CFG樁復(fù)合地基在高層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

郭培成

[摘? 要]：在工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)尤為重要，基礎(chǔ)與復(fù)合地基的選擇不僅決定工程的進(jìn)度，同時(shí)也影響總體的造價(jià)。文章通過(guò)改變CFG樁的樁距、樁長(zhǎng)、持力層、墊層厚度，提高復(fù)合地基承載力，從而降低筑物沉降，更好地發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，為今后類似工程提供有效的參考。

[關(guān)鍵詞]：CFG樁; 復(fù)合地基承載力; 沉降

TU472.3+6B

水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基是指由水泥、粉煤灰、碎石、砂或石屑等混合材料加水拌合在土中，灌注形成豎向增強(qiáng)體的復(fù)合地基（簡(jiǎn)稱為CFG樁），樁、樁間土和褥墊層一起構(gòu)成復(fù)合地基，共同承受結(jié)構(gòu)所受的外力。CFG樁復(fù)合地基近20年在多、高層建筑結(jié)構(gòu)中普遍采用的一種地基處理方法和基礎(chǔ)類型，不僅可以改善軟弱地基的承載力，而且還可以有效減小建筑物的沉降，縮短基礎(chǔ)施工的時(shí)間，降低地基基礎(chǔ)造價(jià)，因而在地基處理應(yīng)用中得到了較快的發(fā)展。在實(shí)際工程案例中，CFG樁復(fù)合地基可以使地基承載力特征值提高至600～700 kPa[1]，個(gè)別區(qū)域可以增加至800 kPa左右，經(jīng)濟(jì)效益明顯改善，在很多地區(qū)越來(lái)越受歡迎。CFG樁復(fù)合地基適用于公路路基、鐵路路基、房屋建筑等領(lǐng)域[2]，常用于填土、黏性土、粉質(zhì)黏土、淤泥、松散砂土等地質(zhì)環(huán)境。對(duì)于軟弱或相對(duì)軟弱的地段，可以達(dá)到預(yù)期的地基承載力和有效地控制地基變形。

1 工程概況

某小區(qū)共有18棟高層住宅樓，采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，規(guī)劃總建筑面積402 500 m2，占地面積75 824 m2。1～9棟為地上28層，地下室為2層，結(jié)構(gòu)總高度89.9 m;10～18棟為地上33層， 地下室為3層，建筑高度105.7 m，結(jié)構(gòu)高度103.4 m。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，地震分組第二組，基本風(fēng)壓0.40，結(jié)構(gòu)體型系數(shù)1.4，基本雪壓0.5，建筑物抗震設(shè)防類別為丙類，場(chǎng)地類別Ⅱ類，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，使用年限70年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，剪力墻厚度從下至上厚度依次為300 mm、250 mm、200 mm;混凝土強(qiáng)度從下至上剪力墻為C50、C45、C40、C35、C30、C25 6個(gè)等級(jí)，梁板混凝土C40、C35、C30、C25 4個(gè)等級(jí);地下室部分區(qū)域?yàn)槿朔赖叵率?，其余為普通地下室。結(jié)合基礎(chǔ)工程形式以及地下室規(guī)模、地上層數(shù)綜合分析，最后確定地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。考慮地質(zhì)情況與上部主體荷載，基礎(chǔ)類型初步方案考慮為：箱型基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)（灌注樁、預(yù)制樁）、CFG樁復(fù)合地基等，結(jié)合地質(zhì)條件、基礎(chǔ)造價(jià)費(fèi)用、施工工期等綜合考慮后，最后選定采用筏板基礎(chǔ)與CFG樁復(fù)合地基。

2 CFG樁復(fù)合地基工作原理與施工順序、注意事項(xiàng)

CFG樁與其它樁基明顯不同，CFG樁復(fù)合地基由樁間土、褥墊層和樁體3部分組成.為了更加有效使樁、樁間土能形成整體共同受力，在樁的頂部鋪設(shè)150 mm左右厚度的褥墊層，墊層材料可以選擇級(jí)配良好的砂石，孔隙率盡量控制在較低水平，適當(dāng)控制墊層厚度，可以有效保證樁土應(yīng)力比與建筑物的沉降，以利于三者相互更好的工作。褥墊層是由一些散粒的材料組成，不僅可以調(diào)節(jié)樁體的豎向荷載的分擔(dān)情況，而且在一定程度上可以緩解地面的壓力。CFG樁復(fù)合地基中，褥墊層可以使土體擠密、提高地基承載力、降低建筑物主體結(jié)構(gòu)的沉降量。

