减沉桩在云南玉溪某医药项目中的工程实践
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【摘要】云南玉溪某医药项目柱网跨度大，荷载大，地基极不均匀，软土层较厚，上部有2.5～4米的粘土层，粘土层地基承载力可以满足要求，但沉降较大。通过对拟采用的基础方案进行了方案比选，介绍了其中设置少量减沉桩的基础方案，通过在条基下设置少量减沉桩后沉降值减小很多，表明多层建筑采用减沉桩后可以减少房屋沉降，同时节省工程造价。
【关键词】减沉桩；复合桩基；沉降计算
0、前言
云南玉溪地区地基土存在大面积的洪积、湖积层，地基土存在厚10～30米的高压缩性、低强度、大空隙比和高含水量的有机质土和泥炭质土层，顶部大多存在1.8～4米的粘土（也叫硬壳层），对于常规的多层建筑，一般情况下浅基础地基承载力和软弱下卧层承载力均能满足要求，但由于软土层较厚，必然产生较大的沉降，影响建筑物的使用，多数自建的民居建筑采用浅基础均由于沉降较大而导致墙体开裂或建筑物倾斜。对于这些建筑物如采用桩基，则基础造价较高，且未充分利用硬壳层，因此有必要探索一种更为经济适用的基础方案。和常规桩基相比，减沉桩的复合桩基可以减少沉降和降低造价。减沉桩在上海、天津等软土地区已有较多的应用，但在玉溪还未曾用过，某医药项目制剂厂房减沉复合疏桩基础设计工程是首例，可为同类工程提供参考。
1、减沉桩的工作机理
对于软土地基上的多层建筑，如果邻近地表的地层具有一定厚度的所谓“硬壳层” ， 由于采用浅基础时的地基变形过大，因而需采用桩基来限制沉降量。在这种情况下，桩是作为减少沉降的措施而设置的，这种当天然地基承载力基本满足建筑物荷载要求而以减少沉降为目的设置的桩，特称为“减沉桩”。减沉桩与浅基础协同工作，形成减沉复合疏桩基础。
减沉复合疏桩基础的桩距不小于6d（d为减沉桩直径），上部荷载由桩和桩间同承担，桩的截面一般较小，间距较大，以保证桩间土承担大部分上部荷载，随着上部结构荷载的增加，房屋沉降增加，荷载开始主要由桩承担，从而桩基随之产生沉降。基础底的桩和土的沉降是相等的，基础承载力的可靠度主要由浅基础承载力作保证。
减沉桩设计采用变形控制设计方法，主要对存在深厚软土层的多层建筑的绝对沉降和整体倾斜、挠曲和结构柱脚间的差异沉降进行控制。减沉桩的受力机理比较复杂，其受力性状与常规桩距的桩基础有明显的不同，对此目前相关资料显示研究得还不够，规范条文也比较模糊，因此学术上有不同的观点，争论焦点主要是在正常使用条件下，减沉桩的实际受力是在单桩承载力特征值还是在极限承载力或在两者之间工作。有关资料分别显示：①通过减沉桩模型试验和有限元分析，认为减沉桩在80%～90%的单桩承载力极限值下工作；②减沉桩的承载力按0.9倍单桩承载力极限值设计，复合桩基可以发挥承台底地基土的直接承载作用创造条件；③当浅基础（承台）产生一定沉降时，减沉桩能充分发挥并始终保持其全部极限承载力，具有足够的韧性；④上海规范规定，复合桩基、桩和同作用荷载达到群桩极限状态时，荷载全部由桩承担，地基土不承受荷载，单荷载超过桩的极限承载力时，超过部分由基底地基土承担。本文中减沉桩复合桩基设计采用《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中的设计方法，基底附加压力按总荷载扣除单桩承载力极限值的0.75倍进行计算。
2、工程概况
玉溪一3层（局部4层）制剂车间，建筑面积6607平方米，钢筋砼框架结构，轴线尺寸为86mx24.9m，标志性柱网尺寸为8.4mx9.0m，层高依次为6m、6.6m、6m，出屋面部分层高3.3m，基础形式采用双向条基加减沉桩，地基梁截面采用450x1400（h），条基底标高为-2.3m，基础砼强度等级为C40，基础平面见图1。减沉桩采用￠400预应力钢筋砼高强管桩，桩距2.5m，桩长28m，减沉桩平面布置见图2。该项目现已封顶，根据沉降观测显示，最大沉降仅8mm，采用减沉桩后沉降控制效果显著。
3、地基持力层性质
根据勘察报告及总平面图，项目场地开阔，总图场地设计标高比自然地面低约1米，基底土层不均匀，从自然地面以下土层依次为：
①素填土：全场区均见有分布，层厚0.40～1.50米。
②粉质粘土：硬塑状态；层厚1.80～3.80米，压缩模量ES1-2=4.97～6.66Mpa，平均5.75Mpa。承载力特征值fak取值170Kpa。
