CFG樁復(fù)合地基在高層建筑地基處理中的應(yīng)用

曹陽

摘? ? 要：在城市化進(jìn)程不斷加快的今天，越來越多工程被建在不良地基上，如何合理選擇地基基礎(chǔ)處理方法，不僅和建筑物造價(jià)密切相關(guān)，還會(huì)嚴(yán)重影響到建筑物的使用安全。CFG樁復(fù)合地基是當(dāng)前地基處理應(yīng)用最多的技術(shù)，將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到高層建筑施工中，可有效提升工程質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：CFG樁;高層建筑;地基處理;應(yīng)用

1? 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市中出現(xiàn)了越來越多的高層、超高層建筑物。由于高層建筑自重荷載大，重心高，對(duì)地基強(qiáng)度和變形要求很高，采用傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)造價(jià)過高，且樁間土的承載力得不到充分發(fā)揮，尤其是樁間土承載力較高時(shí)，顯得尤為浪費(fèi)。20世紀(jì)80年代末由中國建筑科學(xué)研究院地基所研制的CFG樁復(fù)合地基技術(shù)加固效果顯著，可以充分發(fā)揮樁間土的承載力，又可顯著降低工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效果明顯。CFG樁具有強(qiáng)度高、剛度大、造價(jià)低、施工周期短等特點(diǎn)，既能提高地基承載力，又能很好地控制地基變形，目前在工程中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2? 某住宅項(xiàng)目地區(qū)工程地質(zhì)特征

本工程地貌上屬于永定河沖洪積扇下部與潮白河沖積扇下部交界附近。擬建工程重要性等級(jí)為一級(jí)，場(chǎng)地復(fù)雜程度為中等，表層局部有堆土，地基復(fù)雜程度為中等，本工程巖土工程勘察等級(jí)為甲級(jí)。工程勘察的地層除表層分布的雜填土，400m深度范圍內(nèi)均為人工填土層、新沉積層和第四季沖洪積層。由巖性、力學(xué)性質(zhì)劃分為五層：第（1）層雜填土：黃雜色、稍濕、松散。最近的回填土固結(jié)度差非均質(zhì)。本層厚度變化為0.30m～100m。第（2）層粘質(zhì)粉土：黃褐色、稍濕、中密，含氧化鐵、云母、少量鈣質(zhì)結(jié)核。結(jié)構(gòu)較差。厚度變化為0.90m～2.00m。第（3）層粘土：褐黃色，局部褐灰色，很濕，可塑，含氧化鐵、少量鈣質(zhì)結(jié)核。結(jié)構(gòu)較差。第（4）層粉質(zhì)粘土：黑灰色、飽和、呈可塑狀態(tài)，無搖振反應(yīng)。稍有光澤，韌性適中。第（5）層中砂：黃雜色，很飽和，中度密集狀態(tài)，散粒結(jié)構(gòu)，亞圓形、磨圓度較好，主要成分為石英、長石、可見卵石，孔隙充填粗砂，細(xì)砂和粉砂薄層，部分可見為透鏡狀，厚度為3.10m～4.70m。本項(xiàng)目對(duì)于沉降值的設(shè)計(jì)要求為不超過40mm，勘察報(bào)告中建議采用復(fù)合地基處理方式，根據(jù)土層地質(zhì)情況確定復(fù)合地基的設(shè)計(jì)與施工參數(shù)。

3? CFG樁復(fù)合地基計(jì)算模型

FLAC3D是三維彈塑性有限元分析軟件，可模擬材料模型的物理力學(xué)相關(guān)研究，有利于對(duì)結(jié)構(gòu)受力特性和彈塑性的分析。能較好地模擬材料模型的破壞、失穩(wěn)以及大變形問題。該軟件可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的需求，將模型計(jì)算區(qū)域劃分為若干六面體單元，且每個(gè)計(jì)算六面體單元都在設(shè)定的邊界條件、線性或非線性本構(gòu)關(guān)系中。利用FLAC3D軟件對(duì)項(xiàng)目施工過程進(jìn)行三維模擬，分析期間彈塑性變化均有較為顯著的優(yōu)勢(shì)。

3.1? 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬中，假定模型中同一種材料為均質(zhì)各向同性，褥墊層、樁間土體為Drycker-Prager理想彈塑性體，承臺(tái)、樁體為均質(zhì)彈性體，在豎向荷載作用下，樁與樁間土之間以及承臺(tái)與褥墊層之間沒有相對(duì)滑移，并且接觸面上的結(jié)點(diǎn)在受力過程中保持接觸狀態(tài)。為使模型處于完全固定狀態(tài)而在模型底部設(shè)置空間三個(gè)正交方向位移均為零，為了限制土體徑向位移，在外圍設(shè)置與水平面對(duì)應(yīng)的兩個(gè)正交方向位移為零，且在外圍四個(gè)面上添加約束。復(fù)合地基計(jì)算模型的水平方向距離最外側(cè)樁體中心600m寬，豎直方向沿樁頂向下15m為模型的計(jì)算區(qū)域。按地基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求輸入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，且對(duì)分析模型施加與實(shí)際情況相似的邊界約束條件，具體設(shè)置如下：

