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高层建筑桩复合地基设计

2015-07-13 242 0

1、刚性桩复合地基的设计思想
　　由于刚性桩复合地基和复合桩基础作用机理比较类同，笔者认为现行《建筑桩基技术规范》的有关设计原则可供刚性桩复合地基设计时参考。比如以极限状态为原则，按“设计值”进行设计。在准确分析工程特征、工程地质资料及选择好桩型的前提下，须选定一个相对硬层，作为刚性桩的端层。并且必须进入一定深度，以保证端承力的发挥和必要的侧向约束。须避免将桩端置于软土层上。此外还必须计算桩长、桩间距，单桩承载力极限值、设计值，验算桩身结构强度，验算群桩整体破坏的可能性。
　　对于刚性桩复合地基来说，由于桩土应力比较大，须在桩顶以上铺设100mm-300mm厚的砂石褥垫层，以调整桩土应力比，增大基底摩擦。褥垫层的厚度可以根据建筑物的结构特征、基础形式、桩间土性质及其对地基变形的要求等因素综合选定。
　　2、刚性桩复合地基特点
　　刚性桩复合地基即是采用刚性桩增强天然地基的部分土体，通过设置于基础和桩之间的褥垫层来使增强体和地基土共同承担荷载的人工地基。夯扩桩是沉管灌注桩的施工工艺与机械挤扩桩的桩基基础相结合的产物，即用柴油锤等将内外双管打入桩位，采用夯扩的方式将桩端现浇混凝土扩大成大头形的一种桩型。它具有止淤止水，减少缩颈和断桩，工程造价低等优点。
　　3、工程概况
　　该工程为小高层住宅，地下设一层人防地下室（基坑开挖深度约4.5 m），地
　　面以上为14层，屋面标高为42.850 m。结构体系为壁式框架剪力墙结构，建筑结构的安全等级为二级，地基基础的设计等级为乙级。基础原设计采用大直径钻孔灌注桩，以7—2强风化凝灰岩为持力层，在现场试桩至3夹块石混（粉）砂土层，钻孔难度大，速度很慢，无法穿透地基中存在的古江堤护坡的条石、块石。经可行性及经济性的多方案比较，地基基础的设计方案改为刚性桩复合地基。
　　4、刚性桩复合地基设计
　　4.1 桩复合地基设计方案
　　根据补充施工勘探报告揭露的地质，本场地的岩溶发育，钻探见洞率高，场地的基岩变化起伏大。为避免基础沉降大和地基承载力小的问题，根据复合地基的承载机理，决定对塔楼部分采用刚性桩复合地基的设计方案。
　　选夯扩桩做为刚性桩是因为其在桩端形成扩大头，提高了桩端支承面积，同时夯扩挤密了桩端土，增大了桩端阻力，最终使得桩承载力得到提高。采用桩身直径500 mm，扩大头直径为900mm的夯扩桩，等边三角形布桩，桩中心距为1.75m，桩端持力层为地质资料中③2、③3编号的粉质粘土层或石灰岩面，桩身混凝土强度等级均为C25。由夯扩桩单桩竖向承载力特征值公式Rk=πdΣLixqsa+π/4xDxβxqpa根据钻孔资料计算出Rk范围在736kN～1183 kN，取所有钻孔承载力计算的平均值为1000 kN。但因为基础在溶洞发育地区，所以对Rk取调整系数0.6，则最后单桩竖向承载力特征值为600 kN。
　　4.2 基础设计
　　该工程刚性桩（长桩）采用西457 x 12钢管桩，有效桩长为36 m，以7—2强风化沉凝灰岩为持力层。桩顶用钢板封闭与地下室底板间设置150 mm（工时改为200 mm）垫层和70mm厚的C10凝土垫层。地下室底板下有一层平均厚度为1.85 m、地基承载力标准值为160 kPa的粘质粉土，考虑到此层土较薄，采取用φ426的振动沉管砂石短桩加固3—2粉砂层。
　　4.3 复合地基承载力设计计算
　　考虑桩的设置对承载力的影响效应时，对刚性桩复合地基通常CFG合地
　　基承载力计算方法，即
　　式中： fspk——复合地基承载力特征值（kPa）;m——桩土面积置换率;d ——桩身外直径（m）;de——一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（m），按等边三角形布桩时，de可按1.05s取值;Ra——单桩竖向承载力特征值（kN）;Ap——包括桩芯土在内的桩横截面全面积（m2）;β——桩间土承载力折减系数;fsk—— 修正后桩间土承载力特征值（kPa）;s——桩间距。
