沉降控制复合桩基设计的一点研究和运用
发布时间：2012-05-05 16:58:03更新时间：2012-05-05 16:58:39
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摘 要：沉降控制复合桩基，可以大幅度减少用桩数量，减短桩的长度，具有相当的经济效益，在很多工程中正得到越来越广泛的应用。
近30年来，桩基础设计理论研究的一个重要方面就是将桩、土和基础共同作用的研究成果推广应用于桩基础设计，考虑桩长、桩的刚度、桩数、桩位对桩基性状的影响，同时考虑承台下土的分担作用，从而提出复合桩基的设计思想。
按照《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）的术语系统，复合桩基的定义为“由桩基和承台下地基土共同承担荷载的桩基础”。复合桩基有两种不同的思路：一种是以承载力控制为主的设计方法；另一种是以沉降控制为主要特点的设计方法。
其中以沉降控制为主的桩基设计方法也分为两种：第一种是以控制沉降量为原则，考虑桩和承台共同作用，介于天然地基的浅基础和桩基之间的一种基础类型。按照这种设计概念，与按常规方法设计的桩基相比，根据不同的容许沉降的要求，用桩数量有可能大幅度减少，桩的长度也有可能减短，具有相当的经济效益，并且可以减少施工难度和施工周期。典型的例子是上海地基基础设计规范的沉降控制复合桩基和2008版的《建筑桩基技术规范》中的软土地基减沉复合梳桩基础，这两种复合桩基设计方法的共同特点是桩必须支承在不太硬的土层上，桩端持力层能提供较大的变形条件使桩土共同分担荷载；第二种是控制基础底板的不均匀变形为原则，改变桩基的刚度以调整底板的变形，可以减少底板和上部结构的内力，减少配筋，改变桩基刚度的方法可以采取调整桩长、桩径和桩距的方法，也可以采用在桩顶设置变形调节装置的方法改变桩土的刚度比。
上述第一种沉降控制为主的软土地基减沉复合梳桩基础（以下简称沉降控制复合桩基）在上海的很多工程中都得到了广泛的应用，由于沉降控制复合桩基是承台下地基土与桩共同分担外荷载，按建筑物容许沉降量要求确定桩数的低承台摩擦桩基。桩除承担部分外荷载外，主要起减少和控制沉降的作用，一般是摩擦桩，其桩端持力层不十分坚硬。桩的数量按容许沉降量要求确定，和常规桩相比，桩数减少，桩距则相应明显增大。复合桩基是承台下地基土与桩共同分担外荷载，当作用在承台底面的荷载长期效应组合值大于各单桩极限承载力标准值之和时，桩分担相当于各单桩极限承载力标准值之和的荷载，承台下地基土分担余下之荷载;反之，桩承担全部荷载。沉降控制复合桩基的优点主要有:(1)充分利用和发挥桩对控制基础沉降的能力；(2)桩可按单桩极限承载力设计，使桩的承载能力得到充分的发挥；(3)减少了用桩数量，与常规桩设计方法相比，一般可减少用桩数量30%以上，大大降低了基础的工程造价，降低了施工难度，缩短了施工周期，增加了经济型；(4)桩间距加大，降低了挤土效应，可减少对周围环境影响；(5)与水泥土搅拌桩或粉喷桩等地基处理相比，由于控制沉降桩一般采用钢筋混凝土桩，其质量控制能够得到较好的保证。
下面以上海耀皮余热锅炉基础设计为例，探讨复合地基的特点与好处。上海耀华皮尔金顿玻璃有限公司CS3浮法玻璃生产线余热电站这个项目的地址在常熟经济开发区在建苏通长江公路大桥下游约1公里处，场地抗震设防烈度6度，设计基本加速度0.05g，设计地震分组为第一组，建筑场地土分类为III类。场地的土层情况如下所示：
土层信息：
这里，我们采用的是钻孔灌注桩，桩径: 0.60 m，桩长: 25.00 m， 桩顶标高: 2.55 m。经计算，单桩竖向极限承载力标准值 1407.6 kn；单桩竖向极限承载力特征值 703.8 kn。锅炉的基础平面图如图1：
