，采用天然地基筏板時地基土強度均不能滿足建筑物上部荷載的要求。結(jié)合場地周圍環(huán)境條件及地質(zhì)條件擬采用泥漿護壁沖孔灌注樁，樁基設(shè)計參數(shù)如表2所示。

1.3.2 樁基礎(chǔ)設(shè)計計算。以當(dāng)?shù)刈畛Ｓ脴稄?.6 m正方形布孔的沖孔灌注樁進(jìn)行計算，樁最小中心間距按照3倍樁徑1.8 m考慮，單樁承擔(dān)的面積3.24 ㎡，樁基單樁頂豎向力1 490.4 kN。樁基持力層選第⑧層黏土層，進(jìn)入持力層深度2 m。按土層地質(zhì)情況最差的鉆孔ZK3依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）[1]給出的土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

因此，樁身最小樁長為1.7+3.3+3.9+7.4+2=18.3m，取18.5m。依據(jù)文獻(xiàn)[1]確定單樁豎向承載力特征值：

單樁豎向承載力特征值取值1 650 kN，按照樁徑0.6 m樁中心間距1.8 m布樁，采用中國建筑科學(xué)研究院編制的PKPM系列軟件（10版V4.3.4版本）JCCAD板塊對11#住宅樓樁基礎(chǔ)進(jìn)行計算分析，荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下基樁最大豎向力NKmax為1 720 kN，小于1.2 Ra。地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下樁基礎(chǔ)也能滿足承載力要求。樁身混凝土強度為C30，其樁身強度能滿足要求。

1.4 11#住宅樓剛性樁復(fù)合地基設(shè)計

1.4.1 水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復(fù)合地基設(shè)計參數(shù)選取。根據(jù)本場地工程地質(zhì)條件，尤其是場地內(nèi)發(fā)育厚層鈣質(zhì)膠結(jié)層，呈半成巖狀態(tài)，按常規(guī)做法，水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）成樁困難，但建設(shè)單位急需趕工期，經(jīng)過和樁基施工單位的共同研究，采用改善型打樁機樁頭，可有效解決鈣質(zhì)膠結(jié)層不易鉆孔的情況，因此11#住宅樓欲采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁），不再采用樁筏基礎(chǔ)形式。地基勘察單位提供的復(fù)合地基設(shè)計參數(shù)如表3所示。

1.4.2 水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復(fù)合地基設(shè)計計算。依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012備案號J220—2012）[2]，對于有黏結(jié)強度增強體復(fù)合地基，確定復(fù)合地基承載力特征值：

其中，m為面積置換率，m= d2/ de2;d為樁身平均直徑，de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑;正三角形布樁de=1.05 s，正方形布樁de=1.13 s，s為樁中心間距。不同樁徑和樁布置方式下的面積置換率如表4所示。

經(jīng)過之前的計算分析，未經(jīng)修正的復(fù)合地基承載力特征值fspk需要460 kPa。按照最不利情況考慮，現(xiàn)場地地基原有承載力特征值fsk取180 kPa，式（3）經(jīng)過推導(dǎo)可得所需單樁豎向承載力特征值：

按照地勘資料提供數(shù)據(jù)，單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ取0.9，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β取0.9，經(jīng)過計算，若達(dá)到所需承載力，不同樁徑和樁間距所需單樁承載力特征值如表5所示。

經(jīng)過與樁基施工單位溝通，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，現(xiàn)場擬采用樁徑0.5 mCFG樁，樁中心間距2 m，正三角形布置。單樁承載力特征值需達(dá)到1 181.58 kN。樁基礎(chǔ)持力層選第⑦層，入層深度3.5 m，按土層地質(zhì)情況最差的鉆孔ZK3計算，依據(jù)文獻(xiàn)[2]確定復(fù)合地基增強體單樁承載力特征值：

因此，樁身最小樁長為1.7+3.3+3.9+3.5=12.4 m，取12.5 m。單樁豎向承載力特征值取值12 00 kN，滿足承載力要求。復(fù)合地基樁身強度經(jīng)核算，也滿足承載力要求。經(jīng)過復(fù)核基礎(chǔ)最大沉降量在40 mm以內(nèi)，滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）[3]規(guī)定的建筑物地基變形允許值。

2 樁基礎(chǔ)方案和水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復(fù)合地基方案對比

按照樁基礎(chǔ)設(shè)計，11#住宅樓共需要樁303根，樁累計長度達(dá)5 605.5 m，混凝土用量約1 584 m?，需要鋼筋約110 t;按照修改后的水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復(fù)合地基方案，11#住宅樓共需要樁439根（不包括場地外試樁），樁累計長度5 487.5 m，估算混凝土用量在1 050 m?左右。

3 結(jié)語

水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）是復(fù)合地基的代表，與樁基礎(chǔ)相比CFG樁不配鋼筋，可以省去鋼筋加工環(huán)節(jié)，節(jié)省時間和人力。樁體利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻合料，大大降低了工程造價，此建筑地基處理方案獲得了建設(shè)方的認(rèn)可。但當(dāng)?shù)夭捎盟喾勖夯宜槭瘶叮–FG樁）復(fù)合地基的工程不是很多，主要考慮當(dāng)?shù)赝临|(zhì)情況，擔(dān)心鉆孔難度較大，難以保證成孔質(zhì)量，本項目采用了改善型樁頭的打樁機進(jìn)行施工，有效解決了這一問題。經(jīng)過此次方案設(shè)計，對比了兩種方案的造價和施工工期，對當(dāng)?shù)仡愃乒こ叹哂幸欢▍⒖純r值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 建筑樁基技術(shù)規(guī)范JGJ 94—2008[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范JGJ 79—2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB 5007—2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.