扬州某高层住宅刚性桩复合地基设计分析

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【摘 要】根据扬州当地工程地质条件，结合工程结构特点和当地施工技术水平，高层建筑软弱地基采用刚性桩和褥垫层处理，形成复合地基，是一种安全、经济的方法，施工难度小，能充分发挥桩和桩间土的承载力。本文分析了刚性桩桩顶设置粒状材料褥垫层后的桩土变形协调原理，桩和桩间同承载荷载的受力机制，复合地基的承载力设计和变形计算方法，并提出了复合地基的桩和褥垫层施工质量要求。

【关键词】高层建筑；刚性桩；复合地基

1. 工程概况

和昌·运河东郡公馆三期位于扬州市，由7栋16～18层高层住宅及地下车库组成。本文以7#楼为例浅析刚性桩复合地基的设计理念和方法。

7#楼地下二层，地上十八层，建筑总高度54.30m，采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，主要开间为4.2m和3.6m，剪力墙平面布置见图1。

3. 基础方案选型

本建筑物规范（GB5007-2002）要求的变形容许值为：沉降量≤200 mm，整体倾≤0.003。

按照当地的做法，可采用钻孔灌注桩、预应力混凝土管桩。按照桩筏基础设计，要满足承载力要求，桩端持力层应落在⑥层粉砂夹粉土上。但是以层⑥作持力层，需穿越④层粉砂夹粉土，该层Ps值较大，土层厚度较厚，预应力管桩沉桩较为困难，其施工质量难以保证；采用钻孔灌注桩施工周期较长，工程造价较高。因此，选择预应力混凝土管桩桩加固④层粉砂夹粉土，使之成为复合地基，筏板尺寸为51.0 m×14.7 m，厚度为0.90 m。

4. 刚性桩复合地基受力原理

4.1 桩与桩间同承担荷载

在外荷载作用下，复合地基中桩与土是在等变形条件下工作的，其关键问题是桩土变形协调。由于桩土刚度差异较大，桩身压缩变形量小于土的压缩变形量，两者差距需由桩与土的相对位移来完成，若是柔性桩复合地基，桩土应力比及压缩模量比相对较小，桩土变形协调相对易于达到，而刚性桩复地基桩土应力比及压缩模量比远大于柔性桩复合地基，特别是刚性桩端一般为较好土层，桩较长，难于以向下刺入满足变形协调，因此刚性桩复合地基通常在桩顶部放置一定厚度粒状材料的褥垫层，为桩向上刺入提供条件，满足变形协调，实践证明，效果比较理想。刚性桩复合地基示意见图2。

褥垫层技术是复合地基的核心技术。如不设褥垫层，基础直接与桩间土接触，承担荷载的性能与桩基相似，荷载主要由桩承担，随着荷载的增加和基础的沉降变形，桩间土的承载能力才逐渐得以发挥，但其发挥比例很小。复合地基由于褥垫层的设置，基础荷载通过褥垫层作用在桩和桩间土上。由于桩的弹性模量远大于土的压缩模量，桩顶沉降小于桩间土的沉降变形。桩顶的垫层材料不断向桩间土蠕动补充，造成桩顶向上刺入垫层中。这保证了在任何荷载水平下桩和桩间土始终参与工作。

刚性桩复合地基中桩、土分担荷载的比例随荷载水平的变化趋势与桩基相反。荷载水平较低时，桩间土分担的荷载大于桩分担的荷载，随着荷载水平的增加，桩间土分担荷载的比例逐渐减小，桩分担荷载的比例逐渐增加。桩间土土分担荷载比例随荷载水平变化是一条下降曲线，桩分担荷载比例随 荷载水平变化是一条上升曲线。桩分担的荷载为Pp，桩间土分担的荷载为Ps，P为总荷载。在Ps/P与Pp/ P曲线相交处，P =P0，桩和桩间土分担的荷载各占50 %；P >P0后，桩分担的荷载就超过桩间土分担 的荷载。（P0随复合地基各参数——桩间土强度、桩长、桩径、桩距、褥垫层厚度等的不同而变化，但一般情况刚性桩复合地基曲线 Ps/P与Pp/P都有交汇点P0，仅当天然地基强度较高又桩长较短、桩距大时，两曲线才不交汇）。

