预制桩基础在工程实例中的设计应用

王秀峰

(山西省环境工程设计院，山西 太原 030012)

0 引言

随着我国建筑业的蓬勃发展，各大城市高楼林立，大型公共建筑、工业厂房不断涌现，各种建(构)筑物设计也在向高、大方向发展，桩基础被越来越广泛的采用。桩基的使用已日益普及，钢筋混凝土预制桩因其承载力较高、桩身质量易于保证、施工机械化程度高、进度快、能适应不同土层施工和检查、桩身混凝土的密度大、抗腐蚀性能强、施工工效高等优点而备受亲睐。

1 工程概况

本工程为某原料系统储料仓，位于山西省太原市北部地区，结构形式为钢筋混凝土框架结构，总高22.5 m。根据地质勘探报告选择钢筋混凝土预制桩。

2 场地工程地质条件

1)地形地貌。该工程位于太原市北部尖草坪区，从地貌上看属于平坦的冲洪积平原，汾河东岸Ⅰ级阶地，工程地质分区属于太原盆地次稳定工程地质亚区。从地形上看拟建场地较为平坦，地面标高介于801.20～802.50之间。2)场地岩土构成与工程特性。根据勘探的资料及场地的工程地质情况，整个场地在50 m深度范围内地层主要由新近堆积的人工填土、第四系全新统冲洪积形成的粉土、粉砂和卵石组成，各层土岩性特征及工程地质特性分区描述如下:a.地基土的岩性特征。①层人工填土:杂色，分布于表面。主要由碎砖、煤屑、碎石、砖块及粘性土组成，稍湿。该土层成分不均，系人工成因，结构松散，力学性质较差。该层层厚0.7 m～2.1 m，分布于整个场地。层底标高介于799.08 m～801.14 m之间。②层粉土:黄褐色，含氧化铁条纹及云母，局部夹有砂类土薄层，稍密，湿。摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。具有中等压缩性。该层层厚在2.5～3.5之间，分布于整个场地。底层标高介于794.34 m～797.84 m之间。③层粉土:黄褐色，含氧化铁条纹及云母，局部夹有砂土薄层，湿，中密。振摇反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。具有中等压缩性。该层层厚在9.7 m～11.5 m之间，分布于整个场地。底层标高介于784.39～786.13之间。④层粉土:黄褐色～灰褐色，含氧化铁条纹及云母，中密，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低，饱和，具有中等压缩性，局部夹有细砂透镜体及粉质粘土。该层层厚在13 m～15.1 m，分布于整个场地。底层标高在770.63 m～775.70 m之间。⑤层卵石:杂色，主要由石灰岩与砂岩岩块组成，一般粒径在2 cm～5 cm，最大粒径8 cm，中密～密实状态。颗粒级配较好，磨圆度较差，充填物为粗砾砂及粘性土。该层层厚在2.5 m ～3.5 m，分布于整个场地，层底标高介于 767.03 m ～769.44 m之间。⑤1层粉砂:黄褐色～灰褐色，由石英、长石、云母等组成，含氧化铁，呈稍密～中密状态，该层分布于第⑤层卵石顶部、底部，该层层厚在0.7 m～3.5 m，分布于整个场地。⑥层粉土:黄褐色～灰褐色，含氧化铁条纹及云母，局部夹有粉质粘土薄层。湿，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低，具有中等压缩性，该层厚都大于8.0 m。b.各土层的承载力特征值。根据勘察资料及地区经验，场地内除第①层人工填土不宜做天然地基外，以上各层土的地基承载力特征值fak可采用表1所列数值。

