控沉疏桩基础的设计探讨和工程应用

[提要] 对控沉疏桩的工作机理和设计方法进行了分析。并介绍了一个利用控沉疏桩处理软土地基的工程实例。实践证明在相似工程中采用控沉疏桩可以很好地满足承载力及变形要求，具有良好的技术，经济效益。

[关键词]  控沉疏桩软土荷载分担

一、控沉疏桩基础的设计原理

1. 疏桩基础的机理分析

疏桩基础就是承台下以疏散法布桩的桩基础，这里的“疏散”是相对于现行规范规定的一般布桩桩距而言的，一般指桩的中心距L≥6d的桩基础。桩的布设完成后，施工承台(条基，筏基，箱基等)及上部结构，从承台上荷载出现起，由于应力有首先向刚度大的地方转移的趋势，荷载首先由桩承担，即桩在承台上荷载出现的同时进入工作状态，此时承台下地基土随之发挥承载作用，这时桩和地基土都已进入工作状态，共同承担上部荷载。此后的发展是：桩及地基土的变形量不断随荷载的增加而增大。由于在通常情况下桩侧摩阻力的极限值出现在桩-土相对位移为10~15mm时，故一般认为：桩在荷载作用下将比土首先进入极限状态。此时荷载再增加时，桩的沉降亦随之增大，但承载力能力不再增大。新增荷载将全部由地基土承担。如果荷载再继续增大，地基土亦进入承载能力极限状态直至破坏。

2. 适用条件

(1)承台下地基土具有一定的承载能力。

(2)承台下地基土已完成自重固结，而不能是未充分密的杂填土，未完成自重固结的素填，吹填土及欠固结土。

(3)桩端持力层为一般土层，桩端不能支承在坚硬持力层上，如密实的砂，卵砾石层，岩石等。

3. 设计方法

(1)求疏桩引起的应力

上海民用院采用的控沉疏桩设计方法是基于弹性理论的Mindlin公式，即当半空间体内部有一集中荷载时求土中应力的解。桩上作用一竖向荷载Q时，可将其作用分为三部分(如图1)。

即桩尖荷载Q1，均匀分布的摩阻力Q2及三角形分布的摩阻力Q3。按习惯方法或实测资料分配桩尖与桩侧摩阻力分担桩顶总荷载的份额后，就可用Geddes的的跌加，求出该桩在土中引起的竖向应力。将所有桩在某点引起的应力迭加后就得到桩群在土中产生的应力。

(2)求桩基沉降的方法

这里区分以下两种情况：①当承台底面的总荷载小于各单桩极限承载力之和时，认为全部荷载由桩承担，忽略承台的分担作用。②当基底总荷载大于各单桩极限承载力之和时，承台承担的荷载为     Pc=N-nPu   

式中：Pc为承台承担的荷载(KN)；N为承台底处总竖向荷载(KN)；N为桩数；Pu为单桩极限荷载(KN).

承台底面附加应力和桩身产生的两部分土中应力都产生沉降。因此应将这两部分应力迭加后，再按分层总和法求沉降。

式中：§为沉降修正系数，主要与桩分担荷载比例及桩距有关。

§＝1+(1.5~2.0)β

β为桩分担荷载的比例数，一般取0.2；式中其它各符号意义同规范GBJ7-89(GB5007-2002)

二、利用控沉疏桩基础的工程实例

上海武警总队教导大队营房项目为软土地基土上的6层住宅，建筑面积3200m2，各土层的土性指标见表1。

设计采用200x200的方预制桩， C30，桩长16m，桩顶标高为-2.400，桩尖支承在灰粘土上，单桩极限承载力为300KN，桩身强度决定的单桩承载力为250~300KN。

承台埋深2.4m，按地基土的临塑荷载确定承载面积为261m2。经不同方案的计算，得出如图3所示的桩数与沉降关系曲线。该工程容许沉降小于20cm。最后确定桩基沉降为18cm。由图3查得对应桩数为106根。经验算基础的总安全度为2.25。

实测沉降量：竣工时沉降8cm，竣工一年后沉降为11.4cm，由实测沉降曲线推算最终沉降15cm(平均值)与计算值相差不多。

经济指标的比较，较常规方法费用低25%。见表2.

实践证明，在相似工程中，采用控沉疏桩可充分发挥土与桩的承载力潜力，较好的满足承载力和变形要求，较一般的桩基节省下大半的桩数，具有良好的技术，经济效益。但其理论研究还不充分，桩与土承担的荷载应根据场地情况确定，不宜有固定的分担比。从目前看，应用仅限于软土地区多层住宅及工业厂房基础中，其他地区应用应慎重。