刚性桩复合地基在高层建筑中的应用

李小茜

摘要：通过结合太原嘉实太高层塔楼应用刚性桩复合地基的工程实例，阐述了刚性桩复合地基工作的基本原理，以及采用钻孔灌注桩作为刚性桩复合地基的设计思路。

关键词：刚性桩复合地基；钻孔灌注桩；褥垫层；沉降

一、刚性桩复合地基的工作机理和褥垫层的作用

刚性桩复合地基是以摩擦型刚性桩作为竖向增强体的复合地基。刚性桩复合地基中的桩体一般可采用钢筋混凝土桩、素混凝土桩、素混凝土桩、预应力管桩、大直径薄壁筒桩、CFG桩、钢管桩等。由于刚性桩复合地基可充分的利用桩土的共同作用，相比于普通的桩基工程其具有良好的经济效益，且施工方便快捷，在工程建设中应用较多，尤其在北方地区，应用较为广泛。

刚性桩复合地基的工作机理，是通过桩土之间的变形协调来达到桩土共同承担荷载的目的。因此，我们通常在桩顶铺设10-30cm褥垫层，桩顶向上刺入褥垫层，来完成桩土之间的变形协调。

褥垫层是保证桩土共同作用的重要措施，其材料可采用中砂、粗砂、碎石、级配砂石等。褥垫层的作用主要有以下几点：

（1）、保证桩、土共同承担荷载，它是形成刚性桩复合地基的重要条件；

（2）调整桩土荷载分担比，通过改变褥垫层的厚度调整桩竖向荷载的分担比例，通常褥垫层越厚桩承担的荷载 占总竖向荷载的百分比越低，反之亦然；

（3）、减小基础底面的应力集中；

（4）、调整桩土水平荷载的分担，褥垫层越厚，桩承担的水平荷载占总水平荷载的百分比越小，反之亦然。

二、工程實例

1、工程概况

太原嘉实·太中心项目包括为5栋23～30层住宅楼、2栋20层办公楼、2层商业、5层商业、6层商业及3层地下车库。总建筑面积约22万m2，地上建筑面积约12万m2，地下建筑面积约10万m2，建筑基底面积约9100 m2。高层住宅采用剪力墙结构，及办公楼采用框架-剪力墙结构，最大柱荷载为28000KN，高层部分基底压力约为400-600KPa。地基基础设计等级为甲级。场地所处地貌单元为汾河东岸Ⅰ级阶地，拟建场地地形较平坦，勘探深度范围内场地地基土沉积时代及成因类型自上而下依次为：第四系全新统新近人工堆积层（Q42ml），以第①层杂填土层底为界；第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl），以第⑦层中砂层底为界；第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl），本次勘察未揭穿。岩性以杂填土、粉质粘土、粉土、砂土为主。场地各土层天然地基土承载力特征值见表一，桩侧阻及桩端阻见表二。

表一天然地基土承载力特征值一览表

表二桩侧阻力及桩端阻力极限值表

2、基础方案比较分析

方案一、拟采用天然地基上的筏板基础。高层住宅及办公楼基础埋深为18米，各高层建筑将以第⑤层细中砂、第⑥层粉质粘土作为基础持力层，经深宽修正后第⑤、⑥层天然地基承载力特征值fa依次为287kPa、243kPa，不满足其基底压力400～600kPa的设计要求，因此高层住宅及办公楼天然地基强度不满足要求。

方案二、拟采用刚性桩复合地基。

拟采用静压预应力管桩或后注浆钻孔灌注桩作为本工程复合地基的刚性基桩，现对两种桩型在造价、施工过程、成桩质量、检测等几方面进行对比分析，选取性价比相对较高的桩型作为本工程的实施桩型。以本工程办公楼A栋为例进行分析，场地已开挖大约5米，距离基坑底仍有将近15米。对采用预应力管桩和后注浆钻孔灌注桩进行造价比较 ，见表三。

