沉降控制复合桩基的设计原理及设计步骤

张云峰

中图分类号：TU473.1+2

[关键词]软弱地基基础设计设计基本原理方法步骤实践

在较深厚的软弱地基上的基础设计中，经常会遇到下述情况：如果用天然地基上的浅基础方案，地基强度要求能基本满足或相差不大，但地基变形结果，往往沉降过大无法满足设计要求。这时就可以考虑采取沉降控制复合桩基方案。沉降控制复合桩基是指桩与承台共同承担外荷载，按沉降要求确定桩数的低承台摩擦桩，它是一种介于天然地基上浅基础和常规桩基之间的一种基础类型。和常规桩基不同，沉降控制复合桩基一般是根据外荷载由承台和桩共同承担，按建筑物容许沉降量要求确定桩数的原则进行设计的，其中承台除承担部分外荷载外，还需对桩基的整体稳定性提供必要的保证，而其中的桩除承担部分外荷载外，主要起减少和控制沉降的作用。因为其是摩擦桩，要充分利用桩周土的作用，桩是数量要按建筑物允许沉降量确定，和目前常规桩基相比，桩数可有大幅度减少，桩距则明显增大，目前上海地区沉降控制复合桩基中的桩根据上海地区地基土组成的特点，一般采用桩身截面边长≤250mm，长细比在80左右的预制混凝土小方桩，同时工程中实际应用的平均桩距一般在5~6倍桩径以上。

一、设计基本原理

众所周知，影响承台与桩共同承担外荷载规律的因素很多，其中主要有：桩端持力层地基土的性质、沉桩的挤土效应、桩顶的荷载、荷载的作用时间及桩的间距大小等。就沉降控制复合桩基而言，由于一般情况下其桩端持力层不会十分坚硬，同时如或略沉桩挤土效应的影响，则影响其承台与桩共同承担外荷载的主要因素就是以下三种：

1、桩顶荷载

一般是当外荷载N较小时，主要由桩承担外荷载，承台分担作用导次要地位；当N不断增加，承台分担荷载略有增加；当N超过群桩中各单桩承载力之和的Pa后，桩将始终保持承担Pa部分的荷载，而承台则承担外荷载超过Pa后余下部分的荷载N-Pa；

2、荷载作用时间

一般在受荷的初期，承台下地基土和桩是按各自的相对刚度分担外荷载，由于这时承台地基土是处于不排水、无体积变形的状态，有较大的相对刚度，因此在受荷初期总是要承担较大一部分荷载，但随即承台和桩承担的荷载均在土中扩散并产生附加应力，促使土体固结下沉，导致原来承台承担的荷载逐渐向桩顶转移，承台与桩分担外荷载关系是随着荷载作用时间而变化的；

3、桩的间距大小

一般当桩距较小时，承台分担的荷载较小，随着桩距的增大，承台分担的荷载也随之增大。设计时总的承载力可近似地认为等于沉降控制复合桩基中所有各单桩的承载力与承台下地基土在无桩条件下的承载力之和：

P=nR+fAc

其中：P——沉降控制复合桩基总的承载和（kN）

N——桩数

R——单桩承载力设计值（kN）

f——承台下地基土承载力设计值（kPa）

Ac——承台底面积（㎡）

二、设计方法与步骤

1、根据地基土的组成，按桩端穿过压缩层范围内高压缩性淤泥质土的要求选择桩长；

2、按桩身结构强度确定的单桩承载力R1与地基土对桩的支承力R2，二者数值基本相等的要求，选择桩身截面尺寸：

R1=（0.40~0.50）Apfc

R2=(UP∑qsikli+qpkAp)/1.65

其中：Up——桩周长（m）

li——第I层土厚度中（m）

qsik、qpk——分别为桩侧第I层土的极限侧阻力标准值（kPa）和桩端土层的极限端阻力标准值（kPa）

Ap——桩身截面面积（㎡）

fc——混凝土抗压强度设计值（kPa）

3、承台底面面积及其平面布置

a.按外荷载全部由承台单独承担的假定，由下式确定承台底面面积Ac（㎡）

AC=(F+G)/ηf

F——作用于承台顶面的竖向荷载（kN）

G——承台和承台上覆土自重（kN）

η——经验修正系数，一般可取1.5~1.7

b.按上部结构重心与承台底面形心相重合的原则确定承台底面的平面布置；

4、用桩数量和桩位布置

a.用桩数量的确定：应计算假定沉降控制复合桩基下有若干种不同桩数的布桩方案时相应的沉降量，以求得桩数与沉降之间的关系，然后根据容许沉降量要求确定实际要求的桩数。一般情况下，可计算以下三种桩数情况下的沉降量，以确定桩数与沉降之间的关系：

（1）按外荷载全部由桩单独承担的常规桩基设计方法确定的桩数n；

（2）按上述常规桩基设计方法确定的桩数的1/3；

（3）桩数为零；

计算沉降控制复合桩基沉降量的方法如下：

（1）当N＜Pa时，假定外荷载N全部由桩承担，这时沉降控制复合桩基的沉降为桩端至压缩层下限之间土层压缩产生的沉降量;

（2）当N≥Pa时，桩始终承担Pa，而承台则承担N-Pa，这时沉降控制复合桩基的沉降即为这两部分荷载共同作用下，从承台底至压缩层下限之间土层压缩产生的沉降量；

b.按上述方法确定的桩数，根据上部荷载重心与形心（群桩）相重合的原则确定桩位布置；

5、验算沉降控制复合桩基的承载力

根据上述步骤求得的n与Ac，按下式验算沉降控制复合桩基的承载力：

F+G≤（nR+Acf）/ζ

ζ——复合桩基承载力经验系数，可取1.2~1.3

在多年工作实践中，我们多次应用沉降控制复合桩基来控制房屋沉降，收到良好的效果。

参考文献：

[1]建筑地基设计规范GB50007-2002；

[2]《地基基础设计手册》上海科学技术出版社；

[3]《JGJ94-2008建筑桩基技术规范》中国建筑工业出版社。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。