低强度混凝土桩复合地基在多层建筑中的应用研究.doc

低强度混凝土桩复合地基在多层建筑中的应用研究翁海洪（福州市民用建筑统建办公室 350005）【提要】阐述低强度混凝土桩复合地基特点，结合工程实例，验证低强度混凝土桩复合地基在软土地层多层建筑中应用可行性。【关键词】 低强度混凝土桩、复合地基、软土The Research of the Appliance of the Composite Foundation With Low-strength Concrete Pile In Multi-storey Building【Abstract】 This article discusses the characteristics of the composite foundation with low-strength concrete piles and attests to the feasibility of the applications of the composite foundation with low-strength concrete piles in soft stratum.【Keyword】 low-strength concrete pile, composite foundation, soft stratum1引言福建沿海地区深厚软土地基的淤泥层厚度达1030m，地层复杂，基础选型成为多、高层建筑的关键问题之一，直接影响到建筑物的安全与经济效益。过去68层的商住建筑最常用的基础型式是沉管灌注桩基础，目前应用最多的是高强预应力管桩基础。在典型海相沉积的深厚软土中常有厚度较簿的硬夹层或与淤泥互层，不宜作为桩基持力层，不得不将桩端落在很深的较好的土层上，因此，桩长很长，基础造价常达到总造价的20%以上，而且施工难度增大，成桩质量得不到保证。针对沿海地区深厚软土地基特点，为充分利用软土层中有限厚度的硬夹层，我们与中国建筑科学研究院地基所合作，开展了低强度砼桩复合地基的应用研究。经过多年的监测，认为低强度砼桩复合地基技术在深厚软土地基中具有很强的适应性，技术可行，基础造价省，有一定的推广应用价值。本文结合实际工程应用情况进行介绍。2低强度砼桩复合地基受力、变形性状（1）复合地基是由桩基和浅基组成的复合体，通过垫层将桩基和浅基有机连接在一起，其中浅基主要作用是使上部和基础连成一体，提高上部结构刚度，将上部荷载向桩土传递；桩基主要起力的传递作用，它在复合中起到力的集中和扩散作用，把力传向桩周土和桩端下土层。复合地基的分类主要是依据桩身抗压强度来进行划分的,强度低于2MPa的称为柔性桩复合地基。因柔性桩桩身强度很低，荷载作用下，很容易产生侧向变形，且土所能提供的约束作用较小，它是导致柔性桩复合地基变形和沉降的主要原因。同时，桩身强度低，不能有效地将上部荷载传递到深层土中，所以不可能有效地提高地基承载力。上述情况是柔性桩复合地基存在的致命缺点，所以其推广应用受到了限制。（2）低强度砼桩复合地基是以沉管灌注桩为竖向增强体,通过褥垫层将沉管灌注桩和浅基有机连接在一起。由于沉管灌注桩桩身有较强的胶结性和强度,可以防止桩体产生侧向变形（蠕变），与柔性桩（碎石桩、灰土桩）相比，有效地减少了桩体自身的沉降量。同时，桩身强度高，可在深厚软土中向深层传递荷载，传力性能明显优与柔性桩，承载力显著提高，变形特性明显改善。复合桩基础存在桩顶应力过于集中的问题，而低强度混凝土桩复合地基在桩与浅基之间设一级配砂石垫层（即褥垫层），通过砂石垫层的可调节桩土应力比，使浅层土起作用，待垫层压密后桩才逐步发挥作用，开始承受上部荷载，从而避免桩顶应力过于集中之弊病。根据有关实验资料表明，从桩土应力比n及地基土分担荷载特征来看，低强度砼桩复合地基与低承台群桩基础相比，因有垫层，使地基土一开始就分担荷载，n值比低承台桩基础低。同时，由于低强度混凝土桩桩体材料具有一定强度，桩承受的荷载可有效地沿桩长传递到深处，使桩的承载能力提高。因此，低强度砼桩复合地基的n值又比柔性桩复合地基高。从抗震性能来看，因基桩和浅基间设有垫层，当基础承受水平荷载时，基底与垫层间产生较大的水平摩阻力，从而大大提高了基础抗水平荷载能力，即使基桩和浅基间有一定的位移，也不会影响建筑物安全。而群桩基础抗水平能力主要取决于桩体自身强度，一旦上部结构位移量超过桩的弹性限度位移量，那桩可能被切断，基础就会失稳，因此，低强度砼桩复合地基的抗震能力大大优于桩基基础和浅基础。