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地基基础设计

瑞金二路街道社区事务服务中心地基处理设计

1.概况

1.1工程概况

拟建的“瑞金二路街道社区事务服务中心”工程位于思南路与皋兰路十字路口东北角，东临居民一栋二层的小洋房、北临科学会堂思南楼，占地面积1625m2。

拟建物总建筑面积2977.79m2，五层框架结构，建筑物上部荷载设计值为113190kN。

地基沉降量要求不大于50mm。

该工程由卢湾区瑞金二路街道办事处投资兴建，上海时代建筑设计有限公司设计。

1.2工程地质情况

该工程场地地质情况自上而下依次为：

①层：

填土，层厚1.5～2.1m，层底标高3.36m～2.19m，上部为地坪（600）、碎石及粘性土组成的杂填土，下部为灰黄粘性土，土质不均。

②层：

褐黄～灰黄粘土，层厚1.3～2.3m，层底标高1.07～0.8m，湿，可塑，中等压缩，含铁锰结核，土质由上至下渐软。

③层：

灰色淤泥质粉质粘土夹砂质粉土，层厚3.441m，层底标高2.6～3.16m，很湿，流塑状，高压缩性；所加砂质粉土呈薄层状，显水平层理，土质软弱。

④层：

灰色淤泥质粘土，层厚6.572m，层底标高-9.34～-10.16m，饱和，流塑状，高压缩性；夹薄层状及团状砂质粉土，土质软弱。

⑤层：

粘土，层厚6.2～7.3m，层底标高-15.84～17.01m，很湿，软塑状，高压缩性，干强度中等，韧性高，土质一般。

土层主要物理力学性质参数表

土层

层号

土层

名称

含水量

重度

kN/m3

比重

孔隙比

液限

塑限

塑性

指数

液性

指数

压缩

系数

a0.1-0.2

MPa

压缩

模量Es0.1-0.2

MPa

粘聚

力

kPa

内

摩

擦

角

地基

土承

载力

标准值

kPa

①

填土

②

粘土

42.1

17.5

2.74

1.19

41.8

23.0

18.8

1.02

0.85

2.58

12.5

③

淤泥

质粉

质粘

土夹

砂质

粉土

37.2

18.2

2.73

1.02

35.7

20.5

15.2

1.10

0.63

3.19

19.5

④

淤泥质粘土

38.1

17.8

2.73

1.08

38.8

21.9

16.9

0.95

0.58

3.59

15.0

⑤

粘土

43.2

17.6

2.74

1.16

42.6

21.9

18.5

1.06

0.90

3.10

15.5

2.工程方案的可行性论证及方案选择

根据拟建工程场地地质条件，初步选择：

钻孔灌注桩、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）和水泥土搅拌法（深层搅拌法）三种方案进行对比论证。

先从技术上的可行性、经济上的合理性和工程的安全可靠性三个方面对初选的方案进行分析比较，通过对比论证，最终选择最为合适的工程方案。

2.1技术上的可行性

从工程的场地地质条件情况可知，该工程场地土层主要为软弱土层，初选的三种方案均可用于处理该类软弱地基土。

从工程施工经验方面看，上海地区土层主要为软土，大部分工程地基基础常采用钻孔灌注桩，但考虑该工程上部结构荷载不是太大，软土层厚度也不是太深，若仅从安全角度考虑的话，使用钻孔灌注桩方案比较适宜，如若从经济角度方面加以考虑的话，从地基土层的主要物理力学性能指标可知，地基土层有一定的承载力，如不考虑地基土桩间土的侧摩阻力，采用钻孔灌注桩方案，势必有点浪费。

CFG桩是在碎石桩基础上加进一些石屑，粉煤灰和少量水泥，加水伴和制成的一种具有一定粘结强度的桩，是近年来新开发的一种地基处理技术。

从CFG桩在已建工程（如：

南京造纸厂、南京浦镇车辆厂）的地基处理效果来看，CFG桩能充分利用桩间土的侧摩阻力，使桩间土和桩共同承担基础上部荷载，形成CFG桩复合地基，工程实例表明，CFG桩复合地基承载力提高幅度大，加固效果显著，地基变形小，沉降稳定快。

水泥土搅拌法是用于加固饱和粘性土地基的一种新方法，在加固软土技术中，水泥土搅拌法有如下一些优点：

（1）水泥土搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度地利用了原土；

（2）搅拌时不会使地基侧出挤出，所以对周围原有建筑物的影响很小；

（3）按照不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方，设计比较灵和；

（4）施工时无振动、无噪音、无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工；

（5）土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降；

（6）与钢筋混凝土桩基相比，节省了大量的钢材，并降低了造价；

（7）根据上部结构的需要，可灵和地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固型式。

国外使用水泥土搅拌法加固的土质有新吹填的超软土、泥炭土和淤泥质土等饱和软土；国内目前采用水泥土搅拌法加固的土质由淤泥、淤泥质土、地基承载力不大于120kPa的粘性土和粉性土等地基。

