如何提设计要求

#专家论坛CFG桩复合地基设计如何提设计要求闫明礼许立波（中国建筑科学研究院地基所北京100013）（中航一集团洛阳613研究所洛阳471000）［提要］介绍了复合地基设计所需的资料，以及提设计要求时常发生的一些问题。［关键词］CFG桩复合地基设计0前言当前CFG桩复合地基在高层建筑地基处理得到了广泛应用，但复合地基设计在不同地区有不同的方式。有的地区结构工程师既做上部结构，又做复合地基设计；有的地区则是结构工程师做上部结构和基础设计，岩土工程师做复合地基设计，复合地基设计资料和设计要求由结构工程师提供。对于后面一种方式，常遇到的问题是：结构提供的设计资料不全或设计要求不够准确、甚至不合理，给复合地基设计带来许多困难，或者给工程带来不应有的损失。下面和结构工程师共同探讨一下如何提供设计资料和设计要求。1CFG桩复合地基设计需提供的资料1.1工程地质勘察报告1.2总平面图；相关的建筑、基础平面图和剖面图；±0.00对应的标高；基底标高；电梯井、集水坑底标高；基础外轮廓线；墙、柱、梁的位置；柱距、板厚梁高；如有裙房，应标明主楼和裙房（或车库）的相关关系（如有后浇带，应标明其位置）以及裙房（或车库）的基础形式和几何尺寸。1.3建筑物荷载1.基底压力满足荷载线性分布条件时：（1）相应于荷载效应标准组合时基础底面处的平均压力和基础底面边缘处的最大压力（用于承载力验算）；（2）相应于荷载效应准永久组合时基础底面处的平均压力（用于地基变形验算）；（3）主楼周围有裙房（或车库）时，还应提供裙房（或车库）基底压力标准值，以便考虑能否以及怎样对主楼地基承载力进行修正；（4）需作抗冲切验算时，尚需提供荷载设计值。2.基底压力不满足荷载线性分布条件时，应分别提供每个柱荷载。若为框筒结构，还提供核心筒荷载标准值和设计值。1.4设计要求的复合地基承载力和变形。对按变形控制设计的复合地基，按满足荷载对承载力的要求和按满足变形限值两者中的大值提承载力要求。2常见的几个问题问题1:只提对复合地基承载力特征值和复合地基变形的要求，而不提供荷载条件。复合地基计算主要包括复合地基承载力计算、复合地基变形计算。1.复合地基承载力计算复合地基承载力是根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）（简称《地基规范》）和《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）（简称《地基处理规范》）,对轴心荷载作用时按下式进行验算：P<f=f+丫（d-0.5）（1）kaspkm式（1）表示荷载不能大于抗力。式中，P为相k应于荷载效应标准组合时基础底面处的平均压力值；f为修正后复合地基承载力特征值（根据《地基处理a规范》，只做深度修正，且修正系数取1.0）；f为spk复合地基承载力特征值；丫为基础底面以上土的加m权平均重度；d为基础埋置深度。地基处理工程师根据结构工程师提供的复合地基承载力不低于某一限值的要求，作复合地基设计，确定设计参数和承载力特征值f，再根据基础埋置深spk度计算深度修正项，由式（1）右部求得经深度修正后的复合地基承载力特征值f。但如果结构工程师没有a提供荷载P，将无法按式（1）对荷载和抗力进行比k较，就不能了解设计的安全储备是多少。因此结构工程师提设计要求时不能忘了提供荷载条件。2.复合地基变形计算

CFG桩复合地基变形计算，是按《地基处理规范》确定复合土层的复合模量，再按《地基规范》计算复合地基变形，其中规定用于计算变形的荷载为相应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力P0,它是使地基产生变形的有效应力，数值上等于相应于荷载效应准永久组合时的基础底面平均压力P产生的有效应力（若有地下水须扣除地下水对建筑物的浮力）与基础底面处原有土的自重应力（自重应力是有效应力）之差。因此，要计算P0必须知道P、地下水类型及标高、基础埋深d、和基底以上各层土的重度Y显然，结构工程师若不提供P,就无法确定P、0计算各土层的附加应力，也就无法计算地基变形。有的结构工程师只提供基底压力标准值，让地基处理工程师用基底压力标准值计算变形,是不符合规范要求的。有的结构工程师甚至什么荷载都不提供，让地基处理工程师用设计要求的复合地基承载力特征值去计算变形，则无论在规范上还是在概念上都是不合理的。问题2:要求复合地基承载力特征值f不小基spk底压力标准值，甚至在基底压力标准值的基础上增加5%-10%的安全储备作为对f的要求。spk产生上述问题的主要原因有两种：1）疏漏了《地基处理规范》对承载力可作深度修正的规定；2）没有进行具体的计算分析，就凭直觉认为不进行深度修正无非就是保守一点，因此采用了过分简化的处理方式。f但实际工程中，深度修正对承载力特征值a有着显著的影响。下面分两种情况进行讨论：1.按承载力控制设计的工程由式（1）可知，满足荷载要求的复合地基承载力与基础埋深密切相关。对浅埋基础深度修正项Y（d-0.5）数值较小，对工程影响不大；对高层建筑m基础埋深很大，不考虑深度修正项是不合理的。例：某工程基底压力标准值为400kPa,基础埋深8.5m,基底以上土的加权平均重度为20kN/m3,由式（1）求得f>240kPa即可满足设计要求。