关于复合桩基工程的设计方法及应用的探讨

'关于复合桩基工程的设计方法及应用的探讨李芳（湖北省南漳县建筑勘察设计院，湖北襄阳441500）摘要：由于复合桩有应用、成木低、承载能力强等范围广泛，目前在建设中得到广泛应用，兵有广阔的发展前景，它的设计理论有了很大的发展。复合桩基工程设计过程，保证了施工质量时需要考虑的设计有很多种，木文探讨的关键因素讨论的计算过程和复合桩基设计方法，并提出了切实可行的情况下，为工程设计提供了理论依据。关键词：复合桩基；设计方法；应用!/•■、刖目与传统桩基础相比，复合桩基考虑桩和土共同承担荷载，可较好的利用天然地基的承载力，兵有较高的承载能力，乂较大幅度的减小天然地基的沉降量，比复合地基适用范围广阔，具有良好的经济性，因此，具有广阔的发展前途。1桩土共同工作的基木概念以及复合桩基的工作性能1.1桩土共同工作的基木概念在这里把桩土共同工作的低承台摩擦桩基础作为复合桩基，其桩土共同工作是一个典型的非线性过程。对桩土共同工作的实际过程做如下描述。当在复合桩基础逐级加荷时，可以将桩土共同工作的过程简化为两个阶段：第一阶段，荷载较小，各桩顶的平均荷载小于单桩极限承载力时，承台底面的反力很小。当荷载保持不变时，土反力还有随时间下降的趋势。可近似地认为，在第一阶段，荷载全部由桩承担。第二阶段，当总荷载大于各单桩极限承载力之和时，各桩保持其极限承载力的值并随着荷载的增加而略有增加，其余增加的荷载几乎全部由土承担。只有在第二阶段，承台下的土体才真正参加了共同承担上部荷载的工作。到加荷的最终阶段，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之和。从大量的试验资料可以知道，桩土共同工作是一个复杂的过程。当荷载保持不变吋，桩基的沉降发展需要延续5年甚至10年才能稳定。在这个过程中，特别是桩尖以上桩尖土体中随时间不断发生的固结和流变，迫使桩端和桩侧阻的不断变化，迫使土中的砬力状态不断变化；甚至迫使承台下的土面与承台脱开。在这段吋间里，桩顶反力将随时间缓慢有所增加，基地反力缓慢减小，甚至完全脱开。这一过程至少是0前无法用一种简单的弹性或弹塑性数学模型进行完全模拟,但是桩土共同工作的最终极限状态却很容易表达；桩土共冋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。这就是桩土共冋工作的实际过程，也是正确的桩土共同工作的基本概念。1.2复合桩基的工作性能与其他桩基相比，复合桩基具有更高的承载力，在置换过程中使土体密实，从而增加土体自身的承载力。在上部荷载的作用下，桩和桩周围的土体会产生摩擦阻力，这个摩檫阻力能够奋效提高桩基的承载力。复合桩基不仅具奋较高的承载力，还能够减小压缩变形，降低基础沉降和加速土体的固结，从而增强建筑的稳固性，确保建筑物更加耐久安全的使用。2复合桩基的设计2.1复合桩基的设计问题2.1.1布桩的范围和形式桩的型号不同，其强度和刚度也奋所差异，单桩承载力随桩体刚度的增大而增大。在布桩时要综合分析桩的种类和地基的地质条件，通常将刚度高的桩布置在上部结构基础范围内，刚性小的桩则布置在基础线外的一定宽度；在进行柔性桩的布置吋，要在基础以外的地方设置一定宽度的保护桩；对于普通的土层，布桩的范围尽量小一些，若地基下奋淤泥层或湿陷层时，可以适当增大桩的布置范围。2.1.2桩长的确定 桩长的设计基本原则是能够达到上部承载力的要求，持力层要选取硬度较大的土层，保证桩尖的插入量大于lm;当加固层均匀且厚度较小时，直接确定计算出桩长；若加固层内存有软土层时，桩必须穿过软土层，此吋还要对下卧层进行承载力验算。2.1.3持力层的选择通常情况下将硬度较大的土层作为持力层，但是在桩身长度过大时，桩端持力层对单桩的影响很小，故持力层的选择可不局限在硬土层。2.1.4桩体强度的设计桩的自身强度是保证单桩承载力的关键，桩体内部填充材料的性能决定桩体的强度，故填充材料必须依据相关标准规范来配比。由于桩基具有上部应力大、下部应力小的特点，所以上部容易被破坏，施工吋可采取一定的措施来增强上部结构强度。此外，桩周土一定程度上也能够影响单桩的承载力。2.1.5环境影响针对不同类型的桩基应选择不同的施工机械和施工方法，桩基类型的选择也要考虑到环境的影响，根据周围环境情况而定。例如在人流量小、空旷的地区,可以选择有噪声和震动的施工机械，在人流密集的城市，要考虑无噪声、无污染的施工工艺。