③粘土：硬塑状态；层厚2.10～6.00米，压缩模量ES1-2=3.24～6.22Mpa，平均4.84Mpa。承载力特征值fak取值160Kpa。
④粘土：可塑状态，层厚0.40～8.80米，压缩模量ES1-2=3.21～4.31Mpa，平均3.68Mpa。承载力特征值fak取值140Kpa。
④?1有机质土：软塑状态，层厚0.40～3.20米，压缩模量ES1-2=1.20～2.04Mpa，平均1.47Mpa，承载力特征值fak取值70Kp。
④?2粉质粘土：软塑状态；层厚5.40～8.50米，压缩模量ES1-2=2.32～4.08Mpa，平均3.10Mpa，承载力特征值fak取值120Kpa。
⑤泥炭质粘土：软塑～流塑状态；压缩模量ES1-2=1.32～3.85Mpa，平均2.59Mpa，承载力特征值fak取值60Kpa。
⑤1粉质粘土：可塑-硬塑状态，层厚0.70～6.60米，压缩模量ES1-2=3.58～6.93Mpa，平均4.56Mpa。承载力特征值fak取值150Kpa。
⑥粉质粘土：硬塑状态，厚度不详，压缩模量ES1-2=5.14～6.50Mpa，平均5.69Mpa。承载力特征值fak取值200Kpa。
4、基础方案
根据地勘资料显示，场地土层不均匀，且厚薄不均，场地基础底部为1.5米至5米左右的硬壳层，建筑左半部分硬壳层相对较厚。经计算分析（计算过程略），地基硬壳层的承载力及软弱下卧层的承载力满足要求；但根据JCCAD沉降计算，采用浅基础的地基沉降约为320mm，国标地基规范虽未规定沉降值，但此沉降量必然会影响建筑物的使用，必须采取措施控制沉降量。
基础方案如采用桩基础，约需230根￠400PHC桩，桩数较多，造价较高，考虑到基础底部的硬壳层具备一定承载力，该项目最终采用在条形基础下布置适量减沉桩的基础方案，减沉桩采用￠400预应力钢筋砼高强管桩，桩长34～38m，条基布置详见图1，减沉桩平面布置见图2。
5、减沉复合桩基沉降计算
（1）、基本参数
桩型：￠500预应力钢筋砼高强管桩，桩长：36m
条基面积（A）：1516.3m2
承台面积控制系数：ξ=1.0
条基底部的地基承载力特征值：fak=160kPa
上部荷载（基底处）标准值：Fk+Gk=232180kN
桩基承台总计算净面积：AC=ξx（Fk+Gk ）/fak=1451 m2
实际AC= =1491 m2
桩基承台效应系数：ηc=0.6
单桩承载力特征值；Ra=1000kN（实际试桩结果）
按地质剖面中最不利计算桩数
桩数：n=[（ Fk+Gk ）- ηc x fak x AC]/Ra=111
考虑到地基的不均匀性，设计n= 128根。
条基底部准永久组合下的地基反力：F=215112 kN
基桩刺入变形影响系数：ηp=1.2
按单桩承载力特征值计算地基平均附加应力p0
地基平均附加应力：p0= ηpx（F-nx Ra）/AC
=1.2x（215112-128x1000x2x0.75）/1491
=19kPa
等效距径比：sa/d=6.9
沉降计算经验系数：ψ=1.0
桩身范围内平均桩侧极限摩阻力：q（__）su=38 kPa=0.038MPa
桩身范围内平均压缩模量：E（__）s=3.4 MPa
由桩土相互作用产生的沉降：ssp=280x（0.038÷3.4）x500/6.92
=33mm
承台等效宽度：BC=12.4m
根据地质剖面图，选择代表性钻孔ZK4计算
岩土编号 岩土名称 土层深度
（m） 压缩模量
（MPa） 土层厚度
（m）
1 粉质粘土 3.5 5.75 3.5
2 有机质土 4.5 1.47 1.0
3 粘土 9.5 4.84 5.0
4 有机质土 10.5 1.47 1.0
5 泥炭质土 31.5 2.59 21.0
（2）、附加应力计算：
编号 距基底深度
zi（m） 压缩模量
Esi（MPa） 附加应力系数
ai 平均附加应力系数
ai（___）
1 1.5 5.75 0.249 0.2498
2 3.0 5.75 0.239 0.2470
3 3.5 5.75 0.234 0.2455
4 4.5 1.47 0.227 0.2433
5 6.0 4.84 0.205 0.2353
6 7.5 4.84 0.189 0.2288
7 9.0 4.84 0.167 0.2187