加固局限于陆上，加固深度可达18m。

但是,从工程施工经验上来看，上海迄今为止所进行的水泥土搅拌桩（喷浆）工程多数是侧向支护工程。

2.2经济上的合理性

（1）若该工程采用钻孔灌注桩方案

桩径Ф600mm，桩长21.5m，桩数147根，单桩承载力设计值770kN，约892m3，工程总造价为1224427元；具体费用计算详见《瑞金二路街道社区事务服务中心钻孔灌注桩施工组织设计与工程预算》。

（2）若该工程采用CFG桩方案

地基承载力设计值：

设基础采用矩形基础，埋深为2.0m，初步设基础面积为30m×50m；则基础底面压力设计值为

式中P—基础底面处的平均压力设计值，kPa；

F—上部结构传至基础顶面的竖向力设计值，kN；

A—基础底面面积，m2；

G—基础自重设计值和基础上土重标准值，一般取

G=r0dA=20dA=20×2.0×1500=60000kN

rO—基地以上基础与基础台阶上回填土平均重度，kN/m3，一般取20kN/m3；

d—基础埋深，取室内外埋深平均值，m；

ƒ—基础承载力设计值，kPa。

则有

取ƒ=120kPa

检验基础面积是否满足设计要求：

由于是采用矩形基础，则A=bl,故有

所以初步设计的基础尺寸满足要求。

单桩设计：

初步设计桩径d=380mm，按正三角形满堂布桩考虑，取桩距L=4d=1140mm，桩长为8.5m，桩尖进入④层灰色淤泥质粘土层，有关桩径d、桩距S、排距h与单桩分担加固面积Ae、置换率m等的换算公式如表6-7所示，

表6-7桩径d、桩距S、排距h与单桩分担加固面积、置换率m等的换算公式

项目

形式

排距系数

单桩分担面积

等效圆板直径

面积置换率

等腰三角形

矩形

h/s

ns2

1.129

0.785d2/ns2

n（ad）2

1.129

0.785/na2

正三角形

0.866

0.866s2

1.051s

0.907d2/s2

0.866（ad）2

1.051ad

0.907/a2

正方形

1.0

1.000s2

1.129s

0.785d2/s2

1.000（ad）2

1.129ad

0.785/a2

注：

此表引自《水泥粉煤灰碎石复合地基》，主编：

徐至钧，机械工业出版社，2004年3月。

排距系数：

n=h/s=0.866；排距：

h=ns=0.866×1.14=0.987m；

面积置换率：

单桩分担面积：

Ae=0.866s2=0.866×1.14=1.125m2

则需桩数

（根）

单桩承载力设计值：

RKd=

复合地基承载力标准值算：

根据《地基与基础工程新技术实用手册》，CFG桩桩间土应力比n一般为10～40，在此取n=20，则根据复合地基承载力公式

RPS=ζ〔1+m（n-1）〕RS

式中RPS—CFG桩复合地基承载力（kPa）；

ζ—桩间土承载力折减系数，一般取0.8；

n—桩土应力比，一般取10～40；

由上述公式可得

RPS=ζ〔1+m（n-1）〕RS

=0.8〔1+0.1008（20-1）〕×60

=139.93kPa＞120kPa

由此可知复合地基承载力满足设计要求值。

工程材料造价预算：

混合料密度取2.20t/m3，水泥采用425号水泥；桩体强度C15，设28天ƒCU=7MPa，灰水比（C∶W）=0.52，粉煤灰∶水泥（C∶F）=0.46，单方用水量W=165kg,先求出配1m3混合料各材料的用量。

水泥采用425号水泥，则RCb=42.5MPa,求水泥用量:

