刚性桩复合地基和桩基础设计计算理论对比

张荣才

（河北中色华冠岩土工程有限公司，河北三河 065201）

刚性桩复合地基和桩基础设计计算理论对比

张荣才

（河北中色华冠岩土工程有限公司，河北三河 065201）

通过深入分析刚性桩复合地基和考虑承台效应的复合桩基设计计算理论，以高层建筑地基基础设计计算实例为依托，总结出在承载力提高和变形降低幅度较大的地基基础设计中，大桩距疏桩基础作为一种复合桩基，克服了刚性桩复合地基和常规桩基础地基基础方案的缺点，在安全性和经济性方面均发挥了独特的优势。

刚性桩复合地基；桩基础；复合桩基；疏桩基础；承台效应

0 引言

众所周知，桩基础技术有很长的应用历史，现在仍广泛使用，由于其整体性好、承载力高和变形量小及结构布置灵活等特点，在高层建筑结构设计中被广泛应用；而刚性桩复合地基技术自20世纪80年代末问世，近年来也在高层建筑地基处理中得到广泛应用。在上部荷载作用下，刚性桩和桩间土一起通过褥垫层相互作用形成复合地基，刚性桩复合地基的本质就是考虑桩间土和桩体共同直接承担荷载［1］；而摩擦型群桩在竖向荷载作用下，由于桩土相对位移，桩间土对承台产生一定竖向抗力，成为桩基竖向承载力的一部分而承担荷载，该效应为承台效应，此种以桩为主、以土为辅承担荷载的桩基称为复合桩基［2］。

1 计算理论

刚性桩复合地基承载力特征值按下式计算［1］：

其中刚性桩单桩竖向承载力特征值按下式计算［1］：

式（1）、（2）中各符号解释详见文献［1］。式（1）中体现了刚性桩桩体参与提高刚性桩复合地基承载力的作用；式（2）与一般桩基确定单桩竖向承载力计算公式［2，5］完全相同，也就是说刚性桩复合地基中刚性桩的作用与复合基桩中端承摩擦桩的作用完全一致，即刚性桩的作用是将荷载传递到下部土层，这种荷载传递是通过刚性桩与桩周土间的相互作用进行的，作用于桩顶的竖向压力主要由作用于桩侧的总摩阻力承担。

考虑承台效应的复合桩基竖向承载力特征值按下式计算［2］：

式（3）中各符号解释详见文献［2］。如前所述，式（3）中Ra计算方法与式（2）完全一致，且均属于端承摩擦桩范畴。

由式（1）可知刚性桩单桩复合地基承载力特征值按下式计算：

式（3）和式（4）中的承台效应系数ηc和桩间土承载力折减系数β是反映桩间土参与承担上部荷载大小的重要参数。当桩间距等于（3～5）倍桩径时，ηc＝0.06～0.45［2］，β＝0.9～1.0［1］，通过以上对两种计算理论的简述、分析和探讨，主要得出以下结论：

（1）刚性桩复合地基和复合桩基都是通过桩与桩间土共同承担上部荷载。二者不同之处在于：前者上部荷载主要由桩间土承受，后者上部荷载主要由桩承受。因此，在同等条件下按承载力控制设计，刚性桩复合地基经济性要优于复合桩基。

（2）刚性桩复合地基承载力中桩间土分担荷载值接近于地基承载力特征值，而复合桩基承载力中桩间土分担荷载值小于地基承载力特征值。加之前者桩与基础通过褥垫层接触连接，桩是地基的一部分，而后者桩与基础直接连接，桩是基础埋置深度的延伸。因此，在上部荷载和地层岩性相同的条件下，根据现有计算方法［1，2，5］，复合桩基的变形要小于刚性桩复合地基。

刚性桩复合地基和复合桩基在工程设计中的选用，既要考虑经济性，又要满足承载力和变形控制设计要求。在我国现有的设计体制中，刚性桩复合地基和桩基础通常分别由岩土工程师和结构工程师完成，通过几年来工程设计实践证明，这种设计思路不仅造成设计资源浪费，还会出现一些不尽合理的人工地基方案［6，7，8］。本文将通过详细论述刚性桩复合地基和复合桩基两种地基基础方案的设计过程，得出在满足承载力要求、同等变形量时，复合桩基的经济性和安全性都优于刚性桩复合地基设计方案。