8 9.5 4.84 0.167 0.2187
9 10.5 1.47 0.154 0.2118
10 12.0 2.59 0.143 0.2051
11 13.5 2.59 0.128 0.1955
12 15.0 2.59 0.119 0.1895
13 16.5 2.59 0.109 0.1811
14 18.0 2.59 0.102 0.1759
15 19.5 2.59 0.096 0.1709
16 21.5 2.59 0.086 0.1606
17 23.5 2.59 0.080 0.1541
18 25.5 2.59 0.074 0.1481
19 27.5 2.59 0.069 0.1425
20 29.5 2.59 0.064 0.1357
21 31.5 2.59 0.061 0.1325
计算深度约31.5m可满足《桩基规范》5.6.2的要求。
σ=∑aix19=56.3
（3）、沉降计算
编号 距基底深度
zi（m） 压缩模量
Esi（MPa） 平均附加应力系数
a（――）i
4P0/Esi zia（__）i-zi-1a（__）i-1
ss
（mm）
1 1.5 5.75 0.2498 13 0.3747 4.9
2 3.0 5.75 0.2470 13 0.3663 4.8
3 3.5 5.75 0.2455 13 0.1183 1.5
4 4.5 1.47 0.2433 51 0.2356 12
5 6.0 4.84 0.2353 16 0.3170 5
6 7.5 4.84 0.2288 16 0.3042 4.9
7 9.0 4.84 0.2187 16 0.2523 4
8 9.5 4.84 0.2187 16 0.1094 1.8
9 10.5 1.47 0.2118 51 0.1463 7.5
10 12.0 2.59 0.2051 29 0.2373 6.9
11 13.5 2.59 0.1955 29 0.1781 5
12 15.0 2.59 0.1895 29 0.2033 5.9
13 16.5 2.59 0.1811 29 0.1456 4
14 18.0 2.59 0.1759 29 0.1780 5
15 19.5 2.59 0.1709 29 0.1663 4.8
16 21.5 2.59 0.1606 29 0.1204 3.5
17 23.5 2.59 0.1541 29 0.1684 4.9
18 25.5 2.59 0.1481 29 0.1552 4.5
19 27.5 2.59 0.1425 29 0.1422 4
20 29.5 2.59 0.1357 29 0.0844 2
21 31.5 2.59 0.1325 29 0.1706 5
则∑ss=105mm
最终计算沉降值：s=ψ（ss+ssp） =1.0x（105+33）=138mm
由此可见，浅基下加减沉桩控制沉降效果明显，计算沉降比天然地基中点沉降（320mm）减小57%。再根据地基及上部荷载情况，合理调整条基宽度及减沉桩布置实现均匀沉降。
6、结语
（1）、计算的中点沉降比天然地基中点沉降较小57%，说明设置适量减沉桩可有效控制沉降。从结构封顶后的沉降观测知，其最大沉降为8mm，预计最终沉降达32mm（假设封顶后沉降完成25%）。理论计算值偏于安全。
（2）、该工程与采用常规桩基比较，采用减沉复合桩基可减少桩数44%，考虑到防挤土效应的引孔措施费用及监测费用，降低造价约35%。
（3）、采用减沉复合桩基控制沉降，关键在于如何确定基底附加应力。本工程按总荷载扣除单桩承载力极限值的0.75倍进行计算，根据目前的观测资料显示，计算偏于安全。
（4）、采用减沉复合桩基基础的建筑产生沉降时，减沉桩的单桩承载力已接近极限值，具体数值有待试验验证。桩基规范按单桩承载力特征值计算，过于保守值得商酌。
参考文献：
【1】《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008
【2】《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011
【3】东港海滨公园预应力管桩试验报告 浙江宏宇勘察设计有限公司2004
【4】郑刚、顾晓鲁 减沉桩承载力机理的试验及计算分析 建材出版社
【5】上海市工程建设标准 地基基础设计规范等