　　承载力仅是设计控制必须遵循的一个标准，具体设计主要还取决于建筑物沉降控制要求。对大桩距刚性桩复合地基，确定复合地基承载力特征值时，对桩间土承载力乘以折减系数来反映工作荷载下桩间力的发挥程度在承载能力极限状态设计上是不合理的。当桩距较小时，如复合地基整体达到承载能力极限状态时，桩间土承载力仍不能充分发挥，这时将桩间土承载力乘以折减系数，这是必要的。
　　4.4 褥垫层设置
　　对褥垫层进行分析，其处于两种极端情况时，对桩上荷载向桩间土的转移不利。其一，若褥垫层为绝对刚性，垫层就成为了基础的一部分;其二，若褥垫层为绝对柔性，褥垫层又成为桩间土的一部分。这两种情况都会使褥垫层形同虚设，而在这二者之间，必然存在适当“刚度”的褥垫层，能使桩间土充分发挥作用。所谓适当“刚度”，关键是要达到两个目的。
　　第一保证在桩顶应作用下桩能刺入褥垫层中，即前面所说的变形对桩与桩间土承载力的影响;第二使褥垫层在桩间土应力作用下不产生过大的压缩变形。前者的目的是桩刺入后，桩顶褥垫层材料向桩间土上部移动，加之桩间土的面积大，使桩间土分担荷载不产生卸载，桩“刺入”褥垫层后，桩顶对褥垫层的作用进入塑性阶段，增加桩顶荷载P
　　p增加不大，P增加的绝大部分由桩间土承担。后者实质上是当桩间土不会由于褥垫层有较大变形，而不能分担荷载。设褥垫层的极限承载力为fu 要保证桩刺入褥垫层则桩顶应力p应大于褥垫层极限承载力如果褥垫层的厚度太薄，桩顶压实区I实体会顶住基础，刺入难度加大，桩顶褥垫层向桩间土区域转移量小，则桩间土作用发挥较小，甚至复合地基可能变为一般桩基。太厚，桩刺入量会很大，基础沉降量大，并且会增加基础造价，也加大地基土的荷载作用。笔者从桩刺入时的受力机理分析，提出褥垫层最小厚度的概念。这是基于以下考虑;滑动面不受基础底面的干扰，则基础底应在滑动面顶点以上，其对滑动面阻力最小;
　　基础底在压实区1Ⅱ顶点以上、塑性区Ⅱ顶点以下，基础对滑动面产生阻力。褥垫层的压缩模量应大于桩间土的压缩模量若干倍以保证不因褥垫层变形过大而减少桩间土的承担荷载。
　　4.5 桩身强度确定
　　由桩身强度验算公式Ra≤ψc Ap fc（式中ψc为工作条件系数取0.7）可得fc≥1000/（0.7x0.19625）=7.28N/mm，查《混凝土规范》选用C25，fc=11.9N/mm，满足要求。
　　4.6 沉降计算
　　复合地基的沉降计算采用分层总和法进行，把总沉降量分为加固区的沉降S1和下卧层的沉降S2，总沉降采用两者之和。此处要注意的是由于复合地基加固区是土体和增强体共同承担荷载，增加体和土体应看做一个整体来考虑复合模量。由规范可知复合模量表达式为Esp= Es x（fspk / fak），其中fak为天然地基土承载力特征值。限于篇幅不再演算计算过程，最终沉降满足规范要求。
　　5、结语
　　本工程采用刚性桩复合地基充分发挥了桩间土的承载力大幅度减少桩的造价减少施工难度加快工程进度其承载力和变形均能满足规范要求由于复合地基修正的承载力特征值取值偏低地基承载力是偏安全的。
　　参考文献
　　[1]《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002），中国建筑工业出版社， 2002.
　　[2]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002），中国建筑工业出版社， 2002.
　　[3] 《CFG桩复合地基技术及工程实践》，闫明礼、张东刚，中国水利水电出版.

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