CN1876970A - 长短桩正方单元组合型复合桩基 - Google Patents

Abstract

4S1L单元组合型复合桩基融合了当今长短桩(CM)复合地基、减沉控制桩及塑性支承桩复合桩基的技术精华，提出以单元组合的型式设计复合桩基础，应用于土木工程领域的多层、高层及超高层工业与民用建筑以及道路、桥梁、水利等各种软弱地基的处理。其主要技术特征：1)利用一长四短(4S1L)、一中四角(边)的正方形加固单元，方便地组合成独立基础、条形基础、筏板基础等型式，对各单元按强度和变形进行双控；2)加固单元采用1根刚性长桩和4根柔性短桩进行组合，能够得到很高的承载力；3)使用双褥垫层技术保证长桩、短桩及桩间土的承载潜力得以同时发挥；4)工期短、用材少、造价低；5)广泛适用于各种软弱地基。

Description

长短桩正方单元组合型复合桩基

本发明的新技术属于土木建筑工程领域。

一、问题的提出

传统的桩基设计理论是由桩来承担全部的荷载，不考虑土的承载作用，这样的设计虽然安全但不经济。在《建筑桩基技术规范》GJ94-94中，考虑了承台的共同作用，但仅适用于桩距小于6d的情况。

为了充分发挥桩间土的承载潜力，有学者提出了减少沉降桩的设计理论并用于工程实践，取得了良好的效果，在设计时采用按沉降控制的方法进行设计。

宰金珉提出了塑性支承桩的概念，建议在总体安全度大于2和总沉降小于容许沉降的双重控制下，近似按单桩极限承载力设计桩基础，充分发挥地基土和桩的承载潜力。

上述二种设计思想均考虑了桩土的分担荷载作用，因此都属于复合桩基范畴。

还有学者提出了长短桩(CM)复合地基或多元复合地基的概念，并将其应用于工程实践，这种设计有助于同时调动地基浅部及深部土体的承载能力，是一种先进的设计方法。

上述三种设计思想是目前复合桩基及复合地基领域的最新成果，但如果单独应用，仍有一定的局限性。

比如在软土地基，由于桩间土承载能力差，采用桩间距较大的复合桩基难以获得较高的承载能力，无法满足高层建筑的荷载要求，一般软土地基采用减少沉降桩设计复合桩基的可建层数在12层以下，上海地区规定不超过8层。而长短桩(CM)复合地基一般适用于筏板基础荷载分布较为均匀的情况。

为了能在各种软土地基上取得一种高强度的复合桩基，使之广泛用于高层及超高层建筑，最终以短的工期、低的造价，取得良好的经济效益和社会效益，笔者提出了一种新型的复合桩基——4L1S单元组合型复合桩基技术。

该技术融合了当今长短桩复合地基、减沉桩及塑性支承桩复合桩基的技术精华，是本人发明的一项崭新技术。

该技术的设计思想是在总体安全度大于2和总沉降小于容许沉降的双重控制下，按照筏板差异沉降近似为零的原则设计桩基础，L桩可设置成塑性支承桩，近似按单桩极限承载力考虑，充分发挥地基土、S桩和L桩的承载潜力。

新颖性与独创性：

该技术与一般长短桩(CM)复合地基不同之处在于：

一、大幅度减少了长桩的使用数量，这符合减沉桩的设计思想；

二、采用塑性支承桩的设计思想，长桩起到卸荷减沉作用，桩长、截面大小及卸荷量可调，保证差异沉降为零，并近似按极限荷载考虑，最大限度发挥了长桩的承载潜力。

三、适用性更广，不仅适用于筏板基础，还适用于独立基础和条形基础，以及适用于筏板荷载分布不均匀的情况。

与一般卸荷减沉桩复合桩基不同之处在于：

一、短桩加固桩间土，形成桩间土复合地基，整体承载力大幅提高，适用于任意软弱地基，能够满足高层建筑的要求；

二、采用褥垫层技术来调整短桩跟土的之间的荷载分担比，保证复合地基承载力的充分发挥。

三、本技术不但适用于摩擦型长桩，还适用于端承型长桩的情况，适用范围更广。

二、4S1L单元组合型复合桩基技术特征

1、4S1L单元组合型复合桩基中的加固单元是按照一长四短(4S1L)的方式进行组合，长桩称为L桩，短桩称为S桩。L桩一般采用PHC管桩、预制混凝土方桩，S桩可按土质条件及地层情况选用刚性桩或柔性桩，如预制桩、沉管桩、CFG桩、水泥搅拌桩或旋喷桩等。

2、每个加固单元在平面上呈正方形(图1)，L桩位于正方形中心，S桩散布四周；在空间上采用不同长度，使桩端高应力区高低错落，全方位的调动了土体深部和浅部的承载能力，土体的复合刚度在深度方向也与地基中附加应力的分布情况相匹配(图2)。