3 桩基础设计

由于工期紧、上部建筑荷载较大，选择钢筋混凝土预制桩。桩径与桩长的确定:桩径的确定应综合考虑荷载的大小、土层性质与桩周土阻力状况、桩基类型与结构特点、桩的长径比以及本项目中，上部荷载较大，参考类似条件建筑物及经验初步确定预制桩截面尺寸为0.3 m×0.3 m，然后通过基桩计算和验算，视所拟定的尺寸是否经济合理，再行最后确定。确定桩长的关键在于选择桩端持力层，因为桩端持力层对于桩的承载力和沉降有着重要影响。设计时，可先根据地质条件选择适宜的桩端持力层初步确定桩长，并应考虑施工的可行性。一般都希望把桩底置于岩层或坚硬的土层上，以得到较大的承载力和较小的沉降量。如在施工条件容许的深度内没有坚硬土层存在，应尽可能选择压缩性较低、强度较高的土层作为持力层，要避免使桩底坐落在软土层上或离软弱下卧层的距离太近，以免桩基础发生过大的沉降。根据本项目实际情况，土层标号③的地基承载力特征值fak=150 kPa，拟定桩长15 m，采用预制桩截面尺寸0.3 m×0.3 m，C30混凝土，承台底面埋深2.0 m，桩身材料强度按下式计算。当桩轴心受压时:

Q≤Apfcψc。

其中，Q为单桩竖向力设计值;Ap为桩截面积;ψc为工作条件系数，预制桩为0.75;fc为混凝土轴心抗压强度设计值，C30混凝土为15 N/mm2。

表1 各土层地基承载力特征值

那么，计算出 Q≤300×300×15×0.75=1012.5 kN。

单桩极限承载力根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系来确定，根据JGJ 94-2008建筑桩基技术规范，单桩竖向承载力极限标准值按以下经验公式计算:

根据粘土液性指数 I1=1.0，孔隙比 e=0.75，JGJ 94-2008建筑桩基技术规范表5.3.5-1和5.3.5-2中查得粘土 qsik=40 kPa，粉土 qsik=66 kPa，qpk=2100 kPa。

本项目单桩极限承载力标准值为:

图13展示了一个字段的配置过程，该图设置射频通道1本振芯片的寄存器0，设置的数值为0x03000，即设置辅助管脚的功能是作为锁相环锁定探测引脚。

Quk=4 ×0.3 ×(40 ×13.5+66 ×1.5)+0.32×2100=955.8 kN。

根据JGJ 94-2008建筑桩基技术规范中公式5.2.2规定。

单桩承载力特征值按下式计算:

Ra=Quk/K。

其中，Quk为单桩竖向极限承载力标准值;K为安全系数，取2;Ra为单桩承载力特征值。

则 Ra=Quk/K=955.8/2=477.9 kN。

根据本工程土建设计要求，承台上作用竖向轴力设计值F=4000 kN，弯矩设计值M=400 kN·m，水平力设计值H=50 kN，初步拟定承台尺寸为2.6 m×2.6 m。

G=2.62×20 ×2 ×1.2=324.5 kN。

按中心受压确定桩的数量:

n=(F+G)/R=(4000+324.5)/477.9=9 根。

按照初步拟定的承台尺寸布置，桩距为1.0 m。

考虑群桩、土和承台相互作用效应时，根据JGJ 94-2008建筑桩基技术规范中公式5.2.5-2:

R=Ra+ ζaηcfakAc/1.25。

其中，ηc为承台效应系数，可按规范中表5.2.5取值;fak为承台下1/2承台宽度且不超过5 m深度范围内各层土的地基承载力特征值按厚度加权的平均值;Ac为计算基桩所对应的承台底净面积;ζa为地基抗震承载力调整系数，应按现行国家标准GB 50011建筑抗震设计规范采用。

本项目中:方桩换算成等面积圆桩d=0.34 m，桩中心距与桩径之比:

Sa/d=1.0/0.34=2.94≈3。

承台宽度与桩长之比 Bc/l=2.6/15=0.17。

则:承台效应系数 ηc查表为 0.06;fak=150 kPa;Ac=2.6×2.6=6.76 m2;ζa按现行国家标准 GB 50011建筑抗震设计规范采用数值为1.1。

复合基桩竖向承载力设计值为:

复合基桩竖向力设计值验算:

群桩中单桩的平均竖向力为:

复合基桩最大竖向力设计值为:

根据以上设计计算，桩截面设计尺寸、桩长及复合基桩竖向力设计值满足要求。

本项目采用钢筋混凝土预制桩基础，比较灌注桩、碎石桩等方案，有效缩短了施工，降低了劳动强度，通过以上设计及计算，能够满足设计及施工要求。

［1］GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范［S］.

［2］刘金砺.桩基设计与计算［Z］.1990.

［3］JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范［S］.

［4］GB 50011，建筑抗震设计规范［S］.