若不考虑深度spk修正，要求f>400kPa，比规范允许值高出了67%,spk将造成不必要的浪费。2.按地基变形控制设计的工程CFG桩复合地基变形按《地基规范》的有关规定执行，复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的可咅，即spk2)spkak式中f为基础底面下天然地基承载力特征值。ak根据《地基规范》，按变形控制设计的地基应满足承载力计算的有关规定，也就是说，复合地基设计参数应同时满足承载力和变形两个条件。按变形控制设计时，通常按如下方法确定设计要求的承载力：首先按式（1）确定的f作复合地基设计，确定桩长、桩spk径、桩距、褥垫厚度和桩体强度。根据地质报告提供的/’按式（2）计算模量提高系数g,再计算复合地ak基变形。当复合地基变形满足设计要求时，相应的fspkspk就是设计要求的复合地基承载力；否则需调整设计参数（增大桩长或减小桩距等）重新设计，直到复合地基变形满足设计要求为止，这时相应的f才是设计spk要求的复合地基承载力。例:某工程基础尺寸为24mX24m，地表标高为50m，地下水标高30m，基础埋深10.5m，基底压力标准值480kPa，准永久组合值440kPa,相关土层参数见表1。设计要求采用CFG桩复合地基进行地基处理，建筑物沉降量不大于200mm。工程地质土层厚度及物理力学指标表1土层底标高（m）Y(kN/m3)Es(MPa)q,a(kPa)q/Pa(kPafak(kPa①粉质粘土39.520820——②粉土33.0201230700160③中砂29.02020251000—④粉质粘土5.02012———由式（按f>p_y（d-0.5）=480-20x（10.5-0.5）spkkm=280kPa作复合地基设计。取设计参数为：桩径400mm、桩长8m、桩距1.7m、褥垫层厚度200mm。验算如下：R=uYql+qA=416kNapsiipPi=1Rf=m—a+p(1一m)f=297kPaspkAakPf=f+y(d-0.5)=297+20x(10.5-0.5)aspkm=497kPa>480kPa，满足承载力设计要求。模量提高系数g=f/f=297/160=1.9，复合spkak地基变形s=72mm<200mm,满足变形设计要求。故对该工程提出的承载力要求应为：复合地基承526kPa，f=726kPa526kPa，f=726kPa>>480kPaa主楼TS12B丘1連修正陶基聃埋探二di+d-载力特征值不小于280kPa，即可。如果要求复合地基承载力等于基底压力标准值，甚至还要增大安全储备的话，会给工程带来不必要的浪费和其他的难题。比如按fsp|520kPa的要求作复合地基设计，设计参数选用桩径400mm、桩长9m、桩距1.07m,才能满足设计要求。验算如下：g=526/160=3.29,s=37mm<<200mm由表2可知，按f>520kPa的要求作复合地基spk设计比按f>280kPa的要求增加184％的方量，除spk了增加造价和工期之外，技术上也有诸多问题。比如，对本工程，为提高承载力需增加桩长或缩小桩距，桩端应落在层③中砂上。桩长9m已落在层③中砂偏下的部位，且桩距小于3倍桩径，超出规范要求。层②为饱和粉土，如此小的桩距，采用长螺旋钻泵送混凝土成桩工艺，将导致窜孔频频发生。若设计要求复合地基变形不超过50mm,则按f>280kPa的要求确定的设计参数不能满足设计要spk求，将设计参数调整为桩长9m、桩距1.35m，贝I」：f=393kPa，f=593kPa，s=49mm。spka此时的设计要求为f>393kPa。竣工后做复合spk地基静载检验将此值作为验收条件。两种设计要求时的设计参数和工程量比较表2设计要求fspk(kPa)桩长(m)桩距(m)桩数方量(m3).fa(kPa)s(mm)28081.72002004897252091.0750356872637问题3:主裙楼一体的结构只提供主楼的荷载，不提供裙房的基底压力、基础类型和基础尺寸。主裙楼一体的结构，主楼采用CFG桩复合地基时，允许对主体结构地基承载力按《地基规范》和《地基处理规范》的有关规定作深度修正，将基础底面以上的荷载按基础两侧的超载考虑。当超载宽度大于基础宽度的两倍时，可将超载折算成土层厚度作为基础埋深(图1)。当两侧超载不等时，取小值。若不提供裙房的基底压力，无法将基础两侧的超载折算成土层厚度对主楼复合地基承载力作深度修正。若不提供裙房的基础类型和基础尺寸，就无法考虑能否以及怎样对主楼复合地基承载力作深度修正。⑹楼E的基出理探=rir此+右)倒I基础遽罠的修止3结语全面、准确的提供CFG桩复合地基设计所需的资料，对复合地基设计至关重要。文中仅介绍了三个最为常见的问题，其它常见问题的讨论将后续介绍。参考文献建筑地基基础设计规范(GB50007—2002)[S].建筑地基处理技术规范(JGJ79－2002)[S].⑶闫明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].中国水利水电出版社,2001.作者简介：闫明礼，男，国家注册土木工程师(岩土)，研究员，博士研究生导师，享受国务院特殊津贴。现任建研地基基础工程有限责任公司工程技术委员