3、方便使用，易于组合。将4S1L单元进行简单组合，可以适用于单独基础、条形基础及筏板等基础形式，适用性广。参见图3。

4.短桩(S桩)和天然地基组成复合地基，在复合地基和基底之间，铺设一定厚度的生石灰(0.2～0.3m)及砂石垫层(0.2～0.3m)，用以调节S桩与土之间的荷载分配。生石灰具有吸水膨胀、加速表层软土固结的功能，能够减少总体沉降，使土体承载力得以充分发挥。S桩采用柔性桩(如水泥土桩)时，应小于临界桩长。当桩长较大时，可沿深度采用不同的水泥掺合比，设计成变强度桩，上部大底部小。

5.长桩(L桩)为摩擦型桩时，将其设置为塑性支承桩或卸荷减沉桩，其承载力按极限承载力考虑(一般取0.9P_u)，S桩及桩间土形成的复合地基对最终沉降起控制作用。L桩的长度及截面尺寸是可调的，根据实际需要的卸载大小确定，确定原则是保证筏板各单元差异沉降为零(图2(a))。

6.长桩(L桩)为端承型桩时，为防止桩身材料破坏，可选择减少桩长增加截面的方法将其改为摩擦型桩。也可以将L桩与承台或筏板脱开，设置厚度较薄的褥垫层(可取0.15m)，即成4S1L单元组合型复合地基(图2(b))，此种情况按照多元复合地基方法进行设计，L桩的承载力取特征值0.5Pu，L桩对最终沉降起到控制作用。

7.如果沉降计算结果大于建筑物的容许变形，可通过增加L桩和S桩的桩长来减少沉降，一般增加L桩桩长比增加S桩桩长效果更明显。

8.4S1L单元具有受力明确，荷载呈中心对称分布、在进行强度及变形验算时，只需提取有代表性的加固单元进行计算，大大降低了分析计算的难度。

9.4S1L单元可作为载荷试验的试验单元，其试验成果可直接用于检验设计及施工效果。

10.采用4S1L单元组合型复合桩基技术加固的地基，抗震性能良好，并且能获得3～10倍甚至更高的承载力，并能有效控制沉降及差异沉降，适用于高层及超高层建筑。

11.若取消4S1L单元中的S桩，即成简单复合桩基或刚性桩复合地基；若取消L桩，即成简单复合地基。因此该单元实际上是一种通用型的复合桩基加固单元，其余地基形式皆为其特例。

三、4S1L单元组合型复合桩基经济特征

经过工程算例的设计比较，采用4S1L单元组合型复合桩基的加固费用较常规桩基减少1/2～2/3以上，较目前处于试验研究及推广应用阶段的长短桩(CM)复合地基技术(长短桩按1∶1配置)减少造价15％。

四、4S1L单元复合地基加载的数值模拟分析

利用ANSYS有限元程序对上述4S1L单元进行数值模拟分析可以得出如下结论：

1、在预估L桩承载力时表层5m范围内的桩侧摩阻力不应计入。在4S1L单元中增加L桩的桩长比增加S桩的桩长对沉降的控制作用更明显；

2、褥垫层起到调整桩土荷载分担比例的作用，使用褥垫层技术能更有效地发挥S桩及浅部地层的承载能力；在浅部有好土层时使用褥垫层效果更明显。

3、降低褥垫层的弹性模量和增加褥垫层的厚度能更有效的发挥S桩和桩问土的承载能力，但L桩承载能力的发挥程度有所降低。

因此，将L桩与承台刚接或在其上设置厚度较薄的褥垫层，并对S桩与土形成的复合地基采用褥垫层技术，有助于同时发挥三者的承载能力。

五、4S1L单元组合型复合桩基设计方法

(一)摩擦型长桩模式(L桩与承台刚接)

一般情况下采取该模式进行设计。在每个单元中，L桩被设置为塑性支承桩，起到卸载减荷作用。S桩的目的是加固桩间土并提高浅部地层地基承载力，并对最终沉降起控制作用。L桩的长度及截面尺寸是可调的，根据实际需要的卸载大小确定，确定原则是保证筏板各单元差异沉降为零。当某单元不需要卸载时，该单元L桩即空置。

假定加固单元的边长是b，L桩直径为d_l，S桩直径为d_S。天然地基承载力特征值为f_sk。L桩承载力极限值为P_u，S桩承载力特征值为R_S。具体设计方法如下：

1、强度计算

S桩与土体组成的复合地基承载力f_sm，k满足

$f_{\mathrm{sp},k}=[4{\mathrm{\αR}}_s+\mathrm{\β}(b^2-3.14d_s^2)f_{s,k}]/b^2{\≥\mathrm{\ζN}}_i$