2.2复合桩基工程的设计2.2.1复合桩基的计算复合桩基的计算是一个系统的计算过程，主要包括土承载荷载、单桩极限承载力和桩底下卧层承载力等，具体计算吋还要根据实际的工程经验并结合当地的规范来进行，通过大型试验基地和室内模拟试验，分析对比实验数据，并作好数据的验证，借鉴同类工程的成功经验方法。土承担荷载，Qs=Fa,其中A为承台浄面积。 单桩极限承载力标准值，Quk=Qsk+Qpk=u*ΣΨsiqsik+ΨpqpkAP其中Ψsi和Ψpk为大直径桩侧阻和桩端阻尺|*效应系数。桩底下卧层承载力，桩底下卧层承载力验算公式为σz+γiz≤qwuk/γqσz=D2σ0/(D+2t*tgθ)2(式中参数意义参见《建筑桩基技术规范》)。2.2.2复合桩基的设计复合桩基的设计要综合考虑场地条件、工期和造价等因素，在实际的复合桩基设计时要满足强度条件和变性条件。(1)强度条件复合桩整体承载力要满足公式：Fd+Gσ≤ξkRk+Acfs其中，Fd为上部结构恃至承台顶面的竖向荷载设计値，単位KN;Gσ为承台自重及承台上覆土重的设计值；ξ为复合桩基承载力调整系数；k为桩的数量；Rk为单桩竖向极限承载力标准值；Ac为承台底面识；fs为承台下地基承载力设计值。(2)沉降条件复合桩基沉降条件需满足：S≤Sa其中，S为基础最终的平均沉降量；Sa基础沉降量控制值。有研究表明，在桩型确定的条件下，桩的数量与建筑的沉降量之间存在一定关系：S=f(n),通过这-•条件曲线，可以在沉降量控制值已知的情况下确定出桩的用量：NO≥f(Sa),NO为设计用桩数量。3应用实例某6层住宅总荷载为68775kN,首先假定承台面积为572.44m2。地基土承载力特征值为85kPa,地基土的极限承载力为不小于170kPa。考虑承台底水浮力为llkN/m2。常规桩基设计，单桩极限承载力为240kN,承载力特征值为120kN。常规桩基础设计不考虑桩土共同工作，基底土压力为68775-572.44×ll=62478kN,用桩量为 62478/120=521(根)。情况1:按沉降一桩数曲线，当沉降控制值取20mm吋，考虑共同作用桩基设计桩252根，用桩量不到常规设计的一半。强度验算为：极限状态下桩土总承载力为252×240+572.44×170=157795kN,总安全度K=157795/62478=2.5,总安全度偏人，承台底面积可缩小为A=(68775×2-252×240)/(170+11)=426m2。情况2:如果沉降控制的要求更严，控制值为15mm吋，按沉降一桩数曲线，考虑共同作用桩基设计应用桩435根，为常规设计的83%。这吋的强度验算为：基础总极限承载能力为：435×240+572.44×170=201715kN。基底土压力为：68775-572.44×ll=62478kN。总安全度K=201715/62475=3.23>2.0。为了降低造价，承台面积可大大减小。最小可减为：(68775×2-435×240)/(170+11)=183m2。即承台面积只要大于183m2就可满足强度的要求，但实际上承台面积已不可能缩得这么小了。若对这两种情况进行长期监测，在沉降达到稳定，桩土之间的变化也趋于固定后，对于情况1实际承台面积为451m2,可测到平均桩顶反力为240kN，平均基底水土反力为(68775-240×252)/451=18.4kN/m2,其中水浮力为HkN/m2,其真正的土反力仅为7.4kN/m2。对于情况2实际承台面积为358m2,上部荷载扣除水浮力后，全部由435根桩承受，平均桩顶荷载达不到极根承载力值，可测到的实际平均桩顶反力为(68775-358×ll)/435=149.1kN,基底仅能测到水浮力llkN/m2，承台底下土面的承载力起强度安全储备作用。4结语总而言之，随着我国工程建设的不断发展，复合桩基的应用领域越来越广，在进行复合桩基的设计吋，要深入了解桩土共同作用原理，调查分析场地土质情况和周围环境因素，经过周密的计算分析，选择适用的设计方法，完成经济性高、满足工程需要的工程设计。参考文献： ［1】管自立，金国平，张清华.刚-柔性复合桩基的特性分析及工程设计［』］.建筑结构，2009(08)［2】陈成.复合桩基础在某综合楼工程中的应用［」］.建材与装饰：上旬，2011(5)［3】张鹏飞.复合桩基理论与应用［」］.科技信息，2012(25)'