教学楼地基基础工程设计优化研究

李振卿（山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）

教学楼作为教育的主要场所，其地基基础设计是建筑工程至关重要的环节，设计优化研究对于保障建筑物的安全稳定具有重要意义[1-2]。随着科学技术的不断进步和建筑结构的日益复杂化，地基基础设计的科学性和合理性成为一个热点问题[3]。

CFG 桩（水泥粉煤灰碎石桩）是一种由碎石、粉煤灰与适量水泥和水混合搅拌形成的桩，具有强度高、施工速度快、成本低等优点，可以有效改善地基土体的力学性能，提高整体的抗震能力和稳定性，广泛应用于各类建筑地基处理工程中[4]。而钻孔桩则是通过钻孔机械在土中钻孔，然后在孔中灌入混凝土形成的桩，可以有效提高地基的承载力和稳定性。钻孔桩的优点在于其承载力高、施工噪音小、对周围环境影响小，也常被用于各类建筑地基处理工程中[5-6]。

本文结合山东省某市新建中学教学楼的地基基础设计实例，对原设计中的独立基础进行设计优化，提出了2 种优化方案，以提高建筑物地基承载力，防止不均匀沉降，并运用现场实测的方法对2种不同优化方案的单桩进行测试。

1 工程概况

山东省某市新建中学教学楼位于东西湖区，教学楼总建筑面积为4248m2，上部结构采用钢筋混凝土现浇框架结构，建筑高度为22.2m，底层高度为4.5m，其他层高为3.6m，竖向承重结构采用C40混凝土，剪力墙厚度为300mm，柱子尺寸为500mm×500mm，主楼框架梁截面尺寸为400mm×250mm，基础采用钢筋混凝土独立基础，基础埋深为1.5m，持力层为②黏土层。建筑场区地处江汉平原东北缘，属于岗边湖积平原，海拔在21.5m～26.0m，场地平整后地面起伏不大，场地及地基复杂程度均为二级，抗震设防烈度为6 度，地基土主要以第四系沉积层为主，无液化土层，下伏泥岩，多年观测地下水水位变化幅度在1.5m 左右，地基土各层物理力学指标见表1。

表1 建筑地基土物理力学指标

2 不同地基基础优化设计方案的确定

经过初步设计方案的比较，对独立基础确定了2种不同的桩基础优化设计方案，分别为方案A：在独立基础下设置长螺旋钻孔灌注CFG 桩复合地基；方案B：在独立基础下现浇钢筋混凝土桩基础。

2.1 方案A

在方案A 中，长螺旋钻孔灌注CFG 桩复合地基采用等边三角形的平面布置形式，桩中心距离独立基础外侧的距离为150mm，CFG 桩的桩长为7m，桩直径为400mm，桩间距取为1m，由此可以确定方案A中长螺旋钻孔灌注CFG桩单桩承载力特征值如公式（1）所示[7-8]。

式中Ra为长螺旋钻孔灌注CFG 桩单桩承载力特征值，kN；n为CFG 桩穿越的土层数量；Ap为CFG 桩的截面积，m2；qsi为CFG桩在第i层土中桩周侧摩阻力特征值，kPa；qp为CFG 桩在桩底的端阻力特征值，kPa；li为第i层土的厚度，m。

长螺旋钻孔灌注CFG桩复合地基面积置换率如公式（2）所示。

式中m为CFG 桩复合地基面积置换率；fspk为复合地基承载力的特征值，kPa；fsk为地基处理后的桩间土承载力，kPa；β为桩间土的强度发挥系数。

2.2 方案B

在方案B中，现浇钢筋混凝土桩基采用C30强度等级的混凝土，桩径500mm，桩长20m，桩基配筋率不小于0.2%，钢筋强度等级为HRB400，钢筋直径为14mm，主筋数量为8根，验算配筋率如公式（3）所示[9]。

式中ρ为桩基配筋率，%；As为钢筋的总面积，m2；A为圆形混凝土桩基的截面积，m2。

现浇钢筋混凝土桩的单桩承载力特征值如公式（4）所示。

式中Ra1为钢筋混凝土灌注桩的单桩承载力特征值，kN；n为钢筋混凝土灌注桩穿越的土层数量；Ap1为钢筋混凝土灌注桩的截面积，m2；qsi1为钢筋混凝土灌注桩在第i层土中桩周侧摩阻力特征值，kPa；qp1为钢筋混凝土灌注桩在桩底的端阻力特征值，kPa；li1为第i层土的厚度，m。