α-S桩承载力发挥度，可取0.9

β-桩间土承载力发挥度，设置生石灰垫层后可取1.0

ζ-要求大于0.5，一般取0.6；N_i-加固单元i受到的基底压力

2)该加固单元内L桩设为塑性支承桩，极限承载力P_ui，该加固单元需要卸载大小为：

2、沉降计算

$\mathrm{\Δp}=0.9p_{\mathrm{ui}}=b^2{N}_i-(b^2-0.785d_l^2)f_{\mathrm{sp},k}$

按上述方法设计的4S1L加固单元承载力要求总体安全度不小于2.0，即

$N_i\≤\frac{1}{2}[p_{\mathrm{ui}}+2.5(b^2-0.785d_l^2)\·f_{\mathrm{sp},k}]$

L桩荷载引起的筏板沉降为

$s_{\mathrm{li}}=3\mathrm{\π}{d}_l^2{s}_0/b^2,$ S₀是L桩达到极限承载力时桩的位移筏板底附加应力引起的沉降为

$s_s=\mathrm{\ψ}{p}_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(z_i{\mathrm{\α}}_i-z_{i-1}{\mathrm{\α}}_{i-1})}{E_{\mathrm{si}}}$

总沉降为：

              s＝s_li+s_s≤[s]

(二)端承型长桩模式(L桩与承台脱开并设置褥垫层)

此模式下，桩端刺入变形很小，为防止L桩桩身出现破坏，需要将L桩与承台或筏板脱开并设置厚度较薄的褥垫层(一般取0.15m)，允许桩头产生一定刺入破坏。

假定加固单元的边长是b，L桩直径为d_l，S桩直径为d_s。天然地基承载力特征值为f_sk。L桩承载力特征值为0.5P_u，S桩承载力特征值为R_s。

4S1L桩复合地基承载力

$f_{\mathrm{sp},k}=[0.5P_{\mathrm{ui}}+4{\mathrm{\βR}}_s+\mathrm{\α}(b^2-0.785d_l^2-3.14d_s^2)f_{\mathrm{sk}}]/b^2$

α、β分别为桩间土及S桩的承载力发挥系数，

α使用生石灰垫层时取1.0，否则取0.5，β可取0.9复合地基最终沉降量

$s_c=\mathrm{\ψ}{p}_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(z_i{\mathrm{\α}}_i-z_{i-1}{\mathrm{\α}}_{i-1})}{E_{\mathrm{si}}}$

E_si在地基处理范围取L、S桩及土的复合当量压缩模量。

六、4S1L单元组合型复合桩基检测方法

L、S桩的完整性采用低应变检测，L、S桩及桩间土的承载力采用静载试验确定。

4S1L加固单元的承载力由载荷试验确定，压板形状取正方形单元尺寸，其承载力特征值取Q～S曲线的比例极限；按沉降比S/b宜取0.005～0.01。

七、后续补救措施

当静载试验结果达不到复合桩基承载力设计要求时，采取以下补救措施：

1.利用石灰桩法进一步加固表层土体：先用人工的方法在地基种成孔，然后灌入生生石灰块，或灌入掺有粉煤灰、炉渣等掺合料的生石灰混和料，并进行夯实形成石灰桩桩体，以进一步提高地基承载力，减小建筑物沉降。此法对软粘土地基效果极佳。

2.压密注浆：在复合地基中插入开孔的钢管，灌入较浓的水泥浆液，此法用于砂性土地基效果较好。

八、工程算例

靖江盛世花园地上16层，地下一层，基坑开挖深度4.0m，地下室底板尺寸约45*20m，建筑荷载标准值约为(17层×16kPa)272kPa。根据勘察报告，各土层物理力学性质指标见下表。

                                   各土层物理力学性质指标

层数	土层名称	平均层厚(m)	含水量(％)	天然重度(kN/m3)	Es0.10.2(MPa)	地基承载力特征值(kPa)	预制桩侧阻力特征值(kPa)	预制桩端阻力特征值(kPa)
									2	淤泥质粉质粘土夹粉土	12.3(底板底面起算)	36.4	18.3	3.0	70	12
3	粉土夹粉砂	1.3	38.5	18.1	5.0	120	20
									4	粉砂夹粉土	9.4	29.4	19.1	14.0	200	48	2300
5	粉质粘土	6.6	25.0	19.8	9.0	170	30
									6	粉土夹粉砂	1.4	32.7	18.8	11.0	140	22
7	粉砂	6.0	33.9	18.6	13.0	180	42	1800
									7-1	粉砂	5.0	34.3	18.6	13.6	240	62	2600
8	粉细砂	未见底	26.9	18.6	14.3	320	55

