CFG樁復(fù)合地基在高層建筑地基處理中的應(yīng)用

劉君，侯學(xué)周

（中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

近些年，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市化進(jìn)程的快速發(fā)展（尹麗軍等，2021）。城市中出現(xiàn)了較多大型、高層地標(biāo)性建筑。許多高層建筑受城市用地的限制不得不建造在承載力低、土質(zhì)較差的軟弱土層中，因此城市高層建筑的地基往往需要進(jìn)行處理（馬震等，2019；林良俊等，2020；閻浩等，2020）。CFG樁復(fù)合地基技術(shù)開(kāi)始受到重視。CFG樁復(fù)合地基技術(shù)是由中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基研究所20世紀(jì)80年代末研制成的新型天然地基加固手段（莫學(xué)芬等，2020）。其于1994年被列為建設(shè)部的全國(guó)重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，1997年被列為國(guó)家級(jí)工法，并制定了中國(guó)建筑科學(xué)研究院企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為使CFG樁的施工技術(shù)得以改善，1997年由國(guó)家投資立項(xiàng)研制開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)施工工藝（辛軍霞等，2016；林智勇，2021），并被列入“九五”全國(guó)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。CFG樁復(fù)合地基技術(shù)憑借適用范圍廣、造價(jià)低及可大幅度提高地基承載力等優(yōu)點(diǎn)在眾多的地理處理方法中被廣泛應(yīng)用（羅友弟，2019；牟洋洋等，2019）。本文結(jié)合某高層建筑工程實(shí)例，利用CFG復(fù)合地基處理該高層建筑的地基，有助于解決高層地基的加固功能，CFG 樁可以有效提高高層建筑地基的承載能力，減小了地基沉降（付士峰和戎賢，2019），并且對(duì)土體有一定擠密作用，在消除濕陷性上起到良好的效果，本文的研究方法可類(lèi)似項(xiàng)目提供借鑒意義。

1 工程概況

某四星級(jí)酒店主樓高度為106 m，共計(jì)26層，其中地下2層、地上24層，主體建筑為剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)。建筑底面尺寸為45 m×20 m，基礎(chǔ)埋深為140 m，基底壓力為480 kPa。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告可知，其地層分布及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層分布及物理力學(xué)參數(shù)

其中結(jié)構(gòu)持力層7層和8層的承載力分別為210 kPa、160 kPa。對(duì)其地基持力層進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算可知，其基底壓力大于承載力修正值（JGJ 106-2014，中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2014），天然地基無(wú)法滿足建筑穩(wěn)定性要求，需對(duì)其進(jìn)行處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)方案和現(xiàn)場(chǎng)施工組織設(shè)計(jì)，充分考慮環(huán)保、造價(jià)和工期等條件，擬采用CFG樁復(fù)合地基的處理方案。

CFG樁是一種新型樁體，與樁基礎(chǔ)相比，由于CFG樁樁體材料可以摻入工業(yè)廢料粉煤灰、不配筋以及充分發(fā)揮樁間土的承載能力（羅云海，2019；劉伍，2019），工程造價(jià)一般為樁基的1/3～1/2。CFG樁復(fù)合地基施工工藝簡(jiǎn)單，可全樁長(zhǎng)發(fā)揮側(cè)阻力，樁越長(zhǎng)承載力提高幅度越大，并具有良好的端阻效應(yīng)。施工周期短，按兩臺(tái)設(shè)備計(jì)算，一般兩周即可完成，檢測(cè)一周完成。其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常顯著。

2 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

CFG樁是一種高粘結(jié)強(qiáng)度的剛性樁，樁身強(qiáng)度等級(jí)一般為C15～C30。通過(guò)砂石褥墊層、樁等的作用，復(fù)合地基隨之形成，以置換作用作為加固機(jī)理（韓永強(qiáng)和朱雪珂，2018；胡瑾等，2019）。進(jìn)行復(fù)合地基方案設(shè)計(jì)時(shí)，需確定其預(yù)估地基沉降、樁身強(qiáng)度、群樁和驗(yàn)算承載力等計(jì)算（張樹(shù)明等，2019）。

設(shè)定CFG樁采用滿堂鋪設(shè)的方式，其樁間距為1.35 m，入土深度為28.0 m，直徑d為40 cm。樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)αp、樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β和單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ分別為1.0、0.9和0.85。CFG樁進(jìn)入第12層粉質(zhì)粘土的深度大于0.50 m。根據(jù)文獻(xiàn)（鄧日海和肖玉明，2016），單樁豎向承載力特征值Ra可由公式（1）求得

公式（1）中：Ap和up分別是樁的橫截面積和周長(zhǎng)，單位分別是平方米（m2）和米（m）。以20號(hào)樁為例，其有效樁長(zhǎng)為19.8 m。qsi是各土層的樁側(cè)阻力的特征值，單位為kPa，lsi是各土層的平均厚度，單位為米（m），αp是樁端阻力發(fā)揮系數(shù)，單位無(wú)量綱。Qp是樁端阻力特征值，單位為kPa。

根據(jù)文獻(xiàn)（葛忻聲和甄正，2017），面積置換率m可由式（2）求得，

公式（2）中，d和de分別為樁徑和單根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，d和de的單位為米（m）。本工程CFG樁的布樁方式為正方形，其樁中心距為s=1.35 m，可知其de=1.13s。