桩基的数量由桩顶荷载、桩基承台及上覆土层重量确定，如公式（5）所示[10]。

式中k为单个独立基础承台下对应的钢筋混凝土灌注桩数量，根；G为桩基承台及上覆土层重量，kN；F为桩顶荷载，kN。

3 地基基础工程设计优化方案对比

为了验证2种优化方案的承载力和变形性能，在场区进行了试桩试验，运用现场载荷试验的方法对CFG桩和现浇钢筋混凝土灌注桩的荷载-变形曲线进行测试。CFG 桩载荷试验选用的圆形承压板直径为0.8m，面积为0.5m2，加载等级分别为0kN、50kN、100kN、150kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN 和450kN；钻孔灌注桩载荷试验选用的圆形承压板直径为0.8m，面积为0.5m2，加载等级分别为0kN、50kN、100kN、500kN、1000kN、2000kN、3000kN 和3500kN；每级荷载达到相对稳定后再加载下一级，相对稳定的标准为1h内沉降量小于0.1mm[11-12]，每级荷载的沉降读取时间间隔分别为前1h内按10min间隔读取，以后每隔30min读取一次。当承压板周围土体明显侧向挤出，或荷载-位移曲线出现陡降，或在某级荷载下24h内沉降速率不能达到稳定标准，则可以停止载荷试验。长螺旋钻孔灌注CFG桩和现浇钢筋混凝土灌注桩均测试了3根试桩，得到的微型钢管桩单桩荷载-位移曲线如图1～图2 和表2～表3所示。

图1 长螺旋钻孔灌注CFG桩单桩载荷-变形曲线

图2 现浇混凝土钻孔灌注桩单桩载荷-变形曲线

表2 长螺旋钻孔灌注CFG桩单桩现场载荷试验结果

表3 现浇混凝土钻孔灌注桩单桩现场载荷试验结果

从图1中可以看出，3根长螺旋钻孔灌注桩CFG桩的单桩载荷-变形曲线的变化规律基本一致，在荷载小于250kN时，随着载荷的增加，长螺旋钻孔灌注桩CFG桩的位移呈近线性增加，表明桩基处于弹性工作阶段，3 根试桩的位移约为3.5mm；而在荷载大于250kN 时，随着载荷的增加，长螺旋钻孔灌注桩CFG 桩的位移呈非线性增加的趋势，在荷载为450kN时，单桩产生桩土破坏，停止加载，CFG-1 试桩的最大位移为14mm，CFG-2 试桩的最大位移为13.2mm，CFG-3 试桩的最大位移为14.1mm。由此可以确定长螺旋钻孔灌注桩CFG桩的承载力特征值为250kN，略大于公式（1）的计算结果，设计承载力满足要求。

从图2中可以看出，3根现浇钢筋混凝土灌注桩的单桩载荷-变形曲线的变化规律基本一致，在荷载小于2000kN时，随着载荷的增加，现浇钢筋混凝土灌注桩的位移呈近线性增加，表明桩基处于弹性工作阶段，3 根试桩的位移约为3.1mm，与图1 中长螺旋钻孔灌注桩CFG 桩对应弹性阶段结束时的位移相近；而在荷载大于2000kN 时，随着载荷的增加，现浇钢筋混凝土灌注桩的位移呈非线性增加的趋势，在荷载为450kN时，单桩产生桩土破坏，停止加载，Pile-1 试桩的最大位移为9.2mm，Pile-2试桩的最大位移为8mm，Pile-3试桩的最大位移为10mm，均小于图1 中长螺旋钻孔灌注桩CFG桩对应破坏阶段结束时的位移。由此可以确定现浇钢筋混凝土灌注桩的承载力特征值为2000kN，略大于公式（4）的计算结果，设计承载力满足要求。

综合以上分析可知，长螺旋钻孔灌注桩CFG 桩和现浇钢筋混凝土灌注桩的单桩载荷-位移曲线均具有明显的弹性阶段，且现浇钢筋混凝土灌注桩的单桩承载力特征值大于长螺旋钻孔灌注桩CFG桩单桩承载力特征值，在弹性阶段结束时，2 种方案的试桩变形较为接近，但在破坏阶段现浇钢筋混凝土灌注桩的位移相对较小。

4 结语

以山东省某市新建中学教学楼的地基基础设计为研究对象，针对原独立基础设计方案提出了2种不同的基础工程优化设计方案，并采用现场试验的方法对不同优化方案进行载荷试验，分析其承载力和变形特征，得到以下结论：

（1）提出的2 个优化设计方案分别为方案A：在独立基础下设置长螺旋钻孔灌注CFG 桩复合地基，桩长为7m，桩直径为400mm，桩间距取为1.0m；方案B：在独立基础下现浇钢筋混凝土桩基础，桩基础桩径500mm，桩长20m，桩基配筋率0.63%。

（2）长螺旋钻孔灌注桩CFG 桩和现浇钢筋混凝土灌注桩的现场载荷试验均表明，2 种方案的单桩载荷-位移曲线均具有明显的弹性阶段，浇钢筋混凝土灌注桩的单桩承载力特征值大于长螺旋钻孔灌注桩CFG桩单桩承载力特征值，且破坏阶段的位移相对较小。