建筑樁基與CFG樁在工程設計中適用性比較

劉 毅 強

(晉中市建筑勘察設計院，山西 晉中 030600)

建筑樁基與CFG樁在工程設計中適用性比較

劉 毅 強

(晉中市建筑勘察設計院，山西 晉中 030600)

通過對CFG樁和樁基礎的介紹，比較了CFG樁和樁基設計的一般原理和方法，以實際應用實例為基礎，從理論和適用的角度對比分析了建筑樁基與CFG樁在工程應用中的技術性以及經(jīng)濟性。

建筑樁基，CFG樁，高層建筑，適用性，褥墊層，壓縮模量

1 概述

隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，城市基礎設施建設日新月異，隨之而來的高層建筑數(shù)量不斷增加，對于地基基礎工程所要求的強度以及抗變形能力也不斷地提高。一般情況下，當天然地基無法滿足高層建筑的設計要求時，常常會用到樁基礎或CFG樁進行設計。CFG樁作為一種能提供較高復合地基承載力的地基處理方式，雖然應用起步較晚，但是由于可以充分發(fā)揮樁間土的承載力而使樁土共同工作，使其造價往往相對較低、經(jīng)濟實用，同時工藝簡單、施工便利，近些年來在工業(yè)建筑與民用高層建筑中被廣泛使用；而作為傳統(tǒng)的樁基礎由于新的技術不斷涌現(xiàn)、成樁工藝不斷豐富發(fā)展、經(jīng)驗積累和計算理論日臻完善，使其應用空間也得到了極大的擴展。實際工作中設計人員往往要面臨對以上兩種地基基礎工程方案的遴選問題，本文結合實際工作對兩者的適用性進行一些比較、歸納和探討。

2 作用機理和設計方法對比

2.1兩者的作用機理對比

首先兩者有著不同的作用機理：CFG樁又稱水泥粉煤灰碎石樁，屬于復合地基，是對天然土體的加固。與樁土共同工作，并且要充分發(fā)揮地基土的承載能力。其樁體材料是將水泥、粉煤灰、礦粉、碎石加水拌合而成，等固化之后會形成具有較高強度的樁體。并且在基礎和CFG樁之間設置一定厚度的由粒狀材料組成的散體墊層。CFG樁、樁間土以及褥墊層共同組成了復合地基。若基礎與CFG樁間不設墊層，當CFG樁的底端落在堅硬的土層之中時，因為CFG樁自身所具有的強度以及彈性模量均比樁間土大很多，同時樁頂沉降變形很小，所以荷載作用時，CFG樁所承受的應力值要較樁間土所承受的應力值大出很多。絕大部分荷載由樁承擔，樁間土的承載力很難發(fā)揮，此時CFG樁和樁間土傳遞垂直荷載與樁基類似。當CFG樁的底端落在一般粘性土層中時，隨著時間的增加，基礎和樁的沉降變形不斷增加，基礎下樁間土分擔的荷載也不斷增加，樁承擔的荷載相應減少，呈現(xiàn)一個荷載轉(zhuǎn)移的過程，但樁間土承載能力仍很難得到充分發(fā)揮。若通過基礎和CFG樁之間設置一定厚度的褥墊層，調(diào)整了樁與樁間土的剛度差異，通過樁頂?shù)拇倘耄梢员ＷC基礎無論在任何條件下始終能通過褥墊層將一部分荷載傳遞到樁間土上，因此設置褥墊層是CFG樁復合地基技術必不可少的關鍵組成部分；而樁基礎簡稱樁基屬于基礎范疇，通常由樁體和連接樁頂?shù)某信_組成。一般靠樁體直接、獨立完成荷載向土體的垂直傳遞，根據(jù)其承載方式的不同又分為端承型樁和摩擦型樁。樁土體系荷載傳遞的過程就是樁側(cè)阻力和樁端阻力的發(fā)揮過程。研究表明：豎向荷載下樁土體系荷載傳遞的過程可簡單描述為樁身位移s(z)和樁身荷載Q(z)隨深度遞減。樁側(cè)摩阻力qs(z)自上而下逐步發(fā)揮后逐漸減小，且其發(fā)揮程度只與樁土相對位移有關。

2.2設計計算基本方法對比

2.2.1CFG樁地基

在CFG樁初步設計過程中，其承載力特征值可以依照式(1),式(2)進行估算：

fspk=λmRa/Ap+β(1-m)fsk

(1)

Ra=up∑qsilpi+αpqpAp

(2)

2.2.2建筑樁基

依據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》中的相關規(guī)定，樁基的豎向承載力估算基本公式如下：

R=Ra+ηcfakAc=Quk/K+ηcfakAc

(3)

Quk=up∑qsikli+qpkAp(經(jīng)驗參數(shù)法)

(4)

其中，R為基樁或考慮承臺效應的復合基樁豎向承載力特征值，kN；Quk為單樁豎向極限承載力標準值，kN；K為安全系數(shù)，取K=2;ηc為承臺所具有的效應系數(shù)值;fak為承臺下方1/2寬度，并且未超出5.0 m深度之內(nèi)的各土層地基承載力特征值按厚度的加權平均值;Ac為基樁所對應的承臺底凈面面積；Ap為樁身的截面面積;Ra為單樁豎向承載力特征值,kN；qsik為樁基第i層土的極限側(cè)阻力標準值；qpk為極限端阻力標準值；li為樁基穿透上層土質(zhì)的高度；up為樁周長。