3低强度砼桩复合地基工程应用实例3.1 莲园12#楼上部结构概况七层半异型框架结构，现浇楼板，建筑物平面为条状(10.5m39.6m)，柱网3.3m4.2m，底层杂物间层高2.2m，其余2.8m高。3.2 根据勘察资料提供的地层性状如下 (1)杂填土，呈可塑，层厚02.1m； (2)粘土，呈可塑，层厚01.4m，地基容许承载力为100kPa，压缩模量ES4.5MPa； (3.1)淤泥饱和，呈流塑，层厚3.44.6m，地基容许承载力为45kPa，ES1.4MPa； (3.2)淤泥质土，呈软塑，层厚3.34.6m，地基容许承载力为80kPa，ES4.2MPa； (4)中细砂，饱和稍密，局部夹薄层淤泥，以细砂为主，地基容许承载力为200kPa； (5)中砂，饱和、中密，地基容许承载力为250kPa；(4)、(5)层中细砂共厚1015m，N63.5422；(6)淤泥质土，呈软塑，层厚04.2m，地基容许承载力为100kPa，ES8.0MPa；(7)粘性土，呈可塑，层厚04.4m，地基容许承载力，为140kPa，ES8.0MPa；(8)中粗砂，饱和，中密至密实，未穿透，地基容许承载力为400kPa，N63.518。3.3 低强度桩复合地基设计概况低强度桩采用桩径为400的沉管灌注桩，桩端设置在中细砂与淤泥互层的第(4)层土层上，桩端进入该土层3d。桩身采用素砼，不配钢筋，单桩承载力取值250300kN。浅基础采用肋板式筏基础，桩布置在肋板上，筏板与桩顶间设置300mm厚的级配砂卵石垫层(7:3)。布桩数以控制等代桩距Sa/d4左右为原则，即置换率m=d2/4S2a0.05。根据公式：Rsp1Rpm2Rs(1m)及(1mnm)进行复合地基承载力验算及沉降估算。其中：Rsp、Rp、Rs分别为低强度砼桩复合地基、单桩及柱间土的容许承载力，1、2分别为单桩承载力及桩间土承载力发挥系数，为复合地基承载力提高系数。式中，取11.0，20.8、Rp1990kPa、Rs45kPa、n40，则可得表1结果。 图1为莲园12楼基础平面图(对称图的一半)，图2为低强度砼桩复合地基剖面图。表1 复合地基承载力验算、沉降估算结果布桩数置挽率(m)基础面积()复合地基承载力Rsp(kPa)沉降估算值(mm)1670.05416133.730.0 图1 莲园12复合基础 图2 剖面图3.4 施工 素砼桩施工采用锤击沉管灌注桩工艺，垫层施工采用平板式振捣器反复夯密，保证密实度在93以上。然后浇筑100mm厚C8素砼垫层、整体浇筑肋板筏基。3.5 单桩及复合地基承载力试验图3为在建筑场地进行的单桩、载荷板(1.0m1.0m)垂直承载力试验QS曲线；由图可见，单桩极限承载力大于或等于500kN，但离散性较大。图3 QS曲线3.6 原位观测及实测分析(1)桩土分担荷载变化特征土压力盒埋设位置见图1。图4为实测筏板下平均地基土反力随时间的变化曲线。平均土反力最大值为12kPa，基本上出现在上部主体结构完工时，而稳定值为8kPa，出现在建筑物使用期间。可见，地基土平均反力随着时间(施工顺序)逐渐增大趋于峰值(主要在荷载施加期间)，然后随时间逐渐降低并趋于稳定。由土反力随时间的变化规律可得出结果：当基础承受荷载后，通过垫层传到桩间土和桩上。在初期，主要由桩间土承受荷载，随着荷载增加，桩顶向垫层刺入，桩分担荷载增加，显示出荷载向桩顶和桩周土集中，随后渐趋稳定。可见浅层应力向桩体集中，并通过桩向深层扩散。这说明复合地基中的桩，具有应力集中与扩散双重作用。根据地基土平均反力稳值s8KPa，基底荷重为120kPa，可反推平均桩顶反力Pp279kN，在单桩承载力取值250300kN范围内，可见复合地基桩土均在正常工作状态下。图4 平均地基土反力时间变化曲线(2)建筑物沉降图5为建筑物平均沉降及沉降速率随时间的变化曲线。由后期沉降变化趋势及沉降速率可见，建筑物沉降已趋稳定，能满足设计要求。图5 实测沉降（沉降速率）与时间关系曲线3.7 经济效益比较12楼建筑面积3320m2，桩基造价153888元，平均造价46.4元/m2，较类似情况下采用其他基础节约造价20以上。4结论通过对前述工程的现场测试、计算分析，对在福州地区应用低强度桩复合地基有以下几点认识：（1）低强度砼桩复合地基是一种有效的地基处理办法，兼有桩基和浅基的优点。它可以充分利用地层潜力，使场地下的上、中、下土层都发挥作用，共同承受建筑物的上部荷载。（2）低强度砼桩复合地基的基桩可有效地提高单桩承载力的作用。因此可以大大地减少总桩数，加大布桩间距，以减少打桩中“震动挤压”问题，有利于确保成桩质量。（3）低强度桩复合地基中桩和承台不是刚性连接，这样可增