预制桩复合地基处理方案比选研究

张启程 （安徽建工三建集团有限公司，安徽 合肥 230022）

高层建筑具有基础平面尺寸大、沉降控制严、单桩荷载高的特点，地基处理方案对基础造价的影响较大，因此，对高层建筑地基处理方案的研究与分析尤为重要。复合地基理论的研究与发展，给现阶段高层建筑地基处理提供了新的选择[1]。目前，在高层建筑中复合地基的应用逐步增多[2-3]，复合地基基础设计时主要需要关注地基承载力及沉降控制这两个问题[4-5]，但由于复合地基的受力特性较复杂[6]，桩土相互作用机理仍是地基基础工程的主要研究方向，现阶段仅可通过现场的静载试验及建筑物的沉降观测验证复合地基的可行性。

本文以某高层建筑预制桩复合地基处理项目为例，对不同桩长及桩距的复合地基方案进行了对比研究。

1 工程地质情况

1.1 项目概况

新建项目位于江苏省苏中地区某市，由11 栋高层住宅及相关配套建筑组成，高层住宅为框架剪力墙结构，抗震设防烈度为7度（0.10g），地震动加速度反应谱特征周期值为0.55s，标准设防类建筑，基础形式为桩筏基础。根据地区经验，本地区15 层的高层住宅的地基处理方案主要有预制桩基础或预制桩复合地基，在综合考虑地勘单位及当地施工经验的基础上，选择采用预制桩复合地基处理方案。

本文以该项目中的4#楼为背景讨论预制桩复合地基处理方案。4#楼为地上15层，地下1层，±0.000为85高程5.15m，筏板底标高为-0.25m，基础宽度16.25m，基础长度35m。

1.2 地质概况及设计参数

本工程场地位于华东地区长江中下游冲积平原，在地域上属长江下游三角洲冲积平原地貌单元，勘探深度范围内地基土为河流相和滨海相沉积物，地下水埋深约1.5～2.0m。根据地质勘察报告，在勘探深度范围内主要为软塑状粉质黏土、稍密～中密状粉土以及中密～密实状粉砂土。根据勘探结果，在钻孔深度60.3m内，地基土根据土的成因和物理力学性质的差异，将本次勘探深度范围内的土层分成7 个工程地质层，详见表1。

表1 各主要土层物理力学指标

1.3 工程地质剖面图

勘察报告中涉及4#楼的共6 个地质钻孔及2 个工程地质剖面，如图1 所示。根据工程地质剖面图可知，场地内土层分布较为均匀，起伏不大，层4、层5 及层7为中密或密实的粉砂土，是较好的预制桩桩端持力层。

图1 工程地质剖面图/m

2 预制桩复合地基处理方案

4#楼筏板底标高为-0.25m，约为现状地面下4.3m，筏板位于层2 粉质黏土及层3 粉土上，按不利取值，筏板底承载力特征值取110kPa。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m 时，对地基承载力特征值按下式进行修正，如式（1）计算。

式中fa为修正后的地基承载力特征值，kPa；fak为地基承载力特征值，取110kPa；ηb、ηd分别为基础宽度及深度修正系数，取0及1.0；γ为基础底面以下土的重度，地下水位以下浮重度，取8.01kN/m3；γm为基础底面以上土的重度，取7.93kN/m3；b为基础宽度，取16.25m；d为基础埋置深度，取4.3m。

经计算，修正后的地基承载力特征值为140.13kPa，远小于设计文件要求的基底压力不低于220kPa的要求，无法满足设计要求，需进行地基处理。

2.1 地基处理方案一

采用桩径0.4m 的预制混凝土管桩，桩身周长1.256m，桩身截面积0.1256m2，以层4 粉砂土作为桩端持力层，桩端标高-8.25m，有效桩长8m，桩端进入持力层深度不小于桩身直径的1.5倍，即0.6m。各钻孔进入持力层深度及单桩承载力特征值如表2所示。

表2 方案一各钻孔进入持力层深度及单桩承载力特征值

根据表2计算结果，桩端进入持力层深度及桩端下持力层厚度均可以满足规范要求。单桩承载力特征值取计算结果的最小值360kN。根据JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》，复合地基承载力特征值按式（2）计算。式中fspk为复合地基承载力特征值，设计要求为220kPa；λ为单桩承载力发挥系数，取0.9；β为桩间土发挥系数，取1.0；m为面积置换率，根据布桩形式确定；fsk为处理后桩间土的承载力特征值，取110kPa；Ra为单桩承载力特征值。