由公式ƒCU=0.366RCb（

）可求出水泥用量，即

7=0.366×42.5（

）

C=85.97（kg）

求粉煤灰用量：

又由公式

可求出粉煤灰用粮，即

F=188.27（kg）

求碎石（G2）和石屑（G1）的用量：

配1m3混合料，M=1000×2.2=2200kg，则

G1＋G2=2200－W－C－F

=2200－165－85.97－188.27

=1760.73（kg）

有关石屑率的取值，原则上混合料坍落度和石屑率需通过配比试验来确定，在此，取混合料坍落度为30mm，石屑率S=30%；

则由公式S=

可求出G1=0.3×1760.73=528.22（kg），

G2=1760.73－528.22=1232.51（kg）

以上是配1m3混合料各材料的需求量，现求该工程1333根CFG桩所需各材料的总量：

混合料总量=

=1284.36m3

查《地基处理与托换技术》P165表3—48石子、石屑的物理性能指标可知，碎石、石屑的松散密度分别为1.39t/m3和1.47t/m3，则

碎石总量=

石屑总量=

水泥总量=85.97×1284.36=110416.43（kg）

粉煤灰总量=188.27×1284.36=241806.46（kg）=241.81（t）

材料费用预算：

查吉林省《建筑工程预算定额》得，碎石：

56.51元/m3；石屑：

58.58元/m3；水泥：

0.35元/kg；粉煤灰：

80元/t；则

碎石费=1138.84m3×56.51元/m3=64355.85元

石屑费=461.51m3×58.58元/m3=27035.26元

水泥费=110416.43kg×0.35元/kg=38645.75元

粉煤灰费=241.81t×80元/t=19344.80元

合计：

149381.66元

工程预算

工程量：

该工程地基加固处理采用CFG桩，总共桩数为1333根，混合料为1284.36m3。

一、直接工程费

（一）材料费

材料费=碎石费+石屑费+水泥费+粉煤灰费=149381.66元

（二）机械费

打桩机费用：

查吉林省《建筑施工预算定额》，吉林科学技术出版社，1993年3月；附录（三）全国统一施工机械台班费用定额吉林省价目表，二、打桩机械，单价：

元/台班；定额编号86，得锤重为7吨以内的台班基价为：

1383.74元/台班。

在此打桩机采用兰州通用机械总厂生产的低噪音履带式DZ120VM2—7000E普通系列振动锤重为6.9吨的振动沉管打桩机。

根据长春市区的施工经验，振动沉管桩机的施工效率一般为19.3～24.1m3/台班；鉴于该工程场地主要为软弱土层，故在此取打桩机效率为24.1m3/台班，则需台班数

