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  2018-1-11
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《复合桩基础设计规范》简介
南京工业大学交通运输工程学院  王旭东
化学工业岩土工程有限公司  高理华  王志良


一、编制背景
随着我国基本建设的迅猛发展,桩基础已成为天然地基不能满足承载力与变形要求时首选的基础形式,并由基桩承担上部结构全部荷载。工程设计中一旦采用桩基础,天然地基的承载能力一般被放弃利用。而采用传统的桩基础设计方法,基桩的最大工作荷载仅为其极限承载力的一半。此外,由于基桩支承刚度较大、沉降小,致使承台下地基土承载能力没有的到合理利用,导致桩筏基础设计中筏板过厚、筏板下基桩数量过多,造成较大的浪费。且桩基的大量施工给周边环境和地下空间开发利用均会造成不利影响。
  《复合桩基础设计规范》的设计思想来自南京工业大学宰金珉教授的“复合桩基工作性状和设计方法”和“复合桩基按强度和变形双重控制的非线性设计理论与应用”等研究成果。经过近20年深入系统的基础性研究和应用性研究,在研究成果的综合集成以及承载力的潜力利用方面达到国际领先水平,形成了复合桩基础系统的设计理论和设计方法,出版了《复合桩基理论与应用》专著,为复合桩基础的推广应用奠定了理论基础。其成果在创新性、系统性、深入程度以及可推广性等方面总体上达到国际先进水平,2005年列为江苏省建设科技成果推广项目,并分别获得江苏省科技进步二等奖和华夏建设科技奖二等奖。
  根据《工业和信息化部办公厅关于印发2015年第三批行业标准制修订计划》(工信厅科[2015]115号)的精神,由中国石油和化工勘察设计协会委托中国石油和化工勘察设计协会工程勘察与岩土分会组织南京工业大学和化学工业岩土工程有限公司共同主编完成了《复合桩基础设计规范》的编制工作,现已发布。本规范为复合桩基础设计提供了科学依据,也是对《建筑桩基技术规范》(JGJ94)中复合桩基内容的拓展和补充。
二、设计思想
  复合桩基础是由大桩距稀疏布置的摩擦型群桩与筏板组成的桩筏基础,是介于天然地基和纯桩基之间的一种过渡型基础形式,以桩土非线性共同作用理论为基础,其核心思想是充分利用桩的承载能力、合理利用地基土承载能力,在保证复合桩基整体稳定性的基础上,实现对其沉降的控制。
  复合桩基础设计方法突破了单桩分担荷载不大于Ra的传统限制,采用适当少量的桩,保证单桩分担荷载接近或达到Quk,而将剩余荷载明确交由桩间土承担,并对整体承载力极限状态(强度要求)和正常使用极限状态(变形要求)进行双重控制的新的设计方法。同时通过基底反力的合理分布,到达减少差异沉降和筏板基础内力的目的。比之纯桩基,采用复合桩基础理论设计的桩筏基础,桩基数量显著减少,较之桩基础设计有显著的社会经济效益。
  复合桩基础设计基于桩筏基础的非线性共同作用工作性状,以同时满足复合桩基础整体安全度不小于2和复合桩基沉降量计算值不大于建筑物的地基变形允许值的双重控制为基本设计要求。复合桩基础中天然地基应具有承担不小于50%的上部结构标准组合荷载效应的能力,以确保能形成有效的桩土共同作用状态,同时确保复合桩基础易满足整体安全度的要求。由于复合桩基础中单桩工作于极限承载状态,始终承担着等于极限承载力Quk的固定荷载,不再参与新的荷载分配,剩余荷载由筏板下地基土承担,从而明确了桩、土之间的荷载分配,解决了桩筏基础设计中最难预知的桩土荷载分配问题,为基底反力的合理调控提供了手段,为提出考虑桩土共同作用的复合桩基础设计方法奠定了基础。
三、主要内容
  《复合桩基础设计规范》总结了复合桩基础的科研成果和实践经验,在开展了专题研究,进行了广泛调查分析基础上,广泛征求意见,参考有关国际标准和国外先进标准编制完成?!陡春献∩杓乒娣丁饭岢沽斯业募际蹙谜?,充分体现了安全适用、技术先进、经济合理、确保质量、?;せ肪车纳杓评砟?。
  《复合桩基础设计规范》共包括总则、术语和符号、基本规定、复合桩基础设计、检验与监测等五部分组成。
