《復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》簡介

南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院  王旭東
化學(xué)工業(yè)巖土工程有限公司  高理華  王志良

一、編制背景
隨著我國基本建設(shè)的迅猛發(fā)展，樁基礎(chǔ)已成為天然地基不能滿足承載力與變形要求時(shí)首選的基礎(chǔ)形式，并由基樁承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)全部荷載。工程設(shè)計(jì)中一旦采用樁基礎(chǔ)，天然地基的承載能力一般被放棄利用。而采用傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，基樁的最大工作荷載僅為其極限承載力的一半。此外，由于基樁支承剛度較大、沉降小，致使承臺下地基土承載能力沒有的到合理利用，導(dǎo)致樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中筏板過厚、筏板下基樁數(shù)量過多，造成較大的浪費(fèi)。且樁基的大量施工給周邊環(huán)境和地下空間開發(fā)利用均會(huì)造成不利影響。
　　《復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)思想來自南京工業(yè)大學(xué)宰金珉教授的“復(fù)合樁基工作性狀和設(shè)計(jì)方法”和“復(fù)合樁基按強(qiáng)度和變形雙重控制的非線性設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用”等研究成果。經(jīng)過近20年深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究和應(yīng)用性研究，在研究成果的綜合集成以及承載力的潛力利用方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平，形成了復(fù)合樁基礎(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，出版了《復(fù)合樁基理論與應(yīng)用》專著，為復(fù)合樁基礎(chǔ)的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。其成果在創(chuàng)新性、系統(tǒng)性、深入程度以及可推廣性等方面總體上達(dá)到國際先進(jìn)水平，2005年列為江蘇省建設(shè)科技成果推廣項(xiàng)目，并分別獲得江蘇省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和華夏建設(shè)科技獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
　　根據(jù)《工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于印發(fā)2015年第三批行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃》(工信廳科[2015]115號)的精神，由中國石油和化工勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)委托中國石油和化工勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)工程勘察與巖土分會(huì)組織南京工業(yè)大學(xué)和化學(xué)工業(yè)巖土工程有限公司共同主編完成了《復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的編制工作，現(xiàn)已發(fā)布。本規(guī)范為復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，也是對《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94)中復(fù)合樁基內(nèi)容的拓展和補(bǔ)充。
二、設(shè)計(jì)思想
　　復(fù)合樁基礎(chǔ)是由大樁距稀疏布置的摩擦型群樁與筏板組成的樁筏基礎(chǔ)，是介于天然地基和純樁基之間的一種過渡型基礎(chǔ)形式，以樁土非線性共同作用理論為基礎(chǔ)，其核心思想是充分利用樁的承載能力、合理利用地基土承載能力，在保證復(fù)合樁基整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對其沉降的控制。
　　復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法突破了單樁分擔(dān)荷載不大于Ra的傳統(tǒng)限制，采用適當(dāng)少量的樁，保證單樁分擔(dān)荷載接近或達(dá)到Quk，而將剩余荷載明確交由樁間土承擔(dān)，并對整體承載力極限狀態(tài)(強(qiáng)度要求)和正常使用極限狀態(tài)(變形要求)進(jìn)行雙重控制的新的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)通過基底反力的合理分布，到達(dá)減少差異沉降和筏板基礎(chǔ)內(nèi)力的目的。比之純樁基，采用復(fù)合樁基礎(chǔ)理論設(shè)計(jì)的樁筏基礎(chǔ)，樁基數(shù)量顯著減少，較之樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
　　復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基于樁筏基礎(chǔ)的非線性共同作用工作性狀，以同時(shí)滿足復(fù)合樁基礎(chǔ)整體安全度不小于2和復(fù)合樁基沉降量計(jì)算值不大于建筑物的地基變形允許值的雙重控制為基本設(shè)計(jì)要求。復(fù)合樁基礎(chǔ)中天然地基應(yīng)具有承擔(dān)不小于50%的上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)組合荷載效應(yīng)的能力，以確保能形成有效的樁土共同作用狀態(tài)，同時(shí)確保復(fù)合樁基礎(chǔ)易滿足整體安全度的要求。由于復(fù)合樁基礎(chǔ)中單樁工作于極限承載狀態(tài)，始終承擔(dān)著等于極限承載力Quk的固定荷載，不再參與新的荷載分配，剩余荷載由筏板下地基土承擔(dān)，從而明確了樁、土之間的荷載分配，解決了樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中最難預(yù)知的樁土荷載分配問題，為基底反力的合理調(diào)控提供了手段，為提出考慮樁土共同作用的復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法奠定了基礎(chǔ)。
三、主要內(nèi)容
　　《復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》總結(jié)了復(fù)合樁基礎(chǔ)的科研成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在開展了專題研究，進(jìn)行了廣泛調(diào)查分析基礎(chǔ)上，廣泛征求意見，參考有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)編制完成。《復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》貫徹了國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，充分體現(xiàn)了安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境的設(shè)計(jì)理念。