復(fù)合地基承載力特征值fspk可由式（3）求得

公式（3）中：fsk是地基承載力特征值，單位是kPa。m為面積置換率，單位無(wú)量綱。Ap是樁的橫截面積，單位為平方米。β、λ為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)、單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，單位無(wú)量綱。在對(duì)復(fù)合地基承載力進(jìn)行基礎(chǔ)埋深的深度修正時(shí)，樁身強(qiáng)度f(wàn)cu應(yīng)滿足式（4）：

Ap是樁的橫截面積，單位為平方米。λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，單位無(wú)量綱。Ra為單樁豎向承載力特征值，單位是kN。其中對(duì)應(yīng)的為C30設(shè)計(jì)時(shí)樁身強(qiáng)度f(wàn)cu按C30考慮，樁身混凝土強(qiáng)度可以滿足規(guī)范要求。

3 CFG樁復(fù)合地基施工工藝

與其他類(lèi)型的樁基相比，CFG樁的特點(diǎn)為利用工業(yè)廢料粉煤灰代替了部分混凝土以提高混合料的技術(shù)性能（殷志強(qiáng)等，2018）。由于CFG樁水泥和混合料協(xié)調(diào)配合，因此粉煤灰可作為混凝土中的抑脹劑、密實(shí)劑、增塑劑、釋水劑和減水劑等復(fù)合功能的基本材料（曾華健和潘忱，2020）。在進(jìn)行CFG樁配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)不同的工程類(lèi)型選擇不同等級(jí)的粉煤灰（張艷美等，2015；余旭和鄒燕，2015；馬永峰等，2016），表2為一般工程中常用到的3種等級(jí)的粉煤灰技術(shù)指標(biāo)。

表2 不同等級(jí)的粉煤灰技術(shù)指標(biāo)表/%

根據(jù)本工程特點(diǎn)選擇I型、Ⅱ型粉煤灰。本項(xiàng)目CFG樁配合比材料具體如下：CFG樁混凝土塌落度為165～200 mm，水泥選用P·O 42.5普通硅鹽水泥，細(xì)集料選用4.9～27.0 mm連續(xù)級(jí)配碎石，粉煤灰為某火電廠提供的Ⅱ級(jí)粉煤灰，水為飲用水。

CFG樁施工工藝流程如圖1所示。

圖1 CFG樁施工工藝

4 CFG樁復(fù)合地基施工檢測(cè)

為了對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，本工程對(duì)施工完成的CFG樁身質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)。靜載試驗(yàn)方案圖如圖2所示，該靜力載荷測(cè)試儀由堆載、次梁、主梁、支墩、鋼板、位移傳感器和千斤頂?shù)妊b置組成。

圖2 載荷試驗(yàn)布置圖

其中沉降量和荷載分別由位移傳感器和負(fù)荷傳感器進(jìn)行測(cè)量。在進(jìn)行樁身檢測(cè)時(shí)，需要將CFG樁樁頭的浮漿鑿除，并對(duì)樁頭進(jìn)行平整。選擇樁中心處為激振點(diǎn)，位移傳感器布置的位置為樁頭上距樁中心1/3直徑處，檢測(cè)過(guò)程嚴(yán)格按照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014，中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2014）。圖3和圖4分別為低應(yīng)變法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖和樁身完整性檢測(cè)結(jié)果。

圖3 低應(yīng)變法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖

圖4 樁身完整性檢測(cè)結(jié)果

本工程CFG樁共計(jì)540根，其中進(jìn)行利用低應(yīng)變法檢測(cè)的CFG樁位110根，Ⅰ類(lèi)樁和Ⅱ類(lèi)樁的數(shù)量分別為25根和85根。以編號(hào)340號(hào)樁為例，通過(guò)對(duì)隨機(jī) CFG樁試驗(yàn)得出的結(jié)果，整理得出的樁的Q-s載荷曲線如圖5(a)所示。其加載10級(jí)，最大加載量為1500 kN，卸載4級(jí)，累計(jì)時(shí)間為1700 min，最大沉降量為9.89 mm，最大回彈量為2.59 mm，其具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 340號(hào)樁單樁檢測(cè)曲線

綜合分析本次加載試驗(yàn)結(jié)果可知，CFG樁復(fù)合加固地基效果較好，其沉降-壓力曲線較為光滑平順，場(chǎng)地復(fù)合地基承載力特征值為490 kPa，大于設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

該四星級(jí)酒店主樓主體建筑為剪力墻結(jié)構(gòu)，采用CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行了地基加固處理。本文詳細(xì)介紹了CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟和施工檢測(cè)。目前該工程已施工完成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果可知，CFG樁復(fù)合地基存在如下特點(diǎn)：CFG樁復(fù)合地基在保證施工質(zhì)量的前提下，可令地基土體的強(qiáng)度潛能得到顯著發(fā)揮，承載力隨之得到明顯提升；本項(xiàng)目地基處理面積較大，CFG樁共計(jì)540根，利用CFG樁無(wú)需鋼筋籠骨架，而且粉煤灰可取代混凝土中一部分的抑脹劑、密實(shí)劑、增塑劑、釋水劑和減水劑等復(fù)合功能的基本材料，可大幅度降低工程造價(jià)。