刚性复合地基在复杂地质条件的高层建筑结构设计中的应用

刚性复合地基在复杂地质条件的高层建筑结构设计中的应用

戚海波

广东城建达设计院有限公司

摘要：在当今建筑工程技术快速发展的新形势下，为了满足各种工程实际状况的需求或者降低工程的成本，刚性复合地基已经受到建筑行业人士的广泛关注，有关的理论分析及试验研究也越来越多。文章结合工程实例，对刚性复合地基的优势及其工程特征进行了阐述，并对刚性复合地基在复杂地形条件的高层建筑结构设计中的应用进行了分析，可供参考。

关键词：刚性复合地基；复杂地质条件；应用

目前，随着城市建设的不断推进，复杂地质条件在工程建设中出现的概率越来越高。刚性复合地基具有其独特性，较之桩基，更容易满足规范的验收需求，因此，在某些地质条件复杂的区域，在高层建筑结构的设计中越来越多的应用到了刚性复合地基。

一、工程概述

某综合楼地上有22层（其中有5层是裙房），地下有2层，总共有79.6m高，主体结构选用的是框架-剪力墙体系。基坑深度8-9m。此综合楼基底的下土及岩特性如下：①主楼西面的基底下是具有较低压缩性及较高强度的五层粉质黏土层，其状态为可塑-硬塑，拥有高达240kPa的承载力特征值。②岩层强度存在比较大的离散性：基底第七层的中风化凝灰岩的岩体拥有1.42-9.99MPa的单轴抗压强度；而基底第七层的强风化凝灰岩的岩体只有0.76-9.99MPa的单轴抗压强度。③基岩是凝灰岩。岩层分布非常不匀称：基底第六层是强风化凝灰岩层，其厚度分布非常不均匀；基底第七层是中风化凝灰岩层。④岩层层面存在比较大的起伏，有些地方属于陡降段。

二、刚性复合地基及其工程特征

刚性复合地基是一种可以将桩及地基的承载能力充分地展现出来，使桩土共同作用的人工地基。其主要是将一定比例的增强体（即桩）安置于天然地基之中，再利用一定厚度的散体垫层（即褥垫层）来连接基础[1]。复合地基的关键技术就是褥垫层技术。倘若没有设置褥垫层，那么基础就会直接接触到桩及桩间土。褥垫层承担荷载的性能类似于桩基，主要由桩来承担荷载，随着基础的不断沉降变形及荷载的递增，桩间土的承载能力才会渐渐地体现出来，然而其只能体现出较小比例的承载能力。复合地基因为设置了褥垫层，通过褥垫层，基础荷载便由桩及桩间土来承担。桩的模量比土的模量要大得多，所以桩顶的沉降要比桩间土的沉降变形小得多。由于桩顶的垫层材料不断地补充着桩间土，导致桩顶向上插入褥垫层中。

刚性桩复合地基中桩、土承担荷载的比例随荷载水平改变的趋势与桩基相反[2]。荷载水平较高时，桩承担的荷载要比桩间土承担的荷载大，随着荷载水平的减小，桩承担的荷载比例渐渐减小，而桩间土承担的荷载的比例则渐渐增大。而褥垫层的厚度也会对桩及桩间土荷载承担的比例造成一定的影响。当没有褥垫层时，主要由桩来分担荷载。而随着褥垫层厚度的不断递增，桩间土承担荷载的比例就会渐渐增加，而桩承担荷载的比例就会渐渐减小。当褥垫层达到一定的厚度，桩土应力比趋近于1时，则主要由桩间土来分担荷载，复合地基中桩的设立就毫无意义了。通常比较合理的是将复合地基中褥垫层的厚度控制在100-300mm之间。而当荷载水平一定、其它条件一致时，桩及桩间土承担的荷载的比例则会因桩间土强度、桩距及桩长等的差异而出现改变。桩间土强度越高、桩距越大，桩越短，桩间土承担荷载的比例就越大，相反，则桩承担荷载的比例就越大[3]。

