分析与对比某高层住宅建筑桩基础和刚性桩复合地基设计方案

周卫星

摘 要：本文主要探讨对比了河南省某高层住宅建筑桩基础方案和刚性桩复合地基方案的设计。针对场地地质情况，对首先采用的桩筏基础方案进行分析。因建设方工期紧张，经过研究决定，改为采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基处理方案。文末对桩筏基础方案和水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基方案的工程量进行了简单的对比，以供参考。

关键词：桩基础;复合地基;水泥粉煤灰碎石桩

中圖分类号：TU473     文献标识码：A       文章编号：1003-5168（2021）27-0063-03

Abstract： This article mainly discusses and compares the design of the pile foundation scheme and rigid pile composite foundation scheme of a high-rise residential building in Henan Province. According to the geological conditions of the site， firstly， the pile raft foundation scheme adopted is designed and analyzed; Later， due to the tight schedule of the construction party， after research， it was decided to adopt the Cement Fly-ash Gravel Pile （CFG pile） composite foundation treatment plan. At the end of the article， a simple comparison is made between the pile raft foundation scheme and the Cement Fly-ash Gravel pile （CFG pile） composite foundation scheme for reference.

Keywords：pile foundation; composite foundation; Cement Fly-ash Gravel pile

近年来我国城市化进程大大加快，民用住宅建筑市场发展迅速，与此同时对建筑物地基基础提出了更高的要求。加之我国地域辽阔，山川河流广布，地质情况复杂多变，建筑物地基基础的样式种类就需要因地制宜，因此对建筑物地基基础的分析探究显得十分重要。桩基础是一种古老的基础形式，经过长期发展已经成为一种很成熟的基础形式。随着城市用地越来越紧张，促使了更多地基处理方法的诞生，其中水泥粉煤灰碎石桩复合地基是建设部中国建筑科学研究院在“八五”期间重点攻关项目。这种地基形式优先在北京地区经过了大量工程实践，结果证明，在保证成桩质量前提下，可以有效提高地基的承载力，满足工程需要。对两种方案的分析和对比，有助于在保证安全需求的前提下，选择造价更为经济，施工周期更短的建筑地基基础方案。

桩基础和复合地基的组成及工作原理有较大的不同。桩基础是由设置于岩土中的桩和连接于桩顶端的承台组成的基础。承台把若干根桩的顶部联结成整体，来共同承受荷载。桩的截面一般远小于其长度，桩具有一定的刚度和抗弯能力，可以很好地将荷载传至地下深处承载力较高的土层，从而满足承载力和沉降的要求。天然地基处理时部分土体被增强或被替换，而形成的由地基土和增强体共同承担荷载的人工地基。水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基是将碎石、粉煤灰和少量水泥，加水拌和，用振动沉管打桩机或长螺旋管内泵压成桩机具制成的一种具有一定黏结强度的桩，桩和桩间土通过褥垫层形成复合地基，共同承担上部荷载。下面我们可以对实际工程进行两种地基基础形式的设计，并进行对比。

1 某高层建筑桩基础设计和刚性桩复合地基设计

1.1 工程概况

本项目位于河南省平顶山市宝丰县，建设用地面积51 521 ㎡，总建筑面积158 806 ㎡。拟建高层住宅11栋及地下车库、商业、幼儿园。地下车库一层，层高3.6 m，其中11#、12#住宅楼为27层住宅楼，层高2.9 m，地下一层。

整个工程建筑结构安全等级为二级;结构设计使用年限50年;抗震设防烈度为6度;结构抗震设防类别：幼儿园为重点设防类，其余均为标准设防类，基础设计等级为甲级。

1.2 工程地质概况

拟建场地地势较平坦，最大高程123.58 m，最小标高为122.18 m，相对高差最大约1.40 m;地貌单元属山前冲洪积平原和河流冲积相交汇处。根据钻探结果及区域地质资料，场地地层主要有①杂填土（Q4pd）、②粉质黏土（Q4al+pl）、③含砾粉质黏土（Q4al+pl）、④黏土（Q2al+pl）、⑤含粉质黏土细砂（Q2al+pl）、⑥钙质胶结层（Q2al+pl）、⑦含砂姜黏土（Q2al+pl）、⑧黏土（Q2al+pl）。主要土层工程特性如下，第①层（耕土）： 分布地表，厚度小，结构松散，严禁做基础持力层。第②层（粉质黏土）：分布普遍，厚度均匀，层位稳定，为中压缩性土，对本工程拟建的商业而言，为良好的基础持力层。第③层（含砾粉质黏土）：分布较普遍，层位不稳定，为中压缩性，工程性质较好。第④层（黏土）：该层分布普遍，层位稳定，硬塑，中压缩性，为良好的基础持力层及下卧层。第⑤层（含粉质黏土细砂）：中密，成分以石英、长石为主，含少量黏土：该层分布普遍，层位不稳定，为中压缩性土，为良好的下卧层。第⑥层 （钙质胶结层）：主要矿物成分为碳酸钙，上部胶结呈整块状，下部局部为半胶结状，下部局部为半胶结状，排列无规则，该层强度高，但对桩基施工会造成困难。第⑦层（含砂、姜黏土）：硬塑，含砂及钙质结核，含量分布不均。砂以中粗砂为主，局部呈层;钙质结核局部胶结呈块状。该层在场地内分布普遍，层位不稳定。其下地基土为厚层黏土，强度高，厚度大，为良好下卧层。各岩土设计参数详见表1。

