CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)及其在高層建筑中的應(yīng)用

陳 志 軍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

1 概述

隨著民用建筑、軌道交通等領(lǐng)域的快速發(fā)展，復(fù)合地基以其力學(xué)、經(jīng)濟(jì)成本等方面獨(dú)特的優(yōu)勢得到越來越廣泛的應(yīng)用。CFG樁(即水泥粉煤灰碎石樁)復(fù)合地基[1]是一種由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水?dāng)嚢枞缓笥酶鞣N成樁機(jī)械在地基中制成的高粘結(jié)強(qiáng)度(強(qiáng)度等級一般為C10～C30)樁，它和樁間土、褥墊層共同工作形成復(fù)合地基。CFG樁復(fù)合地基屬于地基處理的一種，由于它能充分發(fā)揮樁間土的承載作用，將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到地基深處，有效地提高地基承載力和控制地基變形[2]。因此，在房屋建筑、高速路基等領(lǐng)域，CFG樁復(fù)合地基常用于填土、黏性土、松散砂土等軟弱或相對軟弱的地段以期達(dá)到提高地基承載力、控制路基變形的目的，這也是目前巖土工程界研究比較活躍的領(lǐng)域。

2 CFG樁復(fù)合地基工作機(jī)理和破壞形態(tài)

2.1 工作機(jī)理

與一般的樁基明顯不同，CFG樁復(fù)合地基由樁體、樁間土和褥墊層三部分構(gòu)成(見圖1)，為保證樁、樁間土能一起受力，在樁頂澆筑一定厚度的褥墊層，以利于樁頂向上刺入。CFG樁復(fù)合地基主要通過樁體的置換和排水作用、褥墊層的均化作用以及土體的擠密加強(qiáng)作用四方面來達(dá)到提高地基承載力和減小沉降的目的。

經(jīng)處理后的CFG樁復(fù)合地基，上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)通過褥墊層與復(fù)合地基連接，共同工作。在豎向荷載作用下，由于樁體和樁間土在剛度、彈模上的差異較大，當(dāng)剛性基礎(chǔ)變形量相等時(shí)，地基中的應(yīng)力按材料模量進(jìn)行分配，則樁頂產(chǎn)生的應(yīng)力大于樁間土表面的應(yīng)力，樁體承擔(dān)了大部分的荷載，同時(shí)樁將承受的荷載向深層土傳遞又進(jìn)一步減小了樁間土表面的應(yīng)力。由于樁的作用，使得復(fù)合地基承載力高于原有地基，地基沉降量比原有地基小，當(dāng)樁體剛度或樁長逐漸增大時(shí)，此種效應(yīng)更為顯著，但當(dāng)樁體混凝土強(qiáng)度等級過大時(shí)對提高復(fù)合地基承載力效率會(huì)降低，因此在設(shè)計(jì)復(fù)合地基時(shí)，樁體混凝土等級不宜取得過高。

CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)中，褥墊層的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，因?yàn)樗鼪Q定了復(fù)合地基承載力能否充分發(fā)揮及沉降控制的效果。復(fù)合地基在受荷后樁體可在褥墊層內(nèi)上、下刺入，由于墊層材料的流動(dòng)補(bǔ)償性，確保了在任一荷載作用下樁間土、樁體均能協(xié)同工作且兩者承擔(dān)的荷載始終處在一個(gè)近似平衡狀態(tài)，地基中的接觸應(yīng)力和豎向應(yīng)力也得到了調(diào)整，這既改善了地基的變形狀況，又大大提高了復(fù)合地基的承載力。此外，褥墊層的重要性還體現(xiàn)在：基礎(chǔ)底面的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象可通過設(shè)置合適的褥墊層厚度加以弱化；可不斷調(diào)整樁、樁間土共同工作過程中承擔(dān)荷載的比例，使其能最大程度的發(fā)揮作用。工程經(jīng)驗(yàn)表明，在合理的技術(shù)條件下，褥墊層厚度取15 cm～30 cm時(shí)地基處理可取得較好的效果，較大樁體直徑或樁距對應(yīng)較大的褥墊層厚度。

在砂土、飽和粉土中進(jìn)行CFG樁施工時(shí)，由于施工機(jī)械的振動(dòng)效應(yīng)，土體會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，已澆筑成型的CFG樁可作為一個(gè)豎向排水通道，孔隙水沿該通道向上排至地面，此過程一直持續(xù)到樁體結(jié)硬為止。樁體的排水作用不僅不會(huì)影響樁體的強(qiáng)度，反而大大提高了樁間土的密實(shí)度。