第一方案：

先考虑采用L桩端承型桩模式，采用砂石垫层及生石灰垫层，厚度各0.3m。

S桩：采用φ500水泥搅拌桩，水泥掺合比15％，桩长8.0m；承载力特征值150kN，结合当地施工经验，取120kN。

L桩：采用φ300薄壁预应力管桩，承载力标准值550kN，桩长20m，选择(4)粉砂夹粉土作为持力层。

复合地基加固单元尺寸为2200mm×2200mm。

加固后复合地基承载力达到280KPa，沉降量为29.3mm＜50mm，强度及变形均满足设计要求。

第二方案

采用L桩与筏板刚接的摩擦型桩模式。

S桩：选择φ800高压旋喷桩，对(2)软土层进行全程处理，桩长12.5m；承载力特征值350kN，水泥掺合比桩上部6.0m为20％，其余10％，在S桩顶设置0.3m厚的砂石垫层，垫层与桩间土间设置0.3m厚生石灰垫层。

L桩：采用φ300薄壁预应力管桩，极限承载力1100kN，选择(4)粉砂夹粉土作为持力层，桩长20m，按塑性支承桩取1000kN设计。

4S1L加固单元尺寸为3000mm×3000mm。

加固后复合地基承载力达到280KPa，沉降量为15.8mm＜50mm，强度及变形均满足设计要求。

第三方案

采用长短桩(CM)复合地基型式，砂石垫层厚0.3m。

短桩：选择φ500水泥搅拌桩，桩长8.0m；承载力特征值120kN。

长桩：采用φ300薄壁预应力管桩，承载力特征值550kN，选择(4)粉砂夹粉土作为持力层，桩长20m。

复合地基加固单元尺寸：2400×2400mm。

加固后复合地基承载力达到280KPa，沉降量为27.4mm＜50mm，强度及变形均满足设计要求。

几个方案的经济比较

方案	设计承载力	沉降(mm)	耗费桩材	加固单元面积(m2)	费用(元)	单价(元/m2)	节省幅度
								1、4S1L复合地基	280kPa	29.3	L：Φ300×20S：Φ500×32	2.2×2.2	15001120	541	68％
2、4SIL复合桩基	280kPa	15.8	L：Φ300×20S：Φ800×50	3.0×3.0	15003250	528	69％
								3、CM复合地基	280kPa	27.4	C：Φ300×40M：Φ500×16	2.4×24	3000560	618	64％
4、灌注桩	1650kN		Φ600×35	5.89	8407	1712*	原方案
								5、管桩	1800kN		Φ500×35	6.43	5775	1078*	难实施

^*原设计实际布桩数量增加20％

经过上述工程算例的设计比较，我们得出如下结论：

1、采用4S1L单元组合型复合桩基的加固费用较常规桩基减少1/2～2/3以上，较目前处于试验推广应用阶段的长短桩(CM)复合地基技术减少造价约1/6左右。说明本技术有着良好的经济效益。

2、在加固单元中，将L桩设置为与承台刚接，与复合地基方案相比，L桩承载能力得以充分发挥，不仅沉降最小，而且费用最低，为最佳方案。

4S1L单元组合型复合桩基特征口诀：

正方单元，一中四角(边)；

长短结合，刚柔相济；

承载力高，沉降量小；

桩间软弱土体，石灰砂石垫层；

长桩塑性支承，短桩加固控沉；

载荷试验检验，安全经济可靠。

附图说明：

图1 4S1L加固单元的二种基本型式

图2 4S1L复合桩基示意图(a)(b)

图3 4S1L单元的几种组合示例

图4 有限元计算模型示意图

图5 第二方案4S1L加固单元平面剖面图

图6 方案1、2、3加固单元平面布置图

具体实施方式：L桩采用管桩或混凝土预制桩，以静压的方式施工；S桩一般采用柔性桩，如水泥搅拌桩、旋喷桩等。先施工L桩，再施工S桩。二种桩型的实施方式采用目前普遍采用的施工工法。

Claims (2)

1、本发明新技术的特征：

A：以1根刚性长桩(L桩)与4根柔性短桩(S桩)形成正方形加固单元，在将单元进行组合形成高强度复合桩基，由于L桩长度及截面是可调的，因此适合各单元荷载分布不均的情况。

B：可以达到任意高的强度以满足高层、超高层建筑需要。

C：适用于各种基础型式(独立基础、条形基础、筏板基础等)及各种软弱地基。

D：用材少，工期短，造价省。与常规桩基相比，工期缩短1/2，造价节省1/2以上，比长短桩(CM)复合地基节省20％。一般来说，天然地基强度越高，节省幅度越大。

2、请求保护范围：

A：加固单元二种桩型的平面及空间组合；

B：生石灰及砂石双褥垫层技术；

C：采用摩擦型长桩及端承型长桩时单元组合型复合桩基设计计算方法；

D：二种桩型在同一场地的组合施工方法。

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