台班数=1284.36m3÷24.1m3/台班=53.29台班，取54台班

则

打桩机费=台班基价×台班数=1383.74元/台班×54台班=74721.96元

搅拌机费用：

查吉林省《建筑施工预算定额》，吉林科学技术出版社，1993年3月；附录（三）全国统一施工机械台班费用定额吉林省价目表，六、混凝土及砂浆机械，单价：

元/台班；定额编号235，滚筒式混凝土搅拌机出料容升为600升以内的台班基价为：

50.52元/台班，则

搅拌机费=台班基价×台班数=50.52元/台班×54台班=2728.08元

机械费=打桩机费＋搅拌机费=74721.96＋2728.08=77450.04元

（三）人工费

打桩机人工费：

查吉林省《建筑施工预算定额》，吉林科学技术出版社，1993年3月；附录（三）全国统一施工机械台班费用定额吉林省价目表，二、打桩机械，单价：

元/台班；定额编号86，得锤重为7吨以内的台班基价为：

1383.74元/台班，人工费为27.38元/台班。

则

打桩机人工费=台班基价×台班数=27.38元/台班×54台班=1478.52元

搅拌机人工费：

元/台班；定额编号235，滚筒式混凝土搅拌机出料容升为600升以内的台班基价为：

50.52元/台班，人工费为13.69元/台班。

则

搅拌机人工费=台班基价×台班数=13.69元/台班×54台班=739.26元

人工费=打桩机人工费＋搅拌机人工费=1478.52＋739.26=2217.78元

直接费=

（一）+

（二）+（三）

=149381.66+77450.04+2217.78

=229049.48元

（四）现场经费

现场经费包括现场管理费和临时设施费。

现场经费=直接费×M×费率

注：

M为取费基数的调整系数。

查《吉林省建筑安装工程费用定额》一、编制说明8，取费基数调整调整系数表，得长春的取费基数的调整系数为1.0。

查《施工项目管理》P173取现场经费费率为4.98%，则

现场经费=直接费×M×费率=229049.48×1.0×4.98%=11406.66元

直接工程费=229049.48+11406.66=240456.14元

二、间接费

间接费由企业管理费、财务费组成。

查《施工项目管理》P174得间接费率为3.92%；则

间接费=直接费×M×费率=229049.48×1.0×3.92%=8978.74元

三、上级管理费

长春市从二级以下施工企事业收取直接费的0.75‰，则

上级管理费=直接费×M×0.75‰=229049.48×1.0×0.75‰=171.79元

四、劳动保险费

查《施工项目管理》P175得劳动保险费费率为1.83%，则

劳动保险费=直接费×M×费率=229049.48×1.0×1.83%=4191.61元

五、计划利润

计划利润是指按规定应计入建筑安装工程造价的利润。

计划利润=[直接工程费+间接费（含劳动保险费、上级管理费）]×M×费率

查《施工项目管理》P176得桩基工程的计划利润费率为5.78%，则

计划利润=[240456.14+（8978.74+171.79+4191.61）]×5.78%=14669.54元

六、材料差价

材料差价按规定计算

七、税金

税金包括营业税和构件增值税。

查《施工项目管理》P177得营业税费率和增值税费率按市区取分别为3.41%和6.60%，计取基数为不含税工程造价。

则

营业税=[直接工程费+间接费（含劳动保险费、上级管理费）+计划利润]×M×费率

=[240456.14+（8978.74+171.79+4191.61）+14669.54]×1.0×3.41%

=9156.58元

构件增值税=[240456.14+（8978.74+171.79+4191.61）+14669.54]×1.0×6.60%

=17718.88元

八、其他

此项预算包括预算定额编制管理费和劳动定额测定费。

查《施工项目管理》P177得，按吉林省规定，预算定额编制管理费不分企业级别，一律由施工企业按建安工作量的1‰向建设单位计取。

劳动定额的测定费由施工单位按建安工作量的0.4‰向建设单位计取劳动定额测定费，上缴省建筑工程定额站。

九、合计

总造价=一+二+三+四+五+六+七+八=295343.33元（未加材料差价和其他）

（3）若该工程采用水泥土搅拌桩方案。

水泥土搅拌桩原则上是要通过现场载荷试验来验证方案是否可行。

在此，进行初步设计，按柱状加固地基，承受垂直荷载的搅拌桩一般应使土对桩的支承力与由桩身强度所确定的承载力相近，并使后者略大于前者最为经济。

因此，搅拌桩的单桩设计主要是确定桩长和选择水泥掺入量。

当土质条件、施工因素等限制搅拌加固深度时，现确定桩长L，根据桩长计算单桩承载力Pa和水泥土抗压强度qu，对于深厚层软土地基仅进行局部深度加固时：

Pa=ƒ·Sa·L（7—3—4）

qu=

（7—3—5）

式中ƒ—桩侧土的平均摩阻力标准值,kPa；

Sa—搅拌桩周长，m；

A—桩截面积，m2；

K—水泥土强度安全系数，一般取1.5；

式（7—3－5）中的2是搅拌桩承载力的安全系数。

注：

式（7—3—4）和（7—3—5）引自《地基与基础工程新技术实用手册》，主编：

刘正峰，海潮出版社。

1.单桩设计

桩径为Φ600mm，桩截面积A：

0.283m2，桩周长度Sa=1.884m，桩长采用L=10m，桩侧摩阻力ƒ取12kPa，则单桩容许承载力

Pa=ƒ·Sa·L=12×1.884×10=226.08kN

水泥土抗压强度

qu=

=2396.61kPa

1.1置换率和桩数计算

根据设计要求的地基承载力RSP和按公式（7—3—4）、（7—3—5）求得的单桩承载力，按下式（7—3—8）计算搅拌桩的置换率m和按（7—3—9）式计算总桩数n