图1 主锅炉基础平面布置图
根据荷载要求，每根柱子的轴向力标准值为 1500kN ，四根柱子的总荷载标准值为6000KN，所以按计算须要9根桩，故采用沉降控制复合桩基来考虑，承台底所在土层为土层2粘性土，其承载力特征值为110kpa，我们考虑承台下地基土与桩共同分担外荷载，按建筑物容许沉降量要求确定桩数，以减少桩数和减小桩距。以6根桩来计算沉降，桩基最终沉降量计算采用以Mindlin应力公式为依据的单向压缩分层总和法计算。复合桩基的沉降由其发生和发展应包含:(1)桩身轴向力作用所产生的桩身压缩量，(2)桩群分担荷载所引起的地基沉降量，(3)承台下地基土分担荷载所引起的地基沉降量。根据复合桩基总沉降的组成分析，可按下述简化方法计算复合桩基沉降:一般桩身的弹性压缩量s很小，可以忽略不计。承台下土的附加应力按桩群和承台分别计算，忽略二者变形协调作用，将二者之和作为承台下土的沉降量。用启明星计算桩基最终沉降量，结果如下：
土层数据
天然地面标高为3.4m。
场地土层物理力学性质如下表：
地下水位标高:2.9m，土层平均泊松比:0.4
、基础数据
基础型式:沉降控制复合桩基
室内地面标高： 4.05m
室外地面标高：3.75m
基础底面标高： 2.05m
基底面积：40.2065m2
基底形心：12,6
上部结构总荷载：
标准组合：6000kN
准永久组合：6000kN
作用在基础底面的竖向总荷载：
标准组合：6804.1kN
准永久组合：6804.1kN
水浮力：341.8kN
重心：12,6
桩型：钻孔灌注桩
桩长：25m
桩径：600mm
根据土层侧阻力、端阻力计算单桩承载力：
fp=0kPa
gs=2,gp=2
特征值：713.9kN
结构强度：2425.9kN
总桩数：6
桩群形心：12,6
桩群形心到荷载重心:
DX = 0 m
DY = 0 m
基础形心到荷载重心:
DX = 0 m
DY = 0 m
、地基强度验算
根据地基承载力标准值计算地基承载力
持力层:第2层
特征值:110kPa
基础宽:4.85m
修正后特征值:117.2kPa
承载力特征值:117.2kPa
F+G = 6462.4£0.44´n´Rk+fs,d´A=8480.7 kN
沉降控制复合桩基承载力满足要求。
、沉降计算
附加总荷载：5800kN，基础沉降：16.1mm，满足沉降要求。
结论：
不论复合桩基、控制沉降桩基还是疏桩基础概念，本质上都是充分利用承台下地基土的承载潜力，达到提高基础的整体承载力，或减少、控制基础的沉降的目的。低承台摩擦群桩或端承作用较小的端承摩擦桩和承台底土共同承载群桩，单桩接近或达到其极限承载力状态时，桩与承台最终有明确的荷载分担，用桩数量有可能大幅度减少，桩的长度也有可能减短，这样既降低了施工难度，也缩短了施工周期，具有相当的经济效益。所以这一基础形式必将在以后的结构基础研究中占有更广阔的空间。
参考文献
【1】《建筑桩基技术规范》
【2】《建筑地基基础设计规范》
近30年来，桩基础设计理论研究的一个重要方面就是将桩、土和基础共同作用的研究成果推广应用于桩基础设计，考虑桩长、桩的刚度、桩数、桩位对桩基性状的影响，同时考虑承台下土的分担作用，从而提出复合桩基的设计思想。
按照《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）的术语系统，复合桩基的定义为“由桩基和承台下地基土共同承担荷载的桩基础”。复合桩基有两种不同的思路：一种是以承载力控制为主的设计方法；另一种是以沉降控制为主要特点的设计方法。