根据式（2）反算最小面积置换率为0.04454。若采用正方形布桩，桩间距为1.65m，计算得出的面积置换率为0.04602，大于反算结果0.04454，此时复合地基承载力特征值可以满足设计要求，实际复合地基理论特征值为223.65kPa，大于设计要求的最小复合地基承载力220kPa。最终布桩数为276 根，桩长总进尺为2208m。

2.2 地基处理方案二

方案二选择采用桩径0.4m 的预制混凝土管桩，桩身周长1.256m，桩身截面积0.1256m2，以层5 粉砂土作为桩端持力层，桩端标高-11.25m，有效桩长10m，桩端进入持力层深度不小于桩身直径的1.5倍，即0.6m。各钻孔进入持力层深度及单桩承载力特征值如表3所示。

表3 方案二各钻孔进入持力层深度及单桩承载力特征值

根据表3计算结果，桩端进入持力层深度及桩端下持力层厚度均可以满足规范要求。单桩承载力特征值取计算结果的最小值450kN。根据JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》，采用式（2）反算最小面积置换率为0.03532。若采用正方形布桩，桩间距为1.85m，计算得出的面积置换率为0.03661，大于反算结果0.03532，此时复合地基承载力特征值可以满足设计要求，实际复合地基理论特征值为224.02kPa，大于设计要求的最小复合地基承载力220kPa。最终布桩数为231 根，桩长总进尺为2310m。

3 方案比选研究

3.1 施工措施比选

方案一桩端持力层位于层4粉砂土中，该层土为中密状态砂土，强度较高，根据区域桩基施工经验，层4有较为明显的挤土效应，同时方案一桩间距为1.65m，稍大于4倍桩径，这种情况下桩基施工时挤土效应会明显发挥，因此，桩基施工时应选用间隔跳打等方式进行。方案二桩端持力层位于层5粉砂土中，该层土为密实状态砂土，强度高，挤土效应较层4更为明显，采用更大的桩间距，在一定程度上减少了桩土的挤密效应，但由于桩基数量较多，桩基施工后期仍会出现压桩困难或无法沉至指定标高的情况。

方案一及方案二在施工措施方面难易程度相当，桩土挤密效应是需要重点考虑的问题。对此，建议桩基施工时采用大功率的压桩机，根据区域经验，压桩机配重建议采用桩基极限承载力的3倍为宜，并采用合适的压桩顺序。

3.2 施工进度比选

方案一的桩数量为276根，方案二的桩数量为231根，总进尺数量两种方案相差不大。从桩基施工周期来看，方案一的施工周期大约为15d 左右，方案二的施工周期大约为13d 左右，方案二进度较快，就整体项目施工周期而言，方案二有较大优势。此外，两个方案采用的桩基均为标准长度的预制桩，桩厂的供应速度一般可以满足施工要求。

其次，方案二采用强度更高的层5 作为桩端持力层，且桩基长度更长，极易出现沉桩困难或无法满足进入持力层一定深度的要求，采用引孔等措施势必会影响桩基的施工进度。

3.3 施工造价比选

通过对当地桩基施工单价调查，PHC400AB型预制混凝土管桩的材料及施工综合单价为275 元/m。方案一桩基础总费用为607200 元，方案二桩基础的总费用为635250元，方案一比方案二节约造价约28050元。综合4#桩基础的施工措施、施工进度及造价3 个方面的比选可以发现，方案一在施工措施及施工造价方面具有明显优势，而方案二在施工进度方面具有优势，但优势并不明显，故4#桩基方案建议选用方案一。

4 现场检测

4.1 低应变检测

根据相关规范及工程设计要求，对4#基础范围内276根工程桩进行现场低应变检查混凝土桩身完整性，检测数量为100%。根据检测结果，276根工程桩均为I类桩。

4.2 单桩及复合地基承载力检测

单桩承载力采用静载试验，最大堆载量为单桩承载力特征值的2倍，要求受检桩基单桩承载力极限值不小于720kN，复合地基承载力极限值不小于440kPa。单桩及复合地基静载荷检测结果如表4所示。

表4 单桩及复合地基检测结果

根据现场检测成果可知，4#单桩及复合地基静载试验结果均满足设计要求。

5 结语

结合某建筑工程4#高层住宅预制桩复合地基处理方案，对两种地基处理方案进行了计算。根据计算结果，从施工措施、施工进度及工程造价三个方面对两种方案进行对比分析，选择最优方案。根据对比结果，桩端持力层选择层4 时，既可降低沉桩过程中的风险，又降低了工程造价，具备较大的优势。同时，通过现场单桩及复合地基承载力的检测结果验证方案的可行性。