高層建筑深基坑CFG樁設計及應用研究★

李 治 文

(1.吉林大學建設工程學院，吉林長春 130026;2.上海海洋地質勘察設計有限公司，上海 200120)

0 引言

CFG樁全稱為水泥粉煤灰碎石樁，它主要由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等加水拌和后，再用于各種成樁機具制成的高粘結強度樁，樁體強度等級一般在C5～C20之間[1-3]。CFG樁用于加固復合地基不但有施工速度快、工期短、質量易控制等優點，而且由于樁體不用配筋，并可摻入工業廢料粉煤灰，使得單樁承載力高，具有經濟安全優勢，因此CFG樁復合地基已廣泛應用于我國地基處理技術[4，5]。本文擬在深基坑中應用CFG樁解決高層建筑地基承載力不足的難題，通過設計合理的CFG樁參數，并進行檢測試驗，分析其適用性和合理性。

1 工程概況及地質條件

擬建建筑地上共15層，剪力墻結構，筏板基礎，設兩層地下室，基礎埋深－10.60m。本工程標高±0相當于絕對標高50.20m。基坑南北方向長100m左右，東西方向寬約60m。場地內表層為填土，其下為一般第四紀沖、洪積層，主要為粘性土和砂土交互沉積層。根據本次勘探現場勘探、原位測試及室內試驗成果，按地層沉積年代、成因類型，將擬建場區內本次最大勘探深度50.00m內地層劃分為9大層。場地地層按自上而下簡述如下:

①層素填土:黃褐色，濕、局部飽和，稍密，以粘粉土為主，含少量磚渣、灰渣、碎石等。局部為雜填土，以建筑垃圾為主。層厚0.8m ～2.5m，層底標高 46.84m ～48.71m。②層砂質粉土、粘質粉土，②1層粘質粉土、粉質粘土:本層以②層砂質粉土、粘質粉土為主，上部為②1層粘質粉土、粉質粘土，總層厚2.80m～4.90m，層底標高43.10m～44.58m。③層粘質粉土:灰黃～褐灰色，可塑，飽和含有機質、姜石云母，局部夾粘質粉土薄層。本層呈中～中高壓縮性，層厚1.70m ～4.00m，層底埋深7.50m ～9.50m，層底標高39.63m～41.78m。④層粉質粘土:褐黃～黃褐色，可塑，飽和，含有機質、姜石、云母，局部夾粘質粉土、重粉土粘土薄層或透鏡體。本層呈中壓縮性，層厚3.20m～5.70m，層底埋深11.50m ～14.20m，層底標高 35.20m ～ 37.78m。⑤層粉質粘土、粘質粉土，⑤1層砂質粉土:本層以⑤層粉質粘土、粘質粉土為主，局部夾⑤1層砂質粉土、粘質粉土薄層及透鏡體。總層厚9.30m ～11.60m，層底埋深 22.60m ～ 23.50m，層 底 標高25.48m～26.58m。⑥層粉質粘土、⑥1層砂質粉土、粘質粉土:本層以⑥層粉質粘土為主，局部夾⑥1層砂質粉土、粉質粘土薄層及透鏡體。總層厚10.3m ～14.20m，層底埋深33.50m ～37.00m，層底標高12.55m～15.66m。⑦層粉土，⑦1層粉質粘土:本層以⑦層細砂為主，下部為⑦1層粉質粘土。總層厚2.00m～2.50m，層底埋深36.70m ～37.40m，層底標高12.05m ～12.43m。⑧層卵石，⑧1層圓礫。總層厚3.00m ～3.30m，層底埋深 40.00m ～40.40m，層底標高9.05m ～9.13m。⑨層粉質粘土，⑨1層細砂，⑨2層圓礫:本層以⑨層粉質粘土為主，與⑨1層細砂、⑨2層圓礫交互沉積，本次勘查未穿透該層。

2 深基坑CFG樁設計

2.1 設計要求

1)基礎以下均采用同一種復合地基，即CFG樁復合地基進行加固處理。2)地基處理后其復合承載力特征值應滿足設計要求，復合地基承載力特征值不小于255kN/m2。3)地基變形應滿足最終沉降量的相關規定，最大沉降控制在不大于50mm范圍內。

2.2 CFG樁參數設計

1)樁長(L)參數設計:設計樁時應盡量使樁端落在承載力相對較高的土層上。假如樁長設計不等時，應考慮建筑物對承載力和變形的要求、土質條件和設備能力等因素來確定樁端在持力土層的厚度，從而確定樁長。由地質剖面圖和土的物理力學指標可以看出，場地標高12.4m以下存在密實的圓礫，層厚為3000mm～3 300mm，是較理想的樁端持力層，但該層埋深較深。若CFG樁樁端落在該層，樁長為28m，施工難度較大。另外通過計算也可以看出，若樁端落在該層。計算時的樁間距較大，超過樁間距的合理范圍。若按合理樁間距布樁，布樁數必然增加，造成不必要浪費。場地⑥層為可塑，中密，低壓縮性的粉質粘土層，該層土的承載力特征值為210kPa，壓縮模量為16.5kPa，亦可作為持力層，初步確定樁端落在⑥層，樁長為18.5m。