当荷载一定，其它条件相同时，桩和桩间土分担荷载的比例随桩长、桩距、桩间土强度等的不同而变化。桩越长，桩距越小，桩间土强度越低，桩分担荷载的比例越大。反之，桩间土分担荷载的比例越大。当基础承受水平荷载时，复合地基与桩基相比，由于褥垫层的设置，桩承担的水平荷载会由基础与褥垫层的摩阻力抵抗，提高了抵抗水平荷载的能力。由于复合地基中桩间土所占面积的比例远大于桩，所以桩承担的水平荷载只占很小一部分。

4.2 褥垫层的作用分析

褥垫层可以有效保证桩与土同时、直接、共同承担荷载，它是形成刚性桩复合地基的重要条件。当褥垫层处于两种极端情况时，都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，垫层就成为基础的一部分；其二，若褥垫层为绝对柔性，则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，保证在桩顶应力σp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σs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，P 增加，桩顶荷载Pp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σp应大于褥垫层极限承载力。

褥垫层材料多为粗砂、中砂或碎石，碎石粒径宜为8～20mm，不宜选用卵石。

4.3 刚性桩复合地基变形

刚性桩复合地基的总沉降量由三部分组成，即桩长范围内土层的压缩量s1，加固层下卧层的压缩 量s2和褥垫层的压缩量s3。由于s3很小可以忽略，因此基础沉降量就是地基土的压缩变形。由于复合地基中桩的荷载分担和桩对桩间土的侧向约束，桩长范围桩间土的变形小于天然地基的变形，但大于桩基的变形。复合地基变形固然与荷载水平有关，但荷载一定时，桩分担的荷载比例越大，其变形越小。计算刚性桩复合地基变形时，各复合土层的复合模量Espi为刚性桩体模量与土体模量的面积加权平均值。刚性桩复合地基最终沉降量不宜大于80mm。

5. 刚性桩复合地基设计

基础筏板地面压力Pk=300 kPa，基础有效埋深H=4.4m，基底以上土的加权平均重度（浮容重）γ0=11 kN/m3。根据地基基础规范规定Pk≤fa，考虑深度修正，修正系数取为1.0，故要求fspk≥300-11×3.9=257kPa。

本工程采用预应力混凝土管桩复合地基，管桩型号采用PHC-400（95）A-C80-8，桩端持力层为④层粉砂夹粉土，桩端进入持力层约为8m。根据建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）计算得单桩承载力特征值Ra=407KN。

根据《CM三维高强复合地基技术规程》（DGJ32J_68-2010）公式4.3.2-2 ：

fspk=mc*ηc*Ra/Ap+ηs（1-mc）*fsk 其中：

刚性桩面积置换率mc=0.046，

刚性桩承载力调整系数ηc=1.0，

桩间土承载力调整系数ηs=0.8，

刚性桩承载力特征值 Ra=407KN，

桩间土承载力特征值fsk=170kPa，

刚性桩截面面积Ap=0.091m2

计算得fspk=279 kPa>257 kPa，满足设计要求。

根据《CM三维高强复合地基技术规程》（DGJ32J_68-2010）公式4.3.10-2计算复合土层的复合压缩模量Espi可达到100 MPa，采用PKPM（JCCAD）计算本建筑物最终沉降量为25mm

因刚性桩处理后的复合土层层底距离⑤层粉土夹粉砂层较近，且处理后的复合地基承载力特征值远大于⑤层土天然地基承载力特征值（fa=150kPa），需进行软弱下卧层验算，经验算满足规范要求（计算过程不再赘述）。

6. 施工要求

预应力管桩施工时，应执行《预应力混凝土管桩技术规程》（DGJ32-TJ109-2010）的有关要求。复合地基基坑开挖应分层对称开挖，优先采用人工开挖，当采用机械、人工联合开挖时，建议预留300mm厚的土层人工开挖，以确保刚性桩的完整。褥垫层的夯实层与虚铺层厚的比值不应大于0.9。

7. 结语

本工程采用刚性桩复合地基，有效提高了地基承载力，缩短桩基础施工周期，与普通桩基础相比基础造价节省约25%，有效的控制了建筑物的沉降，减少了高层与地库之间的沉降差。

参考文献：

[1]GB50007-2002 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]JGJ79-2002 建筑地基基础处理规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]DGJ32J_68-2010 CM三维高强复合地基技术规程.江苏：江苏省工程建设标准站，2010.