1.3 11#住宅楼桩基础设计

1.3.1 桩基础设计参数选取。11#住宅楼为场地内最高的住宅建筑，±0.000以上总高78.3 m，剪力墙结构，采用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列软件（10版V4.3.4版本）SATWE、JCCAD板块对11#住宅楼进行计算分析，若采用天然地基2 m厚筏板基础，11#住宅楼基底压力平均值Pk为460 kPa。基础埋深为6.55 m，基础持力层为③、④、⑤层，根据表1数据，采用天然地基筏板时地基土强度均不能满足建筑物上部荷载的要求。结合场地周围环境条件及地质条件拟采用泥浆护壁冲孔灌注桩，桩基设计参数如表2所示。

1.3.2 桩基础设计计算。以当地最常用桩径0.6 m正方形布孔的冲孔灌注桩进行计算，桩最小中心间距按照3倍桩径1.8 m考虑，单桩承担的面积3.24 ㎡，桩基单桩顶竖向力1 490.4 kN。桩基持力层选第⑧层黏土层，进入持力层深度2 m。按土层地质情况最差的钻孔ZK3依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）[1]给出的土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，确定单桩竖向极限承载力标准值：

因此，桩身最小桩长为1.7+3.3+3.9+7.4+2=18.3m，取18.5m。依据文献[1]确定单桩竖向承载力特征值：

单桩竖向承载力特征值取值1 650 kN，按照桩径0.6 m桩中心间距1.8 m布桩，采用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列软件（10版V4.3.4版本）JCCAD板块对11#住宅楼桩基础进行计算分析，荷载效应标准组合下基桩最大竖向力NKmax为1 720 kN，小于1.2 Ra。地震作用效应标准组合下桩基础也能满足承载力要求。桩身混凝土强度为C30，其桩身强度能满足要求。

1.4 11#住宅楼刚性桩复合地基设计

1.4.1 水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基设计参数选取。根据本场地工程地质条件，尤其是场地内发育厚层钙质胶结层，呈半成岩状态，按常规做法，水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）成桩困难，但建设单位急需赶工期，经过和桩基施工单位的共同研究，采用改善型打桩机桩头，可有效解决钙质胶结层不易钻孔的情况，因此11#住宅楼欲采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩），不再采用桩筏基础形式。地基勘察单位提供的复合地基设计参数如表3所示。

1.4.2 水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基设计计算。依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012备案号J220—2012）[2]，对于有黏结强度增强体复合地基，确定复合地基承载力特征值：

其中，m为面积置换率，m= d2/ de2;d为桩身平均直径，de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径;正三角形布桩de=1.05 s，正方形布桩de=1.13 s，s为桩中心间距。不同桩径和桩布置方式下的面积置换率如表4所示。

经过之前的计算分析，未经修正的复合地基承载力特征值fspk需要460 kPa。按照最不利情况考虑，现场地地基原有承载力特征值fsk取180 kPa，式（3）经过推导可得所需单桩竖向承载力特征值：

按照地勘资料提供数据，单桩承载力发挥系数λ取0.9，桩间土承载力发挥系数β取0.9，经过计算，若达到所需承载力，不同桩径和桩间距所需单桩承载力特征值如表5所示。

经过与桩基施工单位沟通，结合当地经验，现场拟采用桩径0.5 mCFG桩，桩中心间距2 m，正三角形布置。单桩承载力特征值需达到1 181.58 kN。桩基础持力层选第⑦层，入层深度3.5 m，按土层地质情况最差的钻孔ZK3计算，依据文献[2]确定复合地基增强体单桩承载力特征值：

因此，桩身最小桩长为1.7+3.3+3.9+3.5=12.4 m，取12.5 m。单桩竖向承载力特征值取值12 00 kN，满足承载力要求。复合地基桩身强度经核算，也满足承载力要求。经过复核基础最大沉降量在40 mm以内，满足《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）[3]规定的建筑物地基变形允许值。

2 樁基础方案和水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基方案对比

按照桩基础设计，11#住宅楼共需要桩303根，桩累计长度达5 605.5 m，混凝土用量约1 584 m?，需要钢筋约110 t;按照修改后的水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基方案，11#住宅楼共需要桩439根（不包括场地外试桩），桩累计长度5 487.5 m，估算混凝土用量在1 050 m?左右。

3 结语

水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）是复合地基的代表，与桩基础相比CFG桩不配钢筋，可以省去钢筋加工环节，节省时间和人力。桩体利用工业废料粉煤灰作为掺合料，大大降低了工程造价，此建筑地基处理方案获得了建设方的认可。但当地采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基的工程不是很多，主要考虑当地土质情况，担心钻孔难度较大，难以保证成孔质量，本项目采用了改善型桩头的打桩机进行施工，有效解决了这一问题。经过此次方案设计，对比了两种方案的造价和施工工期，对当地类似工程具有一定参考价值。

参考文献：

[1] 建筑桩基技术规范JGJ 94—2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 建筑地基处理技术规范JGJ 79—2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3] 建筑地基基础设计规范GB 5007—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.