2 算例

本文将以高层建筑地基基础设计计算实例为依托，对上述结论进行验证，计算分析采用地基基础设计计算软件JCCAD［3］（该软件可接力上部结构计算模块SATWE数据文件）。

某工程场地位于河北省三河市燕郊经济技术开发区，自然地面（室外地坪）绝对高程26.800m，地下水位绝对高程23.300m。工程地质代表性地质剖面见图1。地质土层基本物理力学性能指标见表1。

表1 场地土层基本物理力学性能指标Tab.1 The basic physical and mechanical properties of the soil layer

拟建建筑物地上24层，地下1层，±0.000相当于绝对标高27.160m，钢筋混凝土剪力墙结构，地下室底板顶标高21.710m。初步分析计算筏板厚度暂按经验每层50mm确定，即筏板厚度为1200mm（24×50），基础埋深d＝6.29m；基础筏板不外挑，筏板基础占地面积A＝665.74m2。对应图1和表1，地基持力层为第④层粉质粘土层，地基承载力特征值fak＝120kPa。根据图1和表1提供的工程代表性地质剖面和场地土层基本物理力学性能指标，工程结构地基基础采用地基基础设计计算软件JCCAD［3］进行分析计算，该程序接力结构工程师计算分析的结构计算模块SATWE数据文件，其计算结果为：相应于荷载效应标准组合和准永久组合基础底面处的平均压力值分别为437kPa和405kPa；天然地基变形平均沉降700mm，地基压缩层深度24m；修正后的地基承载力特征值fa＝236kPa。

图1 工程代表性地质剖面图Fig.1 Engineering representative geological profile

通过对天然地基分析计算，无论是地基承载力，还是地基变形均不能满足上部结构荷载和使用要求，且承载力提高和变形降低幅度较大，需采用刚性桩复合地基或桩基础进行加固处理。又由于地基主压缩层较厚，因此选择基底下10.81m和25.41m两处承载力较高的⑥层和⑨层中砂层中的第⑨层作为刚性桩或灌注桩桩端持力层，从施工技术上讲，刚性桩和灌注桩均可实施。

刚性桩桩径一般取350～600mm［1］，考虑到刚性桩深度较长，为保证刚性桩施工质量，其直径选用φ600；灌注桩桩径的选用既要考虑保证施工质量，又要考虑摩擦型桩侧阻效率，其直径也选用φ600。依据桩端全截面进入持力层深度要求［2］，刚性桩和灌注桩桩端标高均为－5.990m，刚性桩复合地基褥垫层厚度一般取150～300mm［1］，与桩径或桩距大小成正比，因其直径选用φ600，故褥垫层厚度取300mm，刚性桩设计桩长为26.2m；灌注桩与基础直接连接，灌注桩设计桩长为26.5m。根据图1和表1提供的桩长范围每层土所占厚度和每层土的极限侧阻及极限端阻标准值，由式（2）计算的刚性桩和灌注桩单桩竖向承载力特征值Ra分别为1006kN和1014kN。刚性桩和灌注桩桩身强度及灌注桩配筋计算见文献［1］、［2］、［5］。

2.1 刚性桩复合地基和常规桩基础设计计算对比

对于采用筏板基础的单幢高层建筑物，筏板基础的偏心距符合下式规定［5］：

式（5）中各符号解释详见文献［5］。对于矩形基础，式（5）相当于要求基底边缘最小压力与最大压力之比≥0．818。有上述分析可知，高层建筑对偏心距要求严格，因此，一般刚性桩复合地基和桩基础承载力计算分析仅考虑轴心荷载作用情况。