CFG樁復(fù)合地基土體的擠密效應(yīng)主要表現(xiàn)為在成樁過程中，樁體的水泥、粉煤灰發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)會(huì)不斷吸收周圍土體內(nèi)的水分，同時(shí)釋放的熱量使土體發(fā)熱、膨脹，達(dá)到擠密的效果。土體的擠密作用不僅提高了地基承載力，對土體的抗剪強(qiáng)度也有很大的改善作用。

2.2 破壞形態(tài)

復(fù)合地基的破壞形式與多種因素有關(guān)，如上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式、受荷方式、增強(qiáng)體材料的特性、復(fù)合地基自身結(jié)構(gòu)類型等。CFG樁復(fù)合地基屬于剛性樁復(fù)合地基，在豎向荷載作用下，由于樁體剛度較大，根據(jù)受力特性，破壞形態(tài)主要包含刺入式破壞、樁體鼓脹破壞、整體剪切破壞和沿滑動(dòng)面破壞四種(見圖2)。

在豎向荷載作用下，當(dāng)樁體與樁間土剛度存在明顯差異時(shí)，樁體向上刺入且承擔(dān)的荷載越來越大直至達(dá)到極限受壓承載力而破壞，在此過程中內(nèi)力不斷進(jìn)行重分布，荷載逐漸轉(zhuǎn)移給樁間土，直至樁間土不能繼續(xù)承擔(dān)或發(fā)生過大的變形而造成地基全面破壞(如圖2a)所示)；樁體鼓脹破壞主要發(fā)生在當(dāng)樁間土不能對樁體提供足夠的側(cè)壓時(shí)所形成的一種破壞形態(tài)(如圖2b)所示)；沿豎向受荷時(shí)，復(fù)合地基易形成塑性流動(dòng)區(qū)，當(dāng)荷載較大時(shí)，樁體和樁間土易出現(xiàn)沿圓弧面的剪切破壞(如圖2c)所示)；在水平、豎向荷載共同作用下，復(fù)合地基出現(xiàn)沿滑動(dòng)面破壞(如圖2d)所示)，此時(shí)樁體、樁間土均發(fā)生剪切破壞而使復(fù)合地基失去繼續(xù)承載的能力。

3 CFG樁復(fù)合地基的優(yōu)越性

與一般樁基礎(chǔ)的噪聲大、施工流程復(fù)雜等缺點(diǎn)不同，CFG樁復(fù)合地基施工工藝簡單、環(huán)境污染小，此外尚有以下3點(diǎn)優(yōu)越性：

1)可適用性強(qiáng)，承載力提高幅度大。CFG樁復(fù)合地基可用于粉土、砂土、黏性土等地質(zhì)條件，根據(jù)各土層情況選用合適的樁徑、樁長、施工方法，處理之后復(fù)合地基承載力可達(dá)原地基承載力的2倍～5倍。此外，有研究表明[3]，當(dāng)?shù)鼗料掠猩睢\兩個(gè)樁端持力層時(shí)，采用長短樁型結(jié)合的布樁形式，可確保復(fù)合地基安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

2)復(fù)合地基變形量小。CFG樁復(fù)合地基由于樁端置于下部較好的土層，軟弱土層處于樁端以上區(qū)域，加上樁體自身剛度及對周圍土體的擠密作用使得復(fù)合地基有較高的模量，從而降低了建筑物的沉降。

3)施工工期短，降低投資成本。CFG樁由于沒有配筋，施工簡便，既減少了鋼筋加工流程、降低了成樁時(shí)間，又縮短了工期。此外，CFG樁成樁原料一般可就地取材，其主要成樁原料中的粉煤灰、石屑等是火電廠產(chǎn)生的大量排出物，其合理的利用既減少了環(huán)境污染又充分利用了資源，綜合而言降低了工程造價(jià)。

4 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

4.1 承載力計(jì)算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[4]，單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)可按式(1)估算：

(1)

其中，Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；up為樁的周長；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值,kPa，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；lpi為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度，kPa；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，可取0.4～0.6，也可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；qp為樁端端阻力特征值，kPa，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；Ap為樁的截面面積,m2。

復(fù)合地基承載力特征值按式(2)計(jì)算：

(2)