　　《復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》共包括總則、術(shù)語和符號、基本規(guī)定、復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)與監(jiān)測等五部分組成。
　　為了描述復(fù)合樁基礎(chǔ)的工作特性，提出了復(fù)合樁基礎(chǔ)、地基承載力滿足率ψ、地基承載力利用率ξs 、單樁極限承載力利用率ξp 等術(shù)語和符號。從天然地基承載力滿足率(不小于0.5)、樁型(摩擦型樁、樁的承載能力不發(fā)生削弱現(xiàn)象)、樁間距(不宜小于5d)、場地土特性(特殊土)性質(zhì)等方面，結(jié)合場地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)類型、荷載特征、施工技術(shù)與周邊環(huán)境等因素，明確了復(fù)合樁基礎(chǔ)的適用條件。
　　針對復(fù)合樁基礎(chǔ)整體安全度和沉降兩大核心設(shè)計(jì)內(nèi)容，以及復(fù)合樁基礎(chǔ)整體安全度不小于2和沉降量計(jì)算值不大于建筑物的地基變形允許值的雙重控制要求。從復(fù)合樁基中樁、土共同分擔(dān)荷載，充分利用了樁的承載能力和合理利用地基土承載能力的角度，提出復(fù)合樁基礎(chǔ)整體安全度K計(jì)算方法。以復(fù)合樁基中樁、土最終荷載分配為基礎(chǔ)，提出了地基土采用分層總和法、樁基依據(jù)單樁Q-s曲線的復(fù)合樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算方法。
   《復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》詳細(xì)給出了復(fù)合樁基礎(chǔ)承載力計(jì)算、樁基計(jì)算、沉降計(jì)算、整體安全度復(fù)核的方法，提出了控制復(fù)合樁基礎(chǔ)沉降、減小不均勻沉降的合理布樁和調(diào)整基底反力的原則，并針對復(fù)合樁基礎(chǔ)的工作特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的檢驗(yàn)和監(jiān)測要求，為復(fù)合樁基礎(chǔ)的工程實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。
四、設(shè)計(jì)案例
　　南京工業(yè)大學(xué)(虹橋)圖書館工程地上9層，地下一層，總建筑面積12000m2，總荷載190780kN，基底為48m×34m的近似矩形，基礎(chǔ)面積1655m2；基底平均壓力p=115.3kPa，基礎(chǔ)埋深2.8m。
　　場地土層分布較均勻，主要為近期沖積形成的粉砂、粉土和粉質(zhì)粘土等深厚軟土層，埋深達(dá)46m左右，其下是強(qiáng)風(fēng)化與中等風(fēng)化砂巖，地下水為潛水，埋深1m。地表下2m為②-1粉砂層，地基承載力特征值fak=140kPa，滿足地基承載力要求。但由于軟土層較厚，天然地基沉降大(預(yù)計(jì)約30cm)，不能滿足建筑物地基變形沉降要求。鑒于建筑物的荷載大小、場地地質(zhì)和設(shè)計(jì)要求，其基礎(chǔ)型式一般都選用樁基礎(chǔ)，由于傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)僅考慮樁承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載，基底地基土的承載能力沒有的到合理利用。鑒于上述條件，圖書館工程擬采用復(fù)合樁基礎(chǔ)，在充分利用樁的承載力前提下，合理利用地基土的承載力，從而提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。
　　為保證樁的質(zhì)量，工程采用靜壓預(yù)制混凝土方樁，樁身截面分別為450mm×450mm、350mm×350mm和300mm×300mm，相應(yīng)的樁長為21m和18m、15.5m、8.5m，以提供不同的極限承載力，并可組合形成7種樁型，以可滿足柱下從3400kN到500kN的不同承載要求，筏板厚度為400mm，沿軸線加設(shè)倒梯形基礎(chǔ)梁，梁高1200~1500mm。
　　經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算天然地基承載力滿足率?≥0.5，地基承載力利用率ξs=50/140=0.357，單樁極限承載力利用率ξp取1.0，則整體安全度,滿足復(fù)合樁基整體安全度不小于2的設(shè)計(jì)要求。其中地基土承擔(dān)荷載38%，基底平均壓力為43.3kPa，樁分擔(dān)荷載為62%。筏板基底壓力沿縱、橫向的分布形式均為邊、角部略大，中間較小的拋物線分布，有利于減少差異沉降。
　　工程完工后兩年測得筏板基底平均壓力約30kPa，筏板鋼筋應(yīng)力最大值約為30MPa，不到其強(qiáng)度的10%，建筑物平均沉降約17.6mm，整體繞曲差異沉降(2~5)mm。現(xiàn)場監(jiān)測表明，復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理確定樁的荷載分擔(dān)量和調(diào)整布樁方式，通過合理調(diào)節(jié)地基土和樁頂支承剛度的大小和分布，調(diào)整基底反力的分布，在減小筏板沉降量的同時(shí)，使其差異沉降減少，達(dá)到減小筏板內(nèi)力的目的。采用復(fù)合樁基礎(chǔ)較常規(guī)樁基工程節(jié)省工程造價(jià)63%。

  
圖1 采用復(fù)合樁基礎(chǔ)的南京工業(yè)大學(xué)圖書館 

 圖2 復(fù)合樁基礎(chǔ)施工現(xiàn)場

五、結(jié)束語
　　《復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布，編號HG/T 20709-2017，由科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社出版發(fā)行，并自2018年1月1日起實(shí)施。
　　《復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的實(shí)施，為復(fù)合樁基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，作為一種樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的新方法，復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合分析各種因素，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)條件及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，合理選擇施工質(zhì)量可靠樁型，要重視工程經(jīng)驗(yàn)的積累，不斷提高復(fù)合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)水平，推動(dòng)基礎(chǔ)工程非線性設(shè)計(jì)理論的工程應(yīng)用。