（1）位移邊界條件：復(fù)合地基數(shù)值模型的下底為全約束邊界條件，即X、Y、Z向均不能產(chǎn)生位移。材料模型左右為單方向約束邊界條件，即X向固定，Y向?yàn)樽杂蛇吔纭２牧夏Ｐ晚敳繛樽杂蛇吔鐥l件，X、Y向均固定。

（2）應(yīng)力邊界條件：復(fù)合地基數(shù)值模型，是根據(jù)土體與樁體的力學(xué)特性進(jìn)行模擬。上部基礎(chǔ)、樁體、褥墊層和土體之間均為硬接觸。樁體設(shè)為主面，土體為從面，切向設(shè)為罰函數(shù)。

3.2? 結(jié)果對(duì)比

由于上部荷載大，所以在一定荷載下加固面積非常大，影響的加固區(qū)面積也就很大。樁間土體沉降較大，樁測(cè)土體沉降量為最大值。隨著埋深方向沉降變形逐漸減小，持力層沉降最小。由于樁自重荷載作用，樁間土體應(yīng)力均值為630kPa，最大值在基礎(chǔ)底部，樁體應(yīng)力最大值在樁體下部，達(dá)到-1998kPa。大部分上部荷載均由樁體承擔(dān)，使復(fù)合地基承載力得到提高。應(yīng)控制邊樁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。角樁剪應(yīng)力最大，邊樁相比較小，中間樁最小。水平剪應(yīng)力方向?yàn)橐越菢稙橹行南蛑車馏w擴(kuò)散。由此可見，在實(shí)際施工過程中，角樁易受剪應(yīng)力破壞，即它的抗剪力差。在施加上部荷載初期，土體橫截面積大于樁體，所以承擔(dān)主要荷載。褥墊層使樁體土體與上部結(jié)構(gòu)緊連，共同承擔(dān)荷載。土體和褥墊層被壓實(shí)后，樁體承擔(dān)主要荷載，樁間土主要將上部荷載傳遞給樁體。在不同荷載情況模擬1號(hào)樁的樁與土分擔(dān)荷載情況。隨荷載增加，狀圖分擔(dān)比增大。荷載在80kN以下時(shí)，主要荷載由土體承擔(dān)，80kN時(shí)，荷載由兩者平均承擔(dān)。上部荷載增加，樁土分分擔(dān)比超過中心點(diǎn)時(shí)，主要荷載由樁體承擔(dān)。褥墊層保證兩者共同承擔(dān)荷載，且在土體傳遞荷載的時(shí)候也可幫樁體分擔(dān)部分荷載。在沿樁身深度以上0m～1m處土體從有荷載作用時(shí)就產(chǎn)生了負(fù)摩阻力，且在樁頂出現(xiàn)最大值。沿樁身深1m～10m有正摩阻力，隨深度增加側(cè)摩阻力增大，在樁底附近有最大值。且側(cè)摩阻力大小與荷載大小呈正比。在CFG樁復(fù)合地基中，樁側(cè)正摩阻力可以幫助改善基礎(chǔ)承載力，減少地基變形。正摩阻力可以防止樁間土體沉降，提高地基承載能力。在施加荷載初期，土體承受主要荷載，隨著樁側(cè)摩阻力的產(chǎn)生，主要荷載由樁體承受。側(cè)摩阻力可提高土體承載力。負(fù)摩阻力雖會(huì)使地基沉降增大，但可以提高樁土荷載分擔(dān)比，提高地基承載力。若樁間距過小，既會(huì)浪費(fèi)建材，還會(huì)使土體承載力變差，加大復(fù)合地基沉降變形。所以復(fù)合地基中樁間距不能太小，也不宜過大。荷載越大，樁身彎矩最大值也越大。在沿樁身深度為7m以上時(shí)，彎矩呈正值，7m以下時(shí)，彎矩為負(fù)值。最大值位置基本不變。

4? 結(jié)論

本文通過模擬分析得出CFG 樁復(fù)合地基相比于普通樁基來說，其中產(chǎn)生的樁側(cè)正摩阻力可以改善基礎(chǔ)承載力，減少地基變形。且在設(shè)計(jì)樁時(shí)，應(yīng)該選擇合適的樁長，最優(yōu)的樁徑，減小樁間距，選擇合適的褥墊層模量和厚度以及適宜的樁體模量。

參考文獻(xiàn)：

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