為保證樁身不早于土體破壞，則由樁身材料強(qiáng)度確定的單樁承載力(見式(3))應(yīng)不小于按樁周巖土參數(shù)確定的單樁承載力(見式(1))。

Ra=ηfcuAp

(3)

其中，fcu為與CFG樁樁身配比相同的立方體(邊長70.7 mm)90 d齡期抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取值范圍0.20～0.25，濕法取大值。

因復(fù)合地基僅在一定范圍內(nèi)進(jìn)行，其基礎(chǔ)的傳力路徑與天然地基有所不同。當(dāng)需對復(fù)合地基進(jìn)行深度和寬度修正時(shí)，偏于安全，寬度可不進(jìn)行修正，深度修正系數(shù)取1.0，此時(shí)復(fù)合地基承載力按式(4)計(jì)算：

fspa=fspk+0+1.0×γm×(d-0.5)

(4)

其中，γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下的土層取浮重度；fspa為深度修正后的復(fù)合地基承載力特征值；d為考慮修正的基礎(chǔ)埋置深度。

復(fù)合地基增強(qiáng)體樁身強(qiáng)度應(yīng)滿足式(5)的要求；當(dāng)按式(4)進(jìn)行深度修正時(shí)，需滿足式(6)的要求：

(5)

(6)

其中，fcu為28 d齡期時(shí)樁體立方體(邊長150 mm)試塊的抗壓強(qiáng)度平均值，kPa。

4.2 沉降計(jì)算

CFG樁復(fù)合地基變形的計(jì)算應(yīng)符合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]的相關(guān)規(guī)定，按式(7)進(jìn)行變形計(jì)算。復(fù)合地基沉降計(jì)算時(shí)其土層劃分方法可與天然地基沉降計(jì)算土層劃分保持一致，兩種地基的承載力特征值、壓縮模量存在如式(8)所示的相互關(guān)系。

(7)

(8)

5 工程實(shí)例

5.1 工程概況

某居住小區(qū)位于河南省汝州市，項(xiàng)目由8棟高層住宅樓、大面積單層純地下室車庫組成，車庫頂板覆土厚度為1.2 m。各棟住宅樓層數(shù)均為地上18層，地下2層(含1層夾層)，大屋面高度53.80 m，室內(nèi)外高差0.3 m，住宅樓范圍采用筏板基礎(chǔ)，純地下室為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，項(xiàng)目平面布置見圖3，地下室外墻以外為大面積自然填土。

根據(jù)現(xiàn)場勘察及實(shí)驗(yàn)室土工試驗(yàn)等成果報(bào)告，本工程在勘探深度范圍內(nèi)由頂層依次向下土層劃分及各土層主要巖土工程參數(shù)如表1所示。

表1 各土層主要巖土工程參數(shù)

5.2 復(fù)合地基設(shè)計(jì)

由工程地質(zhì)剖面圖得知，各住宅樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮水浮力作用，基礎(chǔ)埋置深度約6.6 m，主樓筏板基礎(chǔ)底標(biāo)高所在土層為③粉質(zhì)黏土，該土層為中壓縮性土，承載力特征值不高，以③土層作為筏板基礎(chǔ)持力層不能滿足上部結(jié)構(gòu)對基底壓力375 kPa(標(biāo)準(zhǔn)值)的要求。地勘報(bào)告推薦基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)和剛性樁復(fù)合地基，樁徑均為600 mm，因④～⑥土層承載力相對不高、土層分布不均勻，兩種基礎(chǔ)方案樁端持力層均為⑦粉質(zhì)黏土，樁長均為13.5 m左右。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合施工工期、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)綜合分析，采用剛性樁復(fù)合地基方案最優(yōu)。

以4號樓為例進(jìn)行地基處理設(shè)計(jì)。4號樓筏板基礎(chǔ)厚度為1.1 m，混凝土強(qiáng)度等級為C35，其四周臨近地下室外墻一側(cè)為天然填土、其余三側(cè)為單層地下室車庫，可考慮周圍超載對地基承載力深度修正[6]，單層車庫按等效土層厚度0.5 m考慮，則超載折算成土層厚度的基礎(chǔ)埋深可取2.8 m，經(jīng)CFG樁處理后復(fù)合地基承載力特征值為：

fspk=375-1.0×18×(2.8-0.5)=333.6 kPa。

根據(jù)本文4.1節(jié)式(1)～式(6)及復(fù)合地基理論，經(jīng)計(jì)算確定4號樓地基處理所用CFG樁樁徑為500 mm，單樁承載力特征值為800 kN，有效樁長為13.50 m。采用正方形布樁，樁距為1 800 mm，面積置換率為0.059，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C25。CFG樁的布置如圖4所示。