（7—3—8）

（7—3—9）

式中RSP—搅拌桩之间图的容许承载力，kPa；

η—桩间土的承载力折减系数；当桩端为软土时，η去0.5～1；当桩端为硬土时，η＜0.5；当不考虑桩间软土作用时，η=0；

F—地基加固的面积，cm2；

A—搅拌桩单桩截面积，cm2。

则根据设计要求得地基承载力为120kPa，η=0，有

（根）

1.2搅拌桩单桩竖向承载力设计计算

单桩竖向承载力标准值原则上应通过现场单桩载荷试验确定，在此按（7—3—40）和（7—3—41）进行计算，取其中较小值。

RKd=η·ƒcu,k·AP（7—3—40）

RKd=qSUP·L＋α·ΑΡ·qP（7—3—41）

式中RKd—单桩竖向承载力标准值，kN；

ƒcu,k—与搅拌桩桩身价故土配比相同的室内加固土试块（边长70.7mm）的立方体的90天龄期的无侧限抗压强度平均值，kPa；

ΑΡ—桩的截面积，cm2；

η—强度折减系数，可取0.35～0.5；

qS—桩间土的平均摩擦力，对淤泥可取5～8kPa；对淤泥质土可取8～12kPa；对粘性土可取12～15kPa；

UP—桩周长，m；

L—桩长，m；

qP—桩端天然地基土的承载力标准值，kPa；

α—桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6。

在此，ƒcu,k先按（7—3—5）算得的值进行RKd计算比较，然后RKd取小值在进行休整，则由式（7—3—40），得

RKd=0.4×2396.61×0.283=271.3kN

由式（7—3—41）得

RKd=12×1.884×10＋0.5×0.283×60=234.57kN

所以，RKd取234.57kN，在对ƒcu,k进行休整，即

234.57=0.4×ƒcu,k×0.283

ƒcu,k=2072.17kPa

1.3搅拌桩复合地基承载力标准值计算

加固后搅拌桩复合地基承载力标准值应通过现场复合地基载荷试验确定，在此按下式计算：

ƒSP，k=

ƒS，k

式中ƒSP，k—复合地基承载力标准值，kPa；

m—面积置换率，

ƒS，k—桩间天然地基承载力标准值，kPa；

ΑΡ—桩的截面积，

β—桩间土承载力折减系数，当桩端为软土时，可取0.5～1.0；当桩端为硬土时，可取0.1～0.4；当不考虑桩间软土作用时，可取零；

由上式可得

ƒSP，k=0.1502×

kPa＞120kPa

由此可知，搅拌桩复合地基承载力标准值满足设计要求。

2.水泥掺入比

在实际工程中，水泥掺入比应该通过室内配比实验资料确定，在此，根据算得的ƒcu,k参照《地基处理与托换技术》P372表5-32水泥土的无侧限抗压强度试验取值。

水泥土的无侧限抗压强度试验

天然土的无侧限抗压强度ƒCUO

（MPa）

水泥掺入比

αW

（%）

水泥土的无侧限抗压强度

ƒCU

（MPa）

龄期

（d）

ƒCU/ƒCUO

0.037

0.266

0.560

1.124

1.520

2.270

7.2

15.1

30.4

41.1

61.3

在此水泥掺入比取αW=14%

水泥掺量α=

（kg/m3）

目前水泥掺量一般采用180～250kg/m3，在此取α=220kg/m3。

3.水泥用量

掺加的水泥重量=水泥掺量α×被加固土的体积

=220×0.283×10×796

=495589.6（kg）

水泥用量造价预算：

查吉林省（建筑工程预算定额）得，水泥单价位为0.35元/kg，则

水泥造价=495589.6×0.35=173456.36（元）

2.3工程的可靠性

经过对上述三种初选方案的技术可行性和经济合理性的论证，认为如果从工程的安全角度考虑的话，无疑钻孔灌注桩时最安全可靠的，但是如果从经济上的合理性考虑的话，钻孔灌注桩相对于CFG桩和水泥土搅拌桩而言，他要用到大量的钢筋，所以工程造价比另外二种方案就较高。

另外，经过对CFG桩和水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力和复合地基承载力的计算均能满足地基承载力设计要求；从经济方面看，CFG桩的造价是最低的，它仅为钻孔灌注桩造价的1/3～1/2，也比水泥土搅拌桩便宜；从施工经验方面看，上海地区大部分工程主要采用钻孔灌注桩，水泥土搅拌桩主要用于侧向支护工程；但是考虑到该工程上部结构荷载不是太大，工期较紧，且CFG桩也能满足地基承载力设计要求，所以，经过对上述三种初选方案的综合对论证，本工程最终采用CFG桩工程方案。

3.工程设计计算

3.1单桩设计

CFG桩复合地基有5个设计参数，分别为桩径、桩距、桩长、桩体强度、褥垫层厚度及材料。

CFG桩复合地基结构如右图所示：

（一）桩径d

一般桩径d设计成350～400mm，在此按初步设计取d=380mm,可用Φ377振动沉管打桩机或其它成桩设备制桩。

（二）桩距S一般桩距S=（3～6）d,桩距的大小取决于设计要求的复合地基承载力、土性与施工机具，在此桩位按正三角形满堂布桩，

如右图所示：

取S=3d=3×380=1140mm。

（三）桩长L

桩长按初步设计取L=8.5m。

（四）桩体强度

原则上桩体配比按桩体强度控制，最低强度按3倍桩顶应力

P确定，亦即ƒ28＞3

P，在此取桩体强度为C20。

（五）褥垫层

CFG桩系高粘结强度桩，褥垫层是CFG桩和桩间土形成复合地基的必要条件，是CFG桩复合地基不可缺少的一部分。

起作用如下：

（1）保证桩与土共同承担荷载；

（2）调整桩与土垂

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