三、刚性复合地基应用准备工作分析

刚性复合地基在复杂地形条件高层建筑结构设计中的应用，需要做好充分的准备工作，这样才能将刚性复合地基具有的优势充分展现出来。工程概述中所提到的工程建设区域地质条件资料，只是刚性复合地基应用准备工作中的一小部分。钻孔灌注桩施工与预制桩施工在我国工程项目建设复杂地基处理中有着较为广泛应用，本文举例高层建筑结构设计人员选用刚性复合地基方案，主要是因为这种地基施工方案的经济性、安全性较为良好。所以，在刚性复合地基应用前，需要对影响刚性复合地基应用成效的不良因素进行科学分析，并考虑当前工程项目建设中，刚性桩是否需要进行配筋处理，以及刚性复合地基建设的经济投入。对以往刚性桩复合地基高层建筑工程结构设计案例及建设施工成效进行分析，对常规性问题进行避免，从而将刚性复合地基具有优势展现出来，保证高层建筑结构设计的最优化。

四、刚性复合地基在复杂地形条件的高层建筑结构设计中的具体应用

（一）承载力和变形估算

通过调整和试算，刚性复合地基的布置预案及设计参数主要如下：有效桩长为10.5-12.5m，桩径为500mm，桩身混凝土强度等级为C20，将基底第五层的粉质黏土当作桩端持力层，主楼的典型桩距是1.48m×1.55m，而裙楼的典型桩距是2.0×1.8m。再将厚度为200mm的砂石褥垫层设置于桩顶。根据相关公式计算出复合地基的承载力特征值。依据上部荷载及估算结果得知，主楼的复合地基的承载力特征值必须不小于375kPa，而裙楼的复合地基的承载力特征值必须不小于200kPa。

根据规范模量比法计算得出，复合地基加固区复合模量是19.48MPa，根据分层总和法计算得出，最终沉降量是21.9-31.5mm，平均沉降是29.2mm。

为了迎合局部抗浮需求，钢筋混凝土抗浮锚桩被设置于地下室东、南、北面周围的扩出部位，同时其也被用于抗压。桩长9-10m，桩径为600mm，将基底第五层粉质黏土层当作桩端持力层，桩顶连接着承台。

（二）刚性复合地基应用注意事项

1、避免对高层建筑结构稳定性造成影响

刚性复合地基上部建筑结构整体稳定性与桩基相比存在一定差距时，需要考虑强化基础埋深。需要考虑高层建筑裙房与主楼基础地面埋深差异。为了提升建筑整体结构的稳定性，要促使裙房基础整体与主楼基础进行有效连接。本文举例高层建筑工程地下室设计为两层，建筑裙房筏板与第二层地下室外墙连接处需要进行加腋处理，与筏板连接的地下室顶板和外墙刚度也需要进一步强化。这一内容是非常重要的，同时，也是经常被高层建筑结构设计人员所忽略的。刚性复合地基在高层建筑结构设计中应用的主要目的，就是保证高层建筑结构的稳定性、安全性，保证高层建筑结构设计的优质化。但是不能“本末倒置”，在高层建筑结构设计中不能盲目性引入刚性复合地基处理方案，避免对建筑结构稳定性造成损害。

2、对主楼与裙房沉降差进行控制

如果主楼与裙房沉降程度存在较大差异，必定会导致主楼与裙房结构连接断裂，高层建筑结构整体性受到损害。高层建筑主楼虽然应用刚性复合地基进行了加固处理，高层结构设计人员依据当前工程项目建设实际情况，通过相应方式计算得知主楼沉降量在45mm左右，但是依据以往设计经验，预测主楼实际沉降会在30mm左右。裙房因埋深强度较为良好，所以，结构产生的沉降量可以忽略不计。为了避免主楼与裙房沉降差对结构整体性造成损害，结构设计人员需要考虑进行后浇带设置，在主楼结构沉降完成后，促使主楼结构与裙房结构具备良好整体性。

五、结语

总而言之，对于复杂地质条件下高层建筑结构设计而言，刚性复合地基是最佳的选择。但是刚性复合地基在高层建筑结构设计中的应用还存在着一些不足之处，相关人员需要不断加强研究力度，深入了解刚性复合地基应用需要注意的众多事项，保证高层结构设计的优质性。对刚性复合地基在复杂地质条件下高层建筑结构设计中的应用进行研究，这是时代发展的必然需求，必须要引起重视。

参考文献：

[1]赵明华，彭理，龙军.刚性桩复合地基桩土应力比计算[J].湖南大学学报（自然科学版）.2014年09期

[2]常雷.刚性复合地基桩在软基处理中的研究及工程应用[J].广东公路交通.2013年06期

[3]吕恒柱.刚性桩复合地基设计要点[J].四川建筑.2015年06期