其中以沉降控制为主的桩基设计方法也分为两种：第一种是以控制沉降量为原则，考虑桩和承台共同作用，介于天然地基的浅基础和桩基之间的一种基础类型。按照这种设计概念，与按常规方法设计的桩基相比，根据不同的容许沉降的要求，用桩数量有可能大幅度减少，桩的长度也有可能减短，具有相当的经济效益，并且可以减少施工难度和施工周期。典型的例子是上海地基基础设计规范的沉降控制复合桩基和2008版的《建筑桩基技术规范》中的软土地基减沉复合梳桩基础，这两种复合桩基设计方法的共同特点是桩必须支承在不太硬的土层上，桩端持力层能提供较大的变形条件使桩土共同分担荷载；第二种是控制基础底板的不均匀变形为原则，改变桩基的刚度以调整底板的变形，可以减少底板和上部结构的内力，减少配筋，改变桩基刚度的方法可以采取调整桩长、桩径和桩距的方法，也可以采用在桩顶设置变形调节装置的方法改变桩土的刚度比。
上述第一种沉降控制为主的软土地基减沉复合梳桩基础（以下简称沉降控制复合桩基）在上海的很多工程中都得到了广泛的应用，由于沉降控制复合桩基是承台下地基土与桩共同分担外荷载，按建筑物容许沉降量要求确定桩数的低承台摩擦桩基。桩除承担部分外荷载外，主要起减少和控制沉降的作用，一般是摩擦桩，其桩端持力层不十分坚硬。桩的数量按容许沉降量要求确定，和常规桩相比，桩数减少，桩距则相应明显增大。复合桩基是承台下地基土与桩共同分担外荷载，当作用在承台底面的荷载长期效应组合值大于各单桩极限承载力标准值之和时，桩分担相当于各单桩极限承载力标准值之和的荷载，承台下地基土分担余下之荷载;反之，桩承担全部荷载。沉降控制复合桩基的优点主要有:(1)充分利用和发挥桩对控制基础沉降的能力；(2)桩可按单桩极限承载力设计，使桩的承载能力得到充分的发挥；(3)减少了用桩数量，与常规桩设计方法相比，一般可减少用桩数量30%以上，大大降低了基础的工程造价，降低了施工难度，缩短了施工周期，增加了经济型；(4)桩间距加大，降低了挤土效应，可减少对周围环境影响；(5)与水泥土搅拌桩或粉喷桩等地基处理相比，由于控制沉降桩一般采用钢筋混凝土桩，其质量控制能够得到较好的保证。
下面以上海耀皮余热锅炉基础设计为例，探讨复合地基的特点与好处。上海耀华皮尔金顿玻璃有限公司CS3浮法玻璃生产线余热电站这个项目的地址在常熟经济开发区在建苏通长江公路大桥下游约1公里处，场地抗震设防烈度6度，设计基本加速度0.05g，设计地震分组为第一组，建筑场地土分类为III类。场地的土层情况如下所示：
土层信息：
| 层号 | 名称 | 厚度 | Fs（Kp） | Fp（Kp） |
| 1 | 填土 | 0.9 | 0 | 0 |
| 2 | 粘性土 | 2.1 | 15 | |
| 3 | 粘性土 | 2 | 15 | |
| 4 | 粉土 | 5.6 | 40 | |
| 5 | 淤泥质土 | 5 | 25 | |
| 6 | 粘性土 | 4.5 | 30 | |
| 7 | 粘性土 | 8.3 | 35 | |
| 8 | 粉土 | 6.3 | 50 | 1000 |
| 9 | 粉土 | 5.3 | 70 | 1700 |
图1 主锅炉基础平面布置图
根据荷载要求，每根柱子的轴向力标准值为 1500kN ，四根柱子的总荷载标准值为6000KN，所以按计算须要9根桩，故采用沉降控制复合桩基来考虑，承台底所在土层为土层2粘性土，其承载力特征值为110kpa，我们考虑承台下地基土与桩共同分担外荷载，按建筑物容许沉降量要求确定桩数，以减少桩数和减小桩距。以6根桩来计算沉降，桩基最终沉降量计算采用以Mindlin应力公式为依据的单向压缩分层总和法计算。复合桩基的沉降由其发生和发展应包含:(1)桩身轴向力作用所产生的桩身压缩量，(2)桩群分担荷载所引起的地基沉降量，(3)承台下地基土分担荷载所引起的地基沉降量。根据复合桩基总沉降的组成分析，可按下述简化方法计算复合桩基沉降:一般桩身的弹性压缩量s很小，可以忽略不计。承台下土的附加应力按桩群和承台分别计算，忽略二者变形协调作用，将二者之和作为承台下土的沉降量。用启明星计算桩基最终沉降量，结果如下：