施工前進(jìn)行場(chǎng)地平整、對(duì)地下管線進(jìn)行標(biāo)記、根據(jù)圖紙進(jìn)行測(cè)量放線[3]。具體步驟如下：定位、鉆孔、成樁、收桿、清樁等幾部分組成;在具體施工中，可以采用隔排或跳打的方式進(jìn)行打樁，這樣在一定程度可以減少對(duì)周圍土體的破壞[4]。在施工期間，首先應(yīng)確保CFG樁避免出現(xiàn)斷樁問(wèn)題[5]，尤其是在深度比較大的區(qū)域出現(xiàn);其次，施工中注意控制好粉煤灰的量，減少出現(xiàn)堵管現(xiàn)象[5];最后，在CFG樁施工中，有時(shí)在打樁過(guò)程中會(huì)有竄孔，在勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中，掌握好土層情況，尤其是飽和的沙土層最容易發(fā)生竄孔。

3 工程地質(zhì)分布情況如下所示以及CFG樁破壞類型

3.1 各層巖土物理力學(xué)性質(zhì)

通過(guò)各層土層分布分析比較，再結(jié)合承載力的大小分析，最終CFG樁端部持力層選在石灰?guī)r上，在選擇持力層或樁端受力土層時(shí)，應(yīng)考慮兩部分因素，土層所在位置深度、土層端阻力特征值的大小。

3.2 CFG樁的破壞形式

工程上CFG樁復(fù)合地基的破壞形式與多種因素有關(guān)，如荷載的大小、荷載的作用方式、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)類型、增強(qiáng)體材料的屬性、復(fù)合地基結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)地基的土層分布以及特征等[6]。CFG樁復(fù)合地基特點(diǎn)屬于剛性樁復(fù)合地基，在豎向力作用下，破壞形態(tài)主要有樁體鼓脹破壞、刺人式破壞、整體剪切破壞和沿滑動(dòng)面破壞4種。豎向荷載較大、地基承載力較小的情況下一般會(huì)發(fā)生刺入破壞;樁間土不能提供足夠的抗側(cè)向壓縮變形時(shí)一般會(huì)發(fā)生樁體鼓脹破壞;豎向荷載大，地表面附近土體產(chǎn)生較明顯的塑性流動(dòng)區(qū)域時(shí)會(huì)發(fā)生剪切破壞。

4 CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程和分析結(jié)果

4.1 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范的相關(guān)計(jì)算公式

根據(jù)JGJ79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，CFG單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)各層土層情況采用式（1）～式（3）進(jìn)行單樁承載力特征值估算，取其較小值作為單樁承載力特征值Ra。

Ra1=up∑ni=1qsilsi+apqpAp（1）

Ra2≥4λRa2Ap（2）

f≥4λRa3Ap1+γmd-0.5fspa（3）

fspk=λmRaAp+β1-mfsk（4）

各個(gè)公式中字母的含義：Ra為單樁豎向承載力特征值kN;up為CFG樁的周長(zhǎng)，m;qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值kPa，根據(jù)地質(zhì)勘查資料取值，當(dāng)無(wú)資料時(shí)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定;lsi為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度m;λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù);qp為樁端端阻力特征值，根據(jù)地質(zhì)勘查資料取值，當(dāng)無(wú)資料時(shí)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定kPa;Ap為樁的截面面積m2;fspa為深度經(jīng)修正處理后復(fù)合地基承載力特征值kPa，根據(jù)計(jì)算公式求得，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值;ap為樁端阻力發(fā)揮系數(shù)，一般取值為1;fcu位樁身混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值kPa;γm為基礎(chǔ)底以上土層的加權(quán)平均重度kN/m3;d為基礎(chǔ)的埋置深度，具體取值參考JGJ79-2012《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范規(guī)定選擇。m為面積置換率，m=d2d2e，d為樁身平均直徑，de一根樁的分擔(dān)的處理地基面積的等效直徑;β為為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù);fspk為深度修正處理前的復(fù)合地基承載力特征值kPa;fsk為處理后樁間土承載力特征值，一般取天然地基承載力特征值kPa。