3 樁基與CFG樁的適用性比較

1)樁基在對高層建筑沉降的控制上優(yōu)于CFG樁。

a.首先這是由兩者沉降產(chǎn)生的機理不同造成的。對于摩擦型樁基沉降計算所采用的附加應力為按照明德林解得到的由端阻力和側(cè)阻力引起的樁端以下的附加應力，壓縮層也是從樁端起算，所以自重起始土壓力較高(意味著壓縮層的壓縮模量會有較大值)，因此計算沉降量會很小。而CFG沉降計算等同于天然地基，僅是將被加固土層的壓縮模量按一定的比例進行放大。b.由于CFG樁所常采用的長螺旋施工工藝的局限性致使樁身長度受到限制，這使得對于層數(shù)較高、荷載較大的高層建筑越來越力不從心。而樁基礎則不受此施工條件限制，能夠提供很高的承載力和沉降控制能力。c.由于樁基計算理論相對完善和精細，從而更有利于計算程序?qū)崿F(xiàn)結構的變剛度調(diào)平設計，有效控制基礎的不均勻沉降。

2)對于濕陷性土層及液化土層的處理效率和經(jīng)濟性上樁基礎往往優(yōu)于CFG樁。CFG樁用在濕陷性土層及液化土層中時一般要采用兩種樁型的復合，如灰土擠密樁+CFG樁和碎石樁+CFG樁，施工周期長、工藝復雜，效果不確定。但采用樁基礎，可以通過穿透濕陷及液化土層，使樁端進入穩(wěn)定土層來達到克服濕陷及液化提高承載力的目的。

工程實例：例如晉中市開發(fā)區(qū)某一大型3連跨重型鋼結構工業(yè)廠房，最大跨度30 m，總高度近40 m，吊車噸位較大，鋼結構格構式排架柱荷載較大，對沉降要求較高。地質(zhì)情況為Ⅲ級自重濕陷，基底以下濕陷土層厚度為12 m，基礎為柱下獨基。原地基處理方案為灰土擠密樁+CFG樁，布樁沿柱軸線條形滿布。經(jīng)過對原設計方案的研究和優(yōu)化后改為載體樁，通過樁基穿透濕陷土層將擴大頭深坐于下部穩(wěn)定粉土層，同時考慮負摩阻對樁的不利影響，按獨立樁承臺布樁，計算沉降量為7 mm，這樣既達到了消除濕陷影響的目的，又減小了基礎沉降量，為業(yè)主節(jié)省投資100多萬元,該廠房現(xiàn)已投入使用。

3)采用樁基礎方案時與相鄰建筑和環(huán)境的相互影響較小，這一點上也優(yōu)于CFG樁。這非常適用于建筑密度相對較大的城市環(huán)境中進行施工建設，尤其對于建筑之間距離較近而基底又存在高差的情況，以及建筑物距離較近而又需要分期建設的情況，可降低開挖的風險和難度，節(jié)省工程支護造價。

4)樁基礎由于樁型、工藝多種多樣，使得設計的選擇性更大，對于場地的適應性比CFG樁更強。它適合不同的土質(zhì)包括：液化、濕陷、填土、巖層等以及各種地形地貌。

5)對于高層建筑在特定的情況下，樁基的綜合效益會優(yōu)于CFG樁。一般CFG樁采用滿堂布樁+筏形基礎的形式，高層樁基可采用防水板+墻下承臺布樁或柱下承臺布樁的方式，由于單樁豎向承載力較高，故樁數(shù)相應減少，可以縮短施工周期。同時樁身質(zhì)量更有保證，沉降更易控制。

6)CFG樁的長螺旋施工工藝比機械成孔的樁基工藝一般來說相對簡單，樁使用的原材料可采用回收利用的粉煤灰、礦粉等資源，且樁身無需配筋，造價較低。因此對于地基土具備一定的強度和承載條件，而上部荷載又不是非常大的多高層建筑，有著較為顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。如在同等工程條件下當樁基方案和CFG樁方案的樁長度及直徑一致時，由于采用CFG樁可以使樁間土的承載力得以充分發(fā)揮，因此所需的CFG樁數(shù)量會相應減少，工程造價會得以降低、施工周期相應縮短。節(jié)約建設成本的同時也不會對環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染，所以CFG樁相對來說擁有良好的社會與經(jīng)濟效益。另一方面CFG樁對樁身范圍內(nèi)天然土層的壓縮模量也起到較大的加強和提高效果，對地基產(chǎn)生沉降變形可起到一定的控制作用。

4 結語

對不同的建筑工程來說，工程所在地的地質(zhì)水文條件千差萬別，因此在實際工作中如何結合當?shù)氐牡刭|(zhì)條件以及建筑工程的實際情況選取經(jīng)濟、安全、合理的地基基礎設計方案，仍然是擺在工程設計人員面前一道長期的課題，這需要我們在不斷地總結思考工程經(jīng)驗的同時，對每個項目設計方案都要進行全面綜合地考量、認真細致地分析比較，才有可能獲得最優(yōu)的地基基礎方案。

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ComparisonofapplicabilitybetweenbuildingpilefoundationandCFGpileinengineeringdesign

LiuYiqiang

(JinzhongArchitecturalSurveyandDesignInstitute,Jinzhong030600,China)

In this paper, the author introduces the CFG pile and the pile foundation, the general principle and method of CFG pile and pile foundation design are compared, on the basis of practical application, from the point of view of theory and application, the technical and economic characteristics of construction pile foundation and CFG pile in engineering application are compared and analyzed.

building pile foundation, CFG pile, high rise building, applicability, cushion, modulus of compressibility

1009-6825(2017)28-0081-03

2017-07-22

劉毅強(1971- )，男，工程師

TU470.3

A