CFG樁復合地基設計相關問題的探討

王開軍

CFG樁復合地基即樁與樁間土共同作用,復合地基承載力取決于單樁承載力和樁間土承載力,單樁承載力和樁間土承載力越高,復合地基承載力就越高。除提高承載力外,CFG樁復合地基還可起到減小地基變形的作用。CFG樁復合地基是介于天然地基與樁基之間的一種地基處理方式。現從工程設計方面對CFG樁復合地基進行詳細的論述。

1 CFG樁復合地基設計要點

1.1 面積置換率 m

其中,Ap為樁截面面積;Ae為一根樁分擔的處理地基面積。

獨立基礎面積較小,以上述方法計算面積置換率時會出現置換到基礎外側的情況,用樁量會加大。此時應采用下列公式計算面積置換率:

即為獨立基礎范圍內所有樁截面面積之和除以基礎底面積,這樣可降低樁用量。

1.2 單樁承載力特征值(北京規范稱標準值)的計算

1)當巖土工程勘察報告提供樁的極限側阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk時,單樁豎向承載力特征值(標準值):

2)當巖土工程勘察報告提供樁的側阻力特征值(標準值)qsi和端阻力特征值(標準值)qp時,單樁豎向承載力特征值(標準值):

以上是按巖土條件計算的單樁豎向承載力,同時還要考慮樁身強度問題。規范規定樁體試塊抗壓強度平均值應滿足:

fcu與混凝土強度等級對應,如計算 fcu=18.6 MPa,則混凝土強度應采用C20。

國標地基基礎設計規范中對樁身強度有 Q≤ApfcΨc的要求,fcu/3大致與0.7fc相當,也就是說 fcu/3已考慮了工作條件系數(也稱施工工藝系數)Ψc。

1.3 樁間土承載力折減系數β

樁間土承載力折減系數也可理解為樁間土承載力發揮度,當復合地基受荷載作用時,起始階段荷載向樁集中,樁土應力比隨荷載的增加而增大。隨著荷載的增加,樁承受的荷載逐漸向土轉移,直至兩者均達到最佳受力狀態。

地基處理技術規范及北京地區地基基礎規范中β=0.75～0.95,天然地基承載力較高時宜取大值,較低時宜取小值。沒有固定的取值,在北京地區常采用0.8～0.9。

1.4 復合地基承載力特征值(標準值)

復合地基承載力特征值(標準值)按下式進行計算:

其中,fsk,fsa分別為基底下樁間土地基承載力特征值、標準值,無經驗時按天然地基承載力取值。CFG樁施工時,由于施工機具和工藝的差別會對樁間土造成一定影響,如采用沉管施工時,由于擠土作用,樁間土承載力會有所提高(10%～20%)。北京地區均采用長螺旋鉆進行CFG樁施工,屬非擠土成樁工藝,故fsa取天然地基承載力標準值fka即可。

復合地基承載力特征值(標準值)可在天然地基承載力基礎上提高1倍～2倍,即為天然地基承載力的2倍～3倍。如需提高的幅度小于50%時,則采用CFG樁必要性不大,可考慮采用夯實水泥土樁復合地基。

1.5 地基變形計算

樁長范圍內壓縮模量采用復合模量,復合土層壓縮模量為天然土層按實際壓力段壓縮模量的ξ倍。

其中,fak,fka分別為基底下土層天然地基承載力特征值、標準值。

目前北京地區采用CFG樁的沉降計算還沒有成熟的方法,都是參考行標JGJ 79-2002地基處理技術規范進行計算。

2 問題討論

2.1 要求的復合地基承載力標準值

1)高層建筑筏板基礎。

利用軟件或人工估算計算出對應于荷載效應標準組合的基底平均壓力pk,計算時應按荷載規范考慮活荷載折減。

復合地基不進行基礎寬度修正,但可進行基礎埋深修正,埋深修正系數為ηd=1.0,則修正后的復合地基承載力標準值為:

則要求處理后的地基承載力標準值為:

其中,γ0為基底以上土的加權平均重度,地下水位以上可取18 kN/m3,地下水位以下可取11 kN/m3;d為基礎埋深,一般取從天然地面起算,除非在上部結構完工前進行的填方整平可取從填方地面起算。

在確定高層建筑筏形基礎埋深時,應考慮主樓外圍裙房或純地下室對主樓基礎側限的削弱影響,將裙房或純地下室的平均自重荷載折算為土層厚度作為基礎埋深,包括純地下室頂板以上的覆土荷載。即 d′=pG/γ,γ應取與無裙房時一致的土重度,即基底以上土的加權平均重度,地下水位以下的土取有效重度。

當主樓四面的裙房形式不同,或有的面無裙房及純地下室時,可取關于周長的加權平均埋深進行修正。

2)多層建筑獨立基礎。

若無地下室基礎埋深較小(≤2 m)時,因埋深修正的承載力較小,一般就不考慮修正了。當埋深較大時,仍要考慮埋深修正的復合地基承載力,以減小提出的復合地基承載力標準值。

若所提復合地基承載力標準值低,則基礎底面積就大,反之基礎底面積就小,那么多少為宜。首先假設最大樁距(5d)布樁,如φ 400,樁距為2 m,樁端為較淺的持力層,計算復合地基承載力標準值,即為采用CFG樁復合地基的最小承載力標準值,所提復合地基承載力標準值不能小于此值。

2.2 要求的建筑物長期最大沉降量

沉降量數值不可提得過小,在CFG樁復合地基設計時,地基變形限值大小對CFG樁的數量或長度影響很大。以某工程為例,原設計地基變形限值為40 mm,后經優化改為60 mm,前者比后者混凝土量增加了80%以上。因此在基礎圖中的地基變形限值在滿足要求的前提下盡量采用高值,以避免不必要的浪費。

3 結語

復合地基一詞國外最早見于1960年,我國第一次復合地基學術會議于1990年在承德舉行。近年來復合地基理論研究和工程實踐日益得到重視,CFG樁復合地基因造價低、施工速度快而已廣泛應用于工業與民用建筑的地基處理,尤其在華北應用較多,在我國已成為一種常用的地基處理方式。

[1] 龔曉南.復合地基設計和施工指南[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 牛志榮,李 宏.復合地基處理及其工程實例[M].北京:中國建材工業出版社,2000.

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