对于刚性桩复合地基的基底压力和常规桩基础的单桩竖向承载力分别满足如下要求［2，5］：

式（6）和（7）中各符号解释详见文献［2］、［5］。依据相关规定［1，5］，式（6）中抗力按下式计算：

式（8）中各符号解释详见文献［1］、［5］。常规桩基础设计，式（7）中抗力按式（3）计算。

基于以上分析计算结果，在满足刚性桩复合地基面积置换率的前提下，刚性桩均匀布置在筏板基础底板范围内，同时由于筏板基础底板无外挑，必须保证筏板基础底板周边墙下有一排桩［1］。常规桩基础桩位布置时，依据桩基础承载力合力点与竖向永久荷载合力作用点重合和将桩布置在墙下的原则［2，5］，采用地基基础设计计算软件JCCAD［3］进行反复复核计算，并保证最小间距进行布置。最终桩位布置见图2，刚性桩和灌注桩桩数分别为107根和137根。

图2 刚性桩复合地基和灌注桩平面布置图Fig.2 The plan sketch map of rigid pile composite foundation and cast-in-situ pile

同样依据现有设计计算理论［1，2，5］，采用地基基础设计计算软件JCCAD［3］对刚性桩复合地基和常规桩基础进行变形验算，其平均沉降分别为36.17mm和19.55mm。

对同一工程实例，刚性桩复合地基和常规桩基础设计计算结果表明，刚性桩复合地基经济性优于常规桩基，而常规桩基的变形小于刚性桩复合地基。

2.2 刚性桩复合地基和复合桩基设计计算对比

无论是刚性桩复合地基还是桩基础，其功能都是提高承载力和减少沉降。通过上述承载力和沉降计算分析，事实上相对于桩基础，刚性桩复合地基是以上部结构容许的较大沉降换取工程投资的节约。近年来，刚性桩复合地基应用在承载力提高和变形降低幅度较大（或以变形控制）设计工程中，过分依赖增加刚性桩长度并提高单桩承载力。在桩基设计中，当筏板基础的混凝土强度等级低于柱或桩的混凝土强度等级时，需验算柱下或桩上筏板基础的局部受压承载力［2，5］。在刚性桩复合地基设计计算理论中，仅考虑褥垫层使桩土共同承担荷载、调整桩土荷载分担比和水平荷载分配及缓解基础底面应力集中［9］，即通过桩土共同作用，在荷载作用下，桩、土应力最终均达到特征值状态共同承担荷载（见图3），而忽视了既是考虑褥垫层对基础底面应力集中的缓解作用［9］，刚性桩桩顶荷载也达4944kPa，在长期高应力作用下的碎石褥垫层，难免被破碎或粉化，造成刚性桩断面处局部失稳，对整个复合地基的稳定带来隐患，不符合结构设计最不利原则。因此，作者认为对刚性桩复合地基应用在承载力提高和变形降低幅度较大（或以变形控制）设计工程中，要求刚性桩提供的抗力较大时，刚性桩复合地基其适用性有待进一步研究和探讨。

图3 刚性桩复合地基桩土受力时程曲线图Fig.3 Curve of bearing force of the rigid pile composite foundation pile-soil

20世纪90年代起大桩距疏桩基础作为一种复合桩基，已进行了一系列有意义的工程实践，取得了满意效果。北京及周边地区，将刚性桩复合地基应用在承载力提高和变形降低幅度较大（或以变形控制）设计工程中，经常出现与本工程实例相似情况；而在常规桩基设计中该地区较为保守，土分担荷载的潜力很大［12］。为此借鉴大桩距疏桩基础概念［4］，对本工程实例进行优化设计。

图4为复合桩基和刚性桩复合地基示意图，在桩基设计中为充分发挥土的承载力，文献［4］从改进桩基设计出发提出了大桩距疏桩基础概念，文献［10］通过对复合桩基的本质、承载力、变形特性及复合桩基所形成的条件研究分析，认为复合桩基的本质也是考虑桩间土和桩体共同直接承担荷载，复合桩基为刚性桩复合地基范畴，也是一种类型的刚性桩复合地基。

图4 复合桩基和刚性桩复合地基示意图Fig.4 Sketch map of composite pile foundation and rigid pile composite foundation

