低强度素混凝土桩复合地基在高层中的应用与分析

文/黄仕海 株洲市规划设计院 湖南株洲 412008

岩溶地貌是一种比较复杂的地质情况，广泛分布于风化岩层中。溶洞填充物承载力较低，容易发生岩溶塌陷。若高层建筑基础采用端承桩基础，则存在成桩质量及溶洞处理等难题；而天然地基又不能够满足承载力及变形的要求。低强度素混凝土桩复合地基通过处理浅层土层，提高了天然地基的承载力，缩短了建设工期，节省了25%以上的造价，满足设计要求，是一种最佳的基础形式。

1、工程概况

1.1 项目概况

本工程建造地点位于湖南省株洲市，6#栋主要为底部带两层带商业的高层住宅建筑，地上33层，一层地下室，总高度为99.8m，结构形式为剪力墙结构。建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g，地基基础设计等级为甲级。

1.2 工程地质概况

场地原始地貌为丘陵地貌，场地稍有起伏。土层剖面图详见图1。根据地质勘察报告显示，场地单栋地下室底板标高处的土层为粉质黏土，压缩性中等，不宜作为高层建筑的持力层；场地下层土层为白云质灰岩，然而白云质灰岩中存在发育较完全的岩溶，溶洞填充物为粉质黏土，承载力较低，对地基基础影响较大，采用端承桩基础时应引起重视。

图1 土层剖面图

2、基础方案

图1

图2

根据地勘报告，场地浅层土为粉质黏土，压塑性中等，若采用天然地基基础，无法满足上部结构承载力及变形的要求； 若采用桩基础，桩端持力层存在较发育的溶洞，存在安全隐患，不满足规范要求，桩基需要贯穿溶洞。由于下伏溶洞分布广，发育强烈，不确定性因素大，桩基贯穿溶洞方案不但处理技术难度大，工程成本高，且成桩质量难以保证，方案可行性差。采用有粘结强度的刚性桩对浅层土进行地基处理，形成桩-土共同受力的刚性桩复合地基，设计时应满足上部结构承载力和变形的要求，还应满足下卧层的应力要求，保证应力经土层扩散后溶洞的安全，不需要另外再对溶洞进行加固处理。经过对比试算及现场试验，最终确定采用刚性桩复合地基方案。

3、复合地基设计

3.1 复合地基承载力计算

根据规范要求，复合地基承载力特征值应通过复合地基静载荷试验或采用增强体静载荷试验结果和周边土的承载力特征值结合经验确定，初步设计时，对有粘结强度增强体复合地基应该按下式计算：

其中：单桩承载力发挥系数λ取1.0，桩间土承载力发挥系数β取0.8。根据地质勘查报告描述及剖面图，②-2粉质黏土层为本工程进行处理的土层，天然地基承载力特征值fsk=200kPa。

图2 低强度素混凝土桩平面布置图

本工程采用长螺旋钻中心压灌成桩，桩径为500mm，正方形布桩，桩间距为1.1m，桩端持力层为⑥白云质灰岩，桩端极限端阻力标准值为8000kPa，桩长约5～8m，桩端端阻力发挥系数αp=0.55，不考虑桩侧摩擦力。根据规范要求，刚性桩可只布置在基础范围内，低强度素混凝土桩平面布置如图2所示，单桩承载力特征值：

取Ra=400kN。

则复合地基承载力特征值：

3.1 褥垫层设计

褥垫层是保证复合地基中桩-土共同受力的重要条件，通过改变褥垫层的厚度，能够调整桩和土所分担上部竖向荷载及水平荷载的比值，褥垫层越厚，桩所承担的荷载比值越小。由于桩体本身为素混凝土，未配置钢筋，其抵抗水平承载力的能力较弱，因此，合理的设置褥垫层厚度显得尤为重要。根据规范要求，桩顶和基础之间褥垫层厚度宜为桩径的40%～60%，褥垫层材料宜采用中砂、粗砂、级配砂石和碎石等，最大粒径不宜大于30 mm，褥垫层的夯填度不应大于0.9。本工程褥垫层厚度取为300mm，桩顶不应伸入褥垫层内。

3.2 沉降计算

本工程处理的土层为粉质黏土层，沉降计算深度取至白云质灰岩岩面。经过素混凝土桩处理后的复合地基压缩模量为该层天然地基压缩模量的ζ倍，即，复合地基压缩模量Esp=2.3Es。基底附加应力。

计算地基变形时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线型变形体理论，其最终变形量可按下式进行计算：

4、现场试验检测结果及分析

承载力检验在施工结束28d后进行，单体工程的复合地基静载试验数量不少于3个点，最大加载压力不小于设计要求承载力特征值的2倍。复合地基试验结果如下表所示：

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根据试验检测结果可知，3个试验点沉降值均比较接近，平均值为15.80mm，极差小于平均值的30%，与计算值相差不大且小于规范允许值。由此可知，采用素混凝土桩处理后的粉质黏土层刚度明显增大，地基变形减小，基础沉降较均匀，验证了低强度素混凝土桩复合地基的合理性及可靠性。

结论：

结合现场试验结果表明，采用低强度素混凝土桩处理后，复合地基承载力显著地提高，减少了地基的变形，满足设计要求。同时，复合地基的受力机理是利用桩和桩间土共同承受上部荷载，通过铺设一定厚度的褥垫层，充分利用了土的承载力作用，减少了工程造价，节约了工期，是一种比较经济、合理的基础设计。