沉降控制复合桩基的优化设计及其应用

观日灿

电白县水利水电勘测设计室 广东电白 525400

摘要：在进行软弱地基上的桩基础施工时，关键要做好基础沉降控制的设计。一般在设计时认为负载都由桩来承担，不考虑桩间土的承载力。本文围绕这方面展开讨论，分析了沉降控制复合桩基的优化设计方法，该方法通过合理地计算分析，使水闸的沉降得到较好的控制，平均沉降和整体承载力均符合规范要求，并且降低了施工的成本。

关键词：软土地基；水闸；沉降控制复合桩基；水闸设计规范；地基基础设计规范

引言

随着我国经济的不断增长，建筑施工项目越来越多，建筑技术得到了发展，也保证了施工项目的质量。但是在一些施工项目中，由于没有做好复合桩基沉降控制的工作，直接影响了施工质量。因此如何对沉降控制复合桩基进行优化设计成为了施工人员需要解决的问题。下面结合实例对此进行讨论分析。

1 地质资料

根据勘察单位提供的地质勘察报告，水闸基础下各层土的地质参数详见表1，各层土e-p曲线见表2。

计算原理

2.1 沉降控制复合桩基（以下简称复合桩基）设计应符合下列要求

（1）复合桩基中的桩宜采用桩身截面边长小于等于250mm、长细比在80～l00左右且桩身质量有可靠保证的预制方桩。桩距不宜小于5～6d，并应按桩端穿过高压缩性淤泥质土层、并进入压缩性相对较低的持力层的要求选择桩端埋深。复合桩基承台埋深不宜小于建筑物高度的1/15。

（2）桩与承台下地基土共同承担外荷载的原则如下：当作用在承台底面的荷载准永久组合值大于复合桩基中各桩的单桩极限承载力标准值之和时，桩承担相当于各单桩极限承载力标准值之和的荷载、承台下地基土承担余下之荷载；当作用在承台底面的荷载准永久组合值小于等于复合桩基中各桩的单桩极限承载力标准值之和时，桩承担全部荷载。

2.2 复合桩基的沉降计算应符合下列要求

若作用在承台底面处的荷载准永久组合值为P、承台底面处地基土自重应力为σc，则在该承台下布有n根桩（单桩极限承载力标准值为Rk、扣除浮力作用后的自重标准值为Gpk）的复合桩基，其沉降计算可按下述原则进行：

（1）当P-σcAc≤nRk时，沉降即为在桩顶附加荷载为（P-σcAc）/n+Gpk的n根桩作用下产生的沉降，可参照公式（3-1）、（3-2）计算，沉降计算经验系数宜取1.0。

（2）当P-σcAc≥nRk时，沉降由两部分组成，一部分是在桩顶附加荷载为Rk+Gpk的n根桩作用下产生的沉降，可参照公式（1）、（2）计算，沉降计算经验系数宜取1.0；另一部分是在承台底面附加荷载为P-σcAc-nRk作用下产生的沉降，可按公式（3）计算。

（1）

（2）

T-在沉降计算点处压缩层范围内自桩端平面往下的土层数；Es，t—桩端平面下第t层土在自重压力至自重压力加附加压力作用时的压缩模量（MPa）；nt-桩端平面下第t层土的单向压缩计算分层总数；σz，t，i-桩端平面下第t层土的第i个分层处土体的竖向附加应力（kPa）；Δ Ht，i-桩端平面下第t层土的第i个分层的厚度；ψm-桩基沉降计算经验系数；Q-单桩沉降计算荷载（kN），取对应于作用效应准永久组合时的单桩平均附加荷载；L-桩长；1-α，α-分别是桩的侧摩阻力和端阻力占沉降计算荷载的比；Ip，j、Is，j-分别为第j根桩的桩端阻力和桩侧摩阻力对应力计算点的应力影响系数。

s-地基最终沉降量（mm）；ψs-沉降计算经验系数；p0-按作用效应准永久组合计算时的基础底面附加压力（kPa）；n-地基压缩层范围内的土层数；b-基础宽度（m）；i-自基础底面往下算的土层系数；δ-沉降系数；Es，0.1～0.2-地基土在0.1～0.2MPa压力作用时的压缩模量（MPa）。