2)樁徑(d)設計:CFG樁樁徑的確定取決于所采用的成樁設備。由于場地土強度較高，且存在粉土，粉砂層，不宜采用擠土的振動沉管工藝，擬采用非擠土的長螺旋鉆孔管內泵壓CFG樁施工工藝，確定樁徑為400mm。

3)樁間距(s)設計:在樁長，樁徑確定后，計算樁間距之前需確定天然地基承載力fak，計算出單樁承載力Ra和復合地基承載力特征值fspk。

確定天然地基承載力特征值fak:建筑物基礎底面在粉質粘土④層，該層承載力特征值fak=170kPa。計算單樁承載力是根據規范確定各土層的CFG樁的側阻力特征值為:④層粉質粘土32.5kPa;⑤層粘質粉土 32.5kPa;⑥層粉質粘土 32.5kPa。樁端落在粉質粘土⑥層，端阻力特征值取500kPa。

其中，up為樁的周長，m;qsi，qp分別為樁周第i層土的側阻力，樁端端阻力特征值，kPa;li為第i層土的厚度，m。

計算得單樁承載力特征值Ra=840kPa。

4)計算置換率:條件給出復合地基承載力fspk≥255kPa。

在已知天然地基承載力特征值的基礎上，單樁承載力特征值及復合地基承載力特征值可按式fspk=mRa/Ap+αβ(1－m)fak求得置換率m，計算時取樁間土折減系數β=0.95，樁間土強度提高系數

初步確定樁間距為2，此時復合地基承載力特征值fspk=366kPa。

6)驗算變形是否滿足要求:樁長，樁徑和樁間距初步確定后，需驗算是否滿足復合地基承載力，按下式計算:

進行驗算是否滿足復合地基變形要求。

在變形計算時，由式p0=pk－r0d。

pk≤fa=fspk+rm(d－0.5)，fspk≥pk－ rm(d －0.5)確定基底平均附加應力p0=256.5kPa。

在計算模量提高系數時，復合地基承載力特征值應取試驗值，在這里近似地取計算值，模量提高系數為:

計算得最大變形量為45mm，平均變形量為40mm，可見計算結果滿足55mm的要求。

3 CFG樁的檢測及數據分析

3.1 CFG樁的檢測

試驗采用慢速維持法[6，7]，本文在該樓S1號，S2號，S3號及S4號共計4個試點進行了復合地基載荷試驗。當試驗滿足下列條件之一時終止加荷:1)在某級荷載作用下，樁的沉降量為前一級加載下沉降量5倍時;2)在某級荷載作用下，樁的沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍;且經過24h尚未達到相對穩定。之后根據測試樁的荷載—沉降曲線來分析其加固效果。

S1號，S2號，S3號及S4號四根測試CFG樁的沉降量見圖1，從圖1可知設計比較合理。

3.2 CFG樁檢測數據分析

按照規范 GJ 7-89地基土載荷試驗規定，分析測試樁間土P—S的曲線，考慮地基土變化特征，樁間土承載力標準值取400kPa。再按規范JGJ 94-94單樁豎向抗壓靜載試驗規定，分析測試樁P—S曲線特征，得到 PUK=715kN。根據《水泥、粉煤灰、碎石樁(CFG)復合地基技術規定》:單樁承載力標準值RK=ηPUK(η=0.57～0.67)。從單樁載荷試驗P—S曲線中發現四個測試樁存在比例界限，平均值為512.5kN，最小值為450kN，因此從工程安全考慮η取0.57，單樁承載力標準值取407.6kN，符合設計要求。

4 結語

從工程設計和檢測結果說明:高層建筑深基坑復合地基加固采用CFG樁，其施工工藝及技術措施是可行的，CFG樁復合地基加固效果明顯。

[1]閆明禮，張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京:中國水利水電出版社，2006:60-144.

[2]黃啟泉.客運專線無碴軌道CFG樁地基質量控制[J].河南理工大學學報(自然科學版)，2011，30(1):89-93.

[3]楊 銳，張建同.關于再生骨料CFG樁的綜合性能研究[J].河南理工大學學報(自然科學版)，2011，30(1):89-93.

[4]趙明華，何臘平，張 玲.基于荷載傳遞法的CFG樁復合地基沉降計算[J].巖土力學，2010，31(3):839-844.

[5]任 鵬，鄧榮貴，于志強.CFG樁復合地基試驗研究[J].巖土力學，2008，29(1):81-86.

[6]龔曉南，高有潮.深基坑工程設計施工手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，1999.

[7]張永波，孫新忠.基坑降水工程[M].北京:地震出版社，2000.

[8]郭繼武.建筑地基基礎(新規范)[M].北京:機械工業出版社，2005:297-326.