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《復合樁基礎設計規范》簡介
南京工業大學交通運輸工程學院 王旭東
化學工業巖土工程有限公司 高理華 王志良
一、編制背景
隨著我國基本建設的迅猛發展，樁基礎已成為天然地基不能滿足承載力與變形要求時首選的基礎形式，并由基樁承擔上部結構全部荷載。工程設計中一旦采用樁基礎，天然地基的承載能力一般被放棄利用。而采用傳統的樁基礎設計方法，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，導致樁筏基礎設計中筏板過厚、筏板下基樁數量過多，造成較大的浪費。且樁基的大量施工給周邊環境和地下空間開發利用均會造成不利影響。
《復合樁基礎設計規范》的設計思想來自南京工業大學宰金珉教授的“復合樁基工作性狀和設計方法”和“復合樁基按強度和變形雙重控制的非線性設計理論與應用”等研究成果。經過近20年深入系統的基礎性研究和應用性研究，在研究成果的綜合集成以及承載力的潛力利用方面達到國際領先水平，形成了復合樁基礎系統的設計理論和設計方法，出版了《復合樁基理論與應用》專著，為復合樁基礎的推廣應用奠定了理論基礎。其成果在創新性、系統性、深入程度以及可推廣性等方面總體上達到國際先進水平，2005年列為江蘇省建設科技成果推廣項目，并分別獲得江蘇省科技進步二等獎和華夏建設科技獎二等獎。
根據《工業和信息化部辦公廳關于印發2015年第三批行業標準制修訂計劃》(工信廳科[2015]115號)的精神，由中國石油和化工勘察設計協會委托中國石油和化工勘察設計協會工程勘察與巖土分會組織南京工業大學和化學工業巖土工程有限公司共同主編完成了《復合樁基礎設計規范》的編制工作，現已發布。本規范為復合樁基礎設計提供了科學依據，也是對《建筑樁基技術規范》(JGJ94)中復合樁基內容的拓展和補充。
二、設計思想
復合樁基礎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，是介于天然地基和純樁基之間的一種過渡型基礎形式，以樁土非線性共同作用理論為基礎，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，在保證復合樁基整體穩定性的基礎上，實現對其沉降的控制。
復合樁基礎設計方法突破了單樁分擔荷載不大于Ra的傳統限制，采用適當少量的樁，保證單樁分擔荷載接近或達到Quk，而將剩余荷載明確交由樁間土承擔，并對整體承載力極限狀態(強度要求)和正常使用極限狀態(變形要求)進行雙重控制的新的設計方法。同時通過基底反力的合理分布，到達減少差異沉降和筏板基礎內力的目的。比之純樁基，采用復合樁基礎理論設計的樁筏基礎，樁基數量顯著減少，較之樁基礎設計有顯著的社會經濟效益。
復合樁基礎設計基于樁筏基礎的非線性共同作用工作性狀，以同時滿足復合樁基礎整體安全度不小于2和復合樁基沉降量計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計要求。復合樁基礎中天然地基應具有承擔不小于50%的上部結構標準組合荷載效應的能力，以確保能形成有效的樁土共同作用狀態，同時確保復合樁基礎易滿足整體安全度的要求。由于復合樁基礎中單樁工作于極限承載狀態，始終承擔著等于極限承載力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，從而明確了樁、土之間的荷載分配，解決了樁筏基礎設計中最難預知的樁土荷載分配問題，為基底反力的合理調控提供了手段，為提出考慮樁土共同作用的復合樁基礎設計方法奠定了基礎。
三、主要內容
《復合樁基礎設計規范》總結了復合樁基礎的科研成果和實踐經驗，在開展了專題研究，進行了廣泛調查分析基礎上，廣泛征求意見，參考有關國際標準和國外先進標準編制完成?！稄秃蠘痘A設計規范》貫徹了國家的技術經濟政策，充分體現了安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量、保護環境的設計理念。
《復合樁基礎設計規范》共包括總則、術語和符號、基本規定、復合樁基礎設計、檢驗與監測等五部分組成。
為了描述復合樁基礎的工作特性，提出了復合樁基礎、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、樁的承載能力不發生削弱現象)、樁間距(不宜小于5d)、場地土特性(特殊土)性質等方面，結合場地工程地質與水文地質、上部結構類型、荷載特征、施工技術與周邊環境等因素，明確了復合樁基礎的適用條件。
針對復合樁基礎整體安全度和沉降兩大核心設計內容，以及復合樁基礎整體安全度不小于2和沉降量計算值不大于建筑物的地基變形允許值的雙重控制要求。從復合樁基中樁、土共同分擔荷載，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，提出復合樁基礎整體安全度K計算方法。以復合樁基中樁、土最終荷載分配為基礎，提出了地基土采用分層總和法、樁基依據單樁Q-s曲線的復合樁基礎沉降計算方法。
《復合樁基礎設計規范》詳細給出了復合樁基礎承載力計算、樁基計算、沉降計算、整體安全度復核的方法，提出了控制復合樁基礎沉降、減小不均勻沉降的合理布樁和調整基底反力的原則，并針對復合樁基礎的工作特點，提出了相應的檢驗和監測要求，為復合樁基礎的工程實踐奠定了基礎。
四、設計案例
南京工業大學(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，基礎面積1655m2；基底平均壓力p=115.3kPa，基礎埋深2.8m。
場地土層分布較均勻，主要為近期沖積形成的粉砂、粉土和粉質粘土等深厚軟土層，埋深達46m左右，其下是強風化與中等風化砂巖，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(預計約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、場地地質和設計要求，其基礎型式一般都選用樁基礎，由于傳統樁基礎僅考慮樁承擔上部結構荷載，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合樁基礎，在充分利用樁的承載力前提下，合理利用地基土的承載力，從而提高工程的經濟效益。
為保證樁的質量，工程采用靜壓預制混凝土方樁，樁身截面分別為450mm×450mm、350mm×350mm和300mm×300mm，相應的樁長為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，沿軸線加設倒梯形基礎梁，梁高1200~1500mm。
經設計計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,滿足復合樁基整體安全度不小于2的設計要求。其中地基土承擔荷載38%，基底平均壓力為43.3kPa，樁分擔荷載為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，筏板鋼筋應力最大值約為30MPa，不到其強度的10%，建筑物平均沉降約17.6mm，整體繞曲差異沉降(2~5)mm?，F場監測表明，復合樁基礎設計的關鍵是合理確定樁的荷載分擔量和調整布樁方式，通過合理調節地基土和樁頂支承剛度的大小和分布，調整基底反力的分布，在減小筏板沉降量的同時，使其差異沉降減少，達到減小筏板內力的目的。采用復合樁基礎較常規樁基工程節省工程造價63%。
圖1 采用復合樁基礎的南京工業大學圖書館
圖2 復合樁基礎施工現場
五、結束語
《復合樁基礎設計規范》中華人民共和國工業和信息化部發布，編號HG/T 20709-2017，由科學技術文獻出版社出版發行，并自2018年1月1日起實施。
《復合樁基礎設計規范》的實施，為復合樁基礎的工程設計提供了設計依據，作為一種樁筏基礎設計的新方法，復合樁基礎設計時應綜合分析各種因素，結合當地工程地質條件及設計經驗，合理選擇施工質量可靠樁型，要重視工程經驗的積累，不斷提高復合樁基礎設計水平，推動基礎工程非線性設計理論的工程應用。 |