3 沉降计算分析与桩基优化设计

根据《地基基础设计规范》（DGJ08-11-2010），选择边长250mm×250mm的C30钢筋混凝土预制方桩，考虑桩端穿过④层淤泥质粘土进入⑤1层粘土，计算不同桩长、桩距情况下的闸底板沉降值，采用同济启明星桩基础设计计算软件PiLe7.3计算，计算结果详见表3。

3.1 桩长对沉降的影响

由表3及图1分析可知：

（1）桩数相同、桩距相同、桩端持力层相同的情况下，桩长越长，沉降值越小。

（2）桩端在⑤1粘土中，桩长每增加1m，沉降值减少显著，基本在10～20mm之间；桩端进入⑤2粘质粉土后，桩长每增加1m，沉降值减少很小，基本在1～6mm之间。由此可见，桩端持力层选择在⑤1粘土中比较经济。

（3）在桩长22m以后，沉降值随桩长的变化趋势发生明显转折，因为该处高程为-23.5m，位于⑤1粘土与⑤2粘质粉土分界线上。⑤1、⑤2层土分界线高程-23.56m，桩端应距离该分界线足够的距离，因此桩长选择20～21m较合适。

图2 不同桩数、桩长时闸底板沉降值分布图

3.2 桩数、桩距对沉降的影响

由表3及图2分析可知：

（1）桩长21m时，桩的数量为91根的沉降值为61.6mm，171根桩时沉降值为57.4mm，沉降值相差仅4.2mm，但是数量相差悬殊，明显是91根桩的方案合理。

（2）桩长20m时，桩的数量为91根的沉降值为78.3mm，171根桩时沉降值为68.1mm，沉降值相差10.2mm，但是数量相差悬殊，明显是91根桩的方案合理。

由此可见无论桩长21m还是桩长20m，都应该选择91根桩，桩距7d的布桩方案。

桩长21m的布桩方案比桩长20m的布桩方案沉降值减小了78.3-61.6=16.7mm，混凝土方量增加了0.25×0.25×（21-20）×91=5.7m3，考虑增加的工程量较小，但是沉降减小明显，因此最终选择桩长21m，桩距7d，边长0.25m，总桩数91根的布桩方案。

3.3 桩基承载验算

根据实验结果，对于摩擦型桩基础，桩间土能承担一部分上部荷载，设计时如考虑桩间土承担底板底面以上10%～15%的荷载，工程仍是安全的。

对优化后的桩基验算其承担的荷载，过程如下：

P=35，778kN，σc=18.5×1.5=27.75kN/m2，Ac=23×12=276m2

Rk=715.3kN，n=91，nRk=715.3×91=65，092.3kN

P-σcAc=35，778-27.75×276=28，119kN

基础上部荷载全部由桩承担，因此在闸底板下布置边长0.25m，长21m，桩距7d即1.75m，总桩数91根的优化方案是安全可靠的，同时相比可研阶段的桩基布置方案节省了41%的混凝土量，沉降值减小了10.6mm，经济性大大提高。优化后的桩基布置方案与可研阶段桩基布置方案对比详見表4。

表4 桩基方案对比表

4 结语

综上所述，传统的在软土地基上的水闸桩基设计中不考虑底板下地基土与桩共同承担外荷载的设计理念显得十分保守，我们可以根据实际情况，设计时结合规范标准和理论，考虑桩间土承担底板底面以上一部分的荷载，适当提高复合基桩的实际承载力，达到不影响施工质量的前提下降低施工成本的效果。

参考文献：

[1]黄智鑫.沉降控制复合桩基在软土地基水闸设计中的应用[J].中国水运月刊，2014，14（6）.

[2]郭金雪.沉降控制桩设计方法及其沉降性状的有限元计算分析研究[D].山东建筑大学，2012年.