土层数据
天然地面标高为3.4m。
场地土层物理力学性质如下表：
| 层号 | 土层名称 | 层厚(m) | 天然重度(kN/m3) |
Es1-2 (MPa) |
桩侧极限摩阻力标准值(kPa) | 桩端端阻力标准值(kPa) |
| 1 | 填土 | 0.9 | 18.6 | 6.3 | 0 | |
| 2 | 粉质粘土 | 2.1 | 18.3 | 5.75 | 15 | |
| 3 | 粉质粘土 | 2 | 18.7 | 9.77 | 15 | |
| 4 | 砂质粉土 | 5.6 | 17.6 | 3.16 | 40 | |
| 5 | 淤泥质粉质粘土 | 5 | 17.9 | 3.74 | 25 | |
| 6 | 粉质粘土 | 4.5 | 18 | 4.41 | 30 | |
| 7 | 粉质粘土 | 8.3 | 17.9 | 4.86 | 35 | |
| 8 | 粉质粘土 | 6.3 | 18.1 | 6.48 | 50 | 1000 |
| 9 | 砂质粉土 | 7 | 18.1 | 8.71 | 70 | 1700 |
| 10 | 粘质粉土 | 2.5 | 17.9 | 5.98 | 60 | 1000 |
、基础数据
基础型式:沉降控制复合桩基
室内地面标高： 4.05m
室外地面标高：3.75m
基础底面标高： 2.05m
基底面积：40.2065m2
基底形心：12,6
上部结构总荷载：
标准组合：6000kN
准永久组合：6000kN
作用在基础底面的竖向总荷载：
标准组合：6804.1kN
准永久组合：6804.1kN
水浮力：341.8kN
重心：12,6
桩型：钻孔灌注桩
桩长：25m
桩径：600mm
根据土层侧阻力、端阻力计算单桩承载力：
| 层号 | 厚度（m) | Fs(kN/m3) |
| 2 | 1.65 | 15 |
| 3 | 2 | 15 |
| 4 | 1 | 40 |
| 4 | 4.6 | 40 |
| 5 | 5 | 25 |
| 6 | 4.4 | 30 |
| 6 | 0.1 | 30 |
| 7 | 1.45 | 35 |
| 7 | 4.8 | 35 |
gs=2,gp=2
特征值：713.9kN
结构强度：2425.9kN
总桩数：6
桩群形心：12,6
桩群形心到荷载重心:
DX = 0 m
DY = 0 m
基础形心到荷载重心:
DX = 0 m
DY = 0 m
、地基强度验算
根据地基承载力标准值计算地基承载力
持力层:第2层
特征值:110kPa
基础宽:4.85m
修正后特征值:117.2kPa
承载力特征值:117.2kPa
F+G = 6462.4£0.44´n´Rk+fs,d´A=8480.7 kN
沉降控制复合桩基承载力满足要求。
、沉降计算
附加总荷载：5800kN，基础沉降：16.1mm，满足沉降要求。
结论：
不论复合桩基、控制沉降桩基还是疏桩基础概念，本质上都是充分利用承台下地基土的承载潜力，达到提高基础的整体承载力，或减少、控制基础的沉降的目的。低承台摩擦群桩或端承作用较小的端承摩擦桩和承台底土共同承载群桩，单桩接近或达到其极限承载力状态时，桩与承台最终有明确的荷载分担，用桩数量有可能大幅度减少，桩的长度也有可能减短，这样既降低了施工难度，也缩短了施工周期，具有相当的经济效益。所以这一基础形式必将在以后的结构基础研究中占有更广阔的空间。
参考文献
【1】《建筑桩基技术规范》
【2】《建筑地基基础设计规范》
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