基于“桩土共同工作的极限承载力不小于全部桩的极限承载力加上承台下土的极限承载力的总和”的基本思想，大桩距疏桩基础［4］的核心就是承台、桩、土共同作用，其主要概念为：

（1）桩间距不小于6倍桩径，桩上荷载取桩的极限荷载（2Ra）；

（2）承台底面土压力小于地基承载力特征值；

（3）控制承台沉降小于容许沉降。

即灌注桩的数量n按下式确定：

式中fx为承台底面土压力，其值小于地基承载力特征值，按下述方法计算取值。

疏桩基础沉降有两部分组成，承台土沉降Ss和桩荷载引起的沉降Sp，即

式中Sp的物理概念是在桩顶荷载达到极限荷载时，承台下桩间土的平均压缩量，其中包含桩尖下土的塑性变形。Sp大小与单桩荷载试验桩极限荷载2Ra所对应的沉降量S0、桩径D、桩数n和承台底面积A有关，其计算表达式为：

研究表明，在疏桩情况下Sp一般较小，常不超过1cm，取1cm［4］。故疏桩基础的沉降主要由土控制，如果已知容许沉降S，则由式（10）计算的沉降量反算承台底面土压力fx即可：

式（13）中各符号解释详见文献［5］。为便于与刚性桩复合地基进行比较，容许沉降S取其相应的平均沉降值36.17mm。采用地基基础设计计算软件JCCAD［3］计算引起平均沉降为26.17mm的承台接触应力为15kPa，即fx＝15kPa。

式（9）～（13）是利用单桩的Q－s曲线的特性与承台中的疏桩相近的基本概念，将桩间土引起的沉降与桩引起的沉降分开计算。将根据工程经验合理地计算出土的沉降Ss，与单桩静载荷试验成果桩极限荷载2Ra所对应的沉降量S0进行比较，当Ss大于S0时，即可使用疏桩基础概念进行设计。

3 结语

通过上述分析，得出以下主要结论：

（1）刚性桩复合地基应用在承载力提高和变形降低幅度较大（或以变形控制）的地基基础设计中，在长期高应力作用下的碎石褥垫层，难免被破碎或粉化，造成刚性桩断面处局部失稳，给整个复合地基的稳定带来隐患。

（2）北京及周边地区，在常规桩基设计中该地区较为保守，土分担荷载的潜力很大，经济性较差，在甲方严格控制工程造价的压力下难以实施。

（3）大桩距疏桩基础作为一种复合桩基，很好的克服了以上两种地基基础方案的缺点，在安全性和经济性方面发挥了独特的优势。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ79—2012建筑地基处理技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94—2008建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［3］ 中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部.JCCAD用户手册及技术条件［G］.北京，2012.

［4］ 刘惠珊.疏桩基础在高层建筑中应用前景探讨［C］.中国土木工程学会第八届土力学及岩土工程学术会议论文集，1999，（5）：327－330.

［5］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50007—2011建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

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［7］ 党昱敬，张若筠.地震设防区高层建筑人工地基设计探讨［J］.建筑技术开发，2011，24（12）：4－8.

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Contrast of Design and Calculation Theory between Rigid Pile Composite Ground and Pile Foundation

Zhang Rongcai
（Hebei Zhongse Huaguan Rock Soil Engineering Limited Company，Sanhe 065201，Hebei，China）

In this paper，an in-depth analysis was made on the design and calculation theory of both the rigid pile composite ground and the composite pile foundation considering the effect of pile caps.Based on high-rise building foundation design and calculation examples，a conclusion is made as follows，in the design of ground foundation with increasing bearing capacity and large deformation reduction，the sparse pile foundation，as a composite pile foundation，is conducive to overcoming the disadvantages of both the rigid pile composite foundation and conventional pile foundation schemes，thus giving full play to its unique advantages in terms of safety and economy.

rigid pile composite ground；pile foundation；composite pile foundation；sparse pile foundation；pile cap effect

TU473.1

：A

：1673－8047（2017）02－0038－06

2017－04－13

张荣才（1982—），男，本科，工程师，主要从事岩土工程勘察、设计、施工等工作。