通过造价对比，在没考虑预应力管桩送桩及钻孔灌注桩空桩的情况下比较接近、相差不大。

如果二者都在现有地面施工，预应力混凝土管桩存在桩长不足需要接桩或者过长造成浪费、钻孔灌注桩垂直度较差等，就造价而言（后注浆）钻孔灌注桩造价更省；如果在土方开挖到基坑底后再施工刚性基桩，静压预应力混凝土管桩或（后注浆）钻孔灌注桩均可作为本工程复合地基的刚性基桩。经过综合分析比较，本工程采用（后注浆）钻孔灌注桩作为复合地基的刚性基桩。

3、刚性桩复合地基承载力计算

刚性桩复合地基承载力由桩竖向抗压承载力和桩间土地基承载力两部分组成。本工程刚性桩采用桩底后注浆钻孔灌注桩，桩直径为800， 桩长暂定10m， 桩底约进入《太原市嘉实太中心岩土工程勘探报告》中第7层（中砂层）约3.0米。要求单桩竖向承载力特征值为2800kN，基底置于《太原市嘉实太中心岩土工程勘探报告》中第6层（粉质粘土层）， 天然地基承载力特征值为220 KPa。

a） 刚性桩桩承载力计算，桩竖向极限承载力特征值按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）计算，后注浆灌注桩的单桩竖向极限承载力标准值计算按公式：Quk=Qsk+Qgsk+Qgpk =（5.3.10）确定。

以《太原市嘉实太中心岩土工程勘探报告》的16-16剖面ZK63孔和14-14剖面ZK54孔为例计算得出单桩竖向极限承载力标准值Quk=6216KN、6237KN。单桩竖向承载力特征值按公式Ra=Quk/K（5.2.2）确定。单桩竖向承载力特征值：Ra= Quk/K=6216/2=3108KN， 取Ra =2800KN。桩身混凝土强度计算 Q ≤ Ap * fc * ψc=502655*14.3*0.7/1000=5042.6KN >2800x1.35=3780KN。刚性桩承载力满足要求。 b） 刚性桩复合地基承载力特征值计算， fspk = mRa/Ap+β（1-m）fsk

m---面积置换率；m=0.051；

Ra---单桩竖向承载力特征值；Ra=2800kN；

Ap---桩截面面积；Ap=0.5m2；

β---桩间土天然地基承载力折减系数；β=0.8；

fsk---桩间土天然地基承载力特征值；

由上式：fspk=453KPa。

按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）式（5.2.2-1）

pk=（Fk+Gk）/A=833700/2155=386.9KPa

按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）式（5.2.2-2、3）验算风荷载作用下的地基承载力。

pkmax=（Fk+Gk）/A+Mk/W=833700/2155+303664/19586=402.4KPa<1.2fspk=544KPa

pkmin=（Fk+Gk）/A-Mk/W=371.4KPa>0

满足要求。

4、刚性桩复合地基沉降计算

复合地基沉降计算按规范分层总和法进行估算，经计算地基最终变形量S=20.6mm；同时将土、桩按弹簧模型在ETABS中进行整体有限元分析，分别用面弹簧、线弹簧来模拟土和桩的压缩刚度，计算结果最终变形量约为18mm。分层综合法估算地基变形量与有限元计算变形量接近，可判断计算结果合理。

三、结语

刚性桩复合地基在工程应用中能有效降低造价，且施工方便快捷，具有较好的经济效益。本文从实际工程中基础方案的对比分析以及刚性桩复合地基承载力计算、沉降计算出发，探讨了刚性桩复合地基在高层中的应用，希望在以后的工程中遇到类似的设计能起到一定的指导作用。

参考文献：

[1]《建筑地基基础设计规范》（GB 5007-2011）中国建筑工业出版社，.2011

[2]《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）

[3]龚晓南编.？复合地基理论与实践学术讨论会论文集.？杭州：浙江大学出版社，1996：43～46.