為使地基處理取得良好的效果，褥墊層厚度取300 mm，其選用的粗骨料最大粒徑為25 mm～30 mm。經(jīng)合理的CFG樁、筏板設(shè)計(jì)，處理后地基承載力約為處理前天然地基承載力的2.4倍，其承載力特征值達(dá)到380 kPa，滿足了上部結(jié)構(gòu)對基底壓力的需求。通過沉降計(jì)算，復(fù)合地基最終變形量為16.58 mm，滿足規(guī)范對變形控制的要求。

5.3 經(jīng)濟(jì)性對比

為研究CFG樁復(fù)合地基和樁筏基礎(chǔ)在經(jīng)濟(jì)性、施工工期等方面的差異，對4號樓進(jìn)行了樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。同時(shí)為研究該項(xiàng)差異是否受灌注樁直徑的影響，根據(jù)各勘孔土層分布及樁側(cè)阻力、樁端阻力等參數(shù)，對樁筏基礎(chǔ)分別采用直徑600 mm,800 mm,1 000 mm三種方案的長螺旋鉆孔灌注樁進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中樁身、筏板混凝土強(qiáng)度等級均為C35，筏板厚度1 100 mm，CFG樁復(fù)合地基與各樁筏基礎(chǔ)指標(biāo)對比情況見表2。

表2 CFG樁復(fù)合地基與各樁筏基礎(chǔ)指標(biāo)對比

根據(jù)表2可知，采用CFG樁復(fù)合地基方案基礎(chǔ)造價(jià)最低、施工工期最短；樁筏基礎(chǔ)采用的灌注樁直徑越小越有優(yōu)勢，樁徑越大工效越低。與直徑為600 mm，800 mm，1 000 mm的灌注樁方案相比，CFG樁復(fù)合地基方案可分別節(jié)約造價(jià)約12.6%，41.9%，54.1%，可分別縮短工期22.7%，34.6%，29.2%。

5.4 樁基檢測及基礎(chǔ)沉降結(jié)果

CFG樁施工完成后，樁基檢測單位對4號樓的CFG樁采用低應(yīng)變法進(jìn)行了樁身完整性檢測[7]，檢測樁數(shù)為48根，占總樁數(shù)的20.5%。采用時(shí)域方法分析確定平均波速為3 778.8 m/s，結(jié)合實(shí)測信號曲線和時(shí)域信號特征判定Ⅰ類樁45根，占被檢測樁的93.75%，Ⅱ類樁3根，占被檢測樁的6.25%，未檢測出Ⅲ類或Ⅳ類樁，因此4號樓CFG樁質(zhì)量效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

施工過程中對主體結(jié)構(gòu)分兩階段進(jìn)行沉降觀測。第一階段為當(dāng)主體結(jié)構(gòu)施工到第7層時(shí)，累計(jì)的最大沉降量為14 mm；第二階段為當(dāng)主體結(jié)構(gòu)封頂時(shí)累計(jì)最大沉降量為18 mm，且兩次最大沉降量均處于同一個(gè)觀測點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主體結(jié)構(gòu)封頂時(shí)沉降量一般為結(jié)構(gòu)最終沉降量的80%左右，由此預(yù)估主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定沉降量為22.5 mm，其值遠(yuǎn)小于規(guī)范限值200 mm，因此結(jié)構(gòu)沉降符合規(guī)范要求。

6 結(jié)語

1)CFG樁復(fù)合地基在控制變形、改善地基承載力方面的原理主要體現(xiàn)在樁體的置換和排水作用、褥墊層的均化作用和土體的擠密加強(qiáng)四方面。其中，合理地設(shè)計(jì)褥墊層至關(guān)重要。

2)CFG樁復(fù)合地基適用性強(qiáng)，可應(yīng)用于多種軟弱或相對軟弱土層中，同時(shí)能根據(jù)地質(zhì)情況靈活選用樁型、樁長、樁徑，擁有地基承載力提高幅度大、變形量小、工期短、工程投資成本低的優(yōu)點(diǎn)。

3)CFG樁復(fù)合地基在高層建筑中的成功應(yīng)用，既保證了工程質(zhì)量又贏得了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，為今后同類工程的設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。