  为了描述复合桩基础的工作特性,提出了复合桩基础、地基承载力满足率ψ、地基承载力利用率ξs 、单桩极限承载力利用率ξp 等术语和符号。从天然地基承载力满足率(不小于0.5)、桩型(摩擦型桩、桩的承载能力不发生削弱现象)、桩间距(不宜小于5d)、场地土特性(特殊土)性质等方面,结合场地工程地质与水文地质、上部结构类型、荷载特征、施工技术与周边环境等因素,明确了复合桩基础的适用条件。
  针对复合桩基础整体安全度和沉降两大核心设计内容,以及复合桩基础整体安全度不小于2和沉降量计算值不大于建筑物的地基变形允许值的双重控制要求。从复合桩基中桩、土共同分担荷载,充分利用了桩的承载能力和合理利用地基土承载能力的角度,提出复合桩基础整体安全度K计算方法。以复合桩基中桩、土最终荷载分配为基础,提出了地基土采用分层总和法、桩基依据单桩Q-s曲线的复合桩基础沉降计算方法。
   《复合桩基础设计规范》详细给出了复合桩基础承载力计算、桩基计算、沉降计算、整体安全度复核的方法,提出了控制复合桩基础沉降、减小不均匀沉降的合理布桩和调整基底反力的原则,并针对复合桩基础的工作特点,提出了相应的检验和监测要求,为复合桩基础的工程实践奠定了基础。
四、设计案例
  南京工业大学(虹桥)图书馆工程地上9层,地下一层,总建筑面积12000m2,总荷载190780kN,基底为48m×34m的近似矩形,基础面积1655m2;基底平均压力p=115.3kPa,基础埋深2.8m。
  场地土层分布较均匀,主要为近期冲积形成的粉砂、粉土和粉质粘土等深厚软土层,埋深达46m左右,其下是强风化与中等风化砂岩,地下水为潜水,埋深1m。地表下2m为②-1粉砂层,地基承载力特征值fak=140kPa,满足地基承载力要求。但由于软土层较厚,天然地基沉降大(预计约30cm),不能满足建筑物地基变形沉降要求。鉴于建筑物的荷载大小、场地地质和设计要求,其基础型式一般都选用桩基础,由于传统桩基础仅考虑桩承担上部结构荷载,基底地基土的承载能力没有的到合理利用。鉴于上述条件,图书馆工程拟采用复合桩基础,在充分利用桩的承载力前提下,合理利用地基土的承载力,从而提高工程的经济效益。
  为保证桩的质量,工程采用静压预制混凝土方桩,桩身截面分别为450mm×450mm、350mm×350mm和300mm×300mm,相应的桩长为21m和18m、15.5m、8.5m,以提供不同的极限承载力,并可组合形成7种桩型,以可满足柱下从3400kN到500kN的不同承载要求,筏板厚度为400mm,沿轴线加设倒梯形基础梁,梁高1200~1500mm。
  经设计计算天然地基承载力满足率≥0.5,地基承载力利用率ξs=50/140=0.357,单桩极限承载力利用率ξp取1.0,则整体安全度,满足复合桩基整体安全度不小于2的设计要求。其中地基土承担荷载38%,基底平均压力为43.3kPa,桩分担荷载为62%。筏板基底压力沿纵、横向的分布形式均为边、角部略大,中间较小的抛物线分布,有利于减少差异沉降。
  工程完工后两年测得筏板基底平均压力约30kPa,筏板钢筋应力最大值约为30MPa,不到其强度的10%,建筑物平均沉降约17.6mm,整体绕曲差异沉降(2~5)mm。现场监测表明,复合桩基础设计的关键是合理确定桩的荷载分担量和调整布桩方式,通过合理调节地基土和桩顶支承刚度的大小和分布,调整基底反力的分布,在减小筏板沉降量的同时,使其差异沉降减少,达到减小筏板内力的目的。采用复合桩基础较常规桩基工程节省工程造价63%。

  
图1 采用复合桩基础的南京工业大学图书馆 

 

 图2 复合桩基础施工现场

五、结束语
  《复合桩基础设计规范》中华人民共和国工业和信息化部发布,编号HG/T 20709-2017,由科学技术文献出版社出版发行,并自2018年1月1日起实施。
  《复合桩基础设计规范》的实施,为复合桩基础的工程设计提供了设计依据,作为一种桩筏基础设计的新方法,复合桩基础设计时应综合分析各种因素,结合当地工程地质条件及设计经验,合理选择施工质量可靠桩型,要重视工程经验的积累,不断提高复合桩基础设计水平,推动基础工程非线性设计理论的工程应用。

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