4.2 不同樁徑、樁長(zhǎng)、持力層、樁距的地基承載力計(jì)算結(jié)果分析

CFG樁初步采用直徑550 mm，樁身混凝土標(biāo)號(hào)C25，初步擬定第7層碎石土、第8層泥質(zhì)中砂、第9層石灰?guī)r分別作為樁端持力層，經(jīng)過(guò)分析及比較，為滿足工程需要，復(fù)合地基承載力特征值須滿足要求，最后確定采用第9層石灰?guī)r作為建筑結(jié)構(gòu)的持力層，樁尖進(jìn)入巖石的深度滿足規(guī)范相應(yīng)的要求。樁間距布置方案按照1.2～1.6 m布置，經(jīng)計(jì)算求得承載力特征值為710～780 kPa。首先為了滿足地基承載力的需求，經(jīng)過(guò)分析比較選擇樁間距為1.35 m，經(jīng)計(jì)算地基承載力特征值為752 kPa，滿足工程設(shè)計(jì)的要求，僅少量部分樁承載力不滿足要求。其次，結(jié)合沉降的問(wèn)題，樁間距按照1.35 m布置，樁間土以及樁土應(yīng)力比、面積置換率等，代入沉降的計(jì)算公式中，求得沉降量偏大，適當(dāng)調(diào)整樁徑、樁長(zhǎng)、樁土應(yīng)力比等，經(jīng)過(guò)綜合分析，最終樁間距采取1.3 m，正方形布置，承載力與沉降控制均滿足規(guī)范要求。

4.3 復(fù)合地基最終沉降量分析

CFG樁復(fù)合地基變形計(jì)算應(yīng)符合JGJ79-2012《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，根據(jù)式（5）、式（6）進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析，使其滿足相應(yīng)的沉降量、沉降差、傾斜等要求[7]。

s=φs∑ni=1poE/siziai-zi-1ai-1（5）

Esi/=fspkfakEsi（6）

式中：s為地基基礎(chǔ)最終沉降量; po為準(zhǔn)永久組合下基礎(chǔ)底部附加應(yīng)力值;zi為基礎(chǔ)底面距離i層的距離;E為天然地基i層的壓縮模量。代入公式中，底9層作為持力層，樁間距分別為1.35 m與1.30 m，由于樁間土發(fā)揮的作用提高，減小樁間距使得沉降量減少了近16%，滿足了規(guī)范規(guī)定的限值。地基基礎(chǔ)沉降量作為建筑物安全的重要指標(biāo)之一，沉降量較大或建筑物傾斜較大都會(huì)導(dǎo)致造價(jià)成本提高或無(wú)法正常使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）樁體、樁間土、褥墊層三者合理的處理，盡量發(fā)揮三者的相互作用效果，可以有效改善土層強(qiáng)度，從而提高CFG樁的承載力，減少沉降量，降低房屋造價(jià)。

（2）加強(qiáng)施工期間的管理與監(jiān)督，減少對(duì)樁體以及土體的干擾破壞，嚴(yán)格執(zhí)行各個(gè)環(huán)節(jié)，按照要求進(jìn)行合理的施工。

（3）結(jié)合各項(xiàng)數(shù)據(jù)，從土層分布、土層承載力、建筑物沉降、施工難度、工程造價(jià)多方面出發(fā)，多方面不斷調(diào)整，最大限度地發(fā)揮復(fù)合CFG樁的特性。

（4）CFG樁復(fù)合地基在多、高層建筑中的不斷成功應(yīng)用，不僅可以保證工程質(zhì)量，而且也獲得了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，也可以為今后類似的工程設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。

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