某框架結(jié)構(gòu)工程獨立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基設(shè)計

慶彥營，楊敬堂，閻榮雷，王曉杰

1.河南省朝陽建筑設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450000

2.鄭州經(jīng)開投資發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450000

常規(guī)的CFG樁復(fù)合地基較多用于筏板基礎(chǔ)，一般按滿堂樁布置，上鋪一定厚度的褥墊層，采用一致的樁間距和統(tǒng)一的置換率，計算出固定的復(fù)合地基承載力和壓縮模量。當采用柱下獨立基礎(chǔ)時，由于基礎(chǔ)是局部的，其形狀直接影響到樁的布置形式，每個基礎(chǔ)下的CFG樁實際的置換率會有不同，應(yīng)將其與筏基設(shè)計相區(qū)分。基于此，文章結(jié)合某框架工程，研究獨立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基合理的一體化設(shè)計方式，并歸納總結(jié)其設(shè)計要點。

1 工程概況

某框架結(jié)構(gòu)公寓樓有地上9層，無地下室，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計基本地震加速度0.05g，設(shè)計地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類。基礎(chǔ)采用CFG樁復(fù)合地基+獨立基礎(chǔ)的形式。典型結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示，其最不利孔點地質(zhì)土層參數(shù)如表1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖（單位：mm）

表1 最不利孔點地質(zhì)土層參數(shù)表

2 復(fù)合地基常規(guī)計算

結(jié)合基礎(chǔ)埋深、柱底壓力及土層情況，并選取不利孔點，依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79—2012）（以下簡稱《地基處理規(guī)范》）進行復(fù)合地基承載力計算。樁端持力層選取第5層粉質(zhì)黏土，有效樁長13m，單樁豎向承載力特征值為450kN；基底標高-2.400，基底持力層為第1層土，經(jīng)驗算下臥層，以105kPa作為天然地基承載力特征值。選取不同的樁間距分別計算復(fù)合地基承載力特征值，如表2所示。

表2 不同樁間距復(fù)合地基承載力特征值

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計

考慮經(jīng)濟性，以1.2m樁間距的復(fù)合地基承載力351kPa進行獨立基礎(chǔ)面積的計算，以6軸交A軸、B軸的兩個框柱基礎(chǔ)為例，分別命名為獨立基礎(chǔ)1和獨立基礎(chǔ)2，地基荷載及常規(guī)計算結(jié)果如表3所示。

表3 地基荷載及常規(guī)計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果進行正方形獨立基礎(chǔ)及CFG樁的布置，如圖2所示，樁間距為1.2m，邊樁中心距基礎(chǔ)邊不大于0.6m，滿足復(fù)合地基預(yù)設(shè)承載力條件。

通過進一步梳理對比可以發(fā)現(xiàn)，獨立基礎(chǔ)1和獨立基礎(chǔ)2的差別較大，主要在于邊樁與基礎(chǔ)邊的距離不同。按照常規(guī)復(fù)合地基承載力計算理論，采用CFG樁平均置換率，復(fù)合地基承載力與基礎(chǔ)面積無關(guān)。然而，由于獨立基礎(chǔ)面積較小，若要嚴格按照面積置換率的要求，邊樁與基礎(chǔ)邊的距離應(yīng)為樁間距的50%，以上述獨立基礎(chǔ)1和獨立基礎(chǔ)2為例，獨立基礎(chǔ)1基礎(chǔ)四周輪廓需外擴0.05m，獨立基礎(chǔ)2需外擴0.35m，才能與實際采用的復(fù)合地基承載力相符，但是這會加大獨立基礎(chǔ)面積，造成浪費。因此，為了避免此問題，進行獨立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基計算時，應(yīng)采取以基底全面積為基數(shù)的置換率計算方式，單個獨立基礎(chǔ)下CFG樁置換率可根據(jù)下式計算：

此外，可以將《地基處理規(guī)范》中復(fù)合地基承載力特征值計算公式等代為

式中：m為CFG樁置換率；S為獨立基礎(chǔ)基底面積，m2；N為獨立基礎(chǔ)下CFG樁數(shù)；Ap為樁的截面積，m2；fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kN。

根據(jù)該方法，獨立基礎(chǔ)1和獨立基礎(chǔ)2在圖2的布置情況下的實際復(fù)合地基承載力計算結(jié)果如表4所示。

表4 實際復(fù)合地基承載力計算結(jié)果

從表4可知，實際復(fù)合地基承載力計算得出的承載力明顯大于原計算方法采用的承載力，此時采用地基與基礎(chǔ)相互關(guān)聯(lián)的一體化設(shè)計思維，反向?qū)?fù)合地基進行優(yōu)化修改。以獨立基礎(chǔ)1為例，將基礎(chǔ)底面積進行更改，復(fù)合地基承載力特征值及地基壓力變化如圖3所示。

圖3 獨立基礎(chǔ)1復(fù)合地基承載力特征值及地基反力變化

由圖3可知，在樁數(shù)不減少且保證布置在基礎(chǔ)下時，獨立基礎(chǔ)平面尺寸均能滿足地基承載力設(shè)計要求。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，進行CFG樁復(fù)合地基承載力計算時，大部分承載力由樁提供，樁間土提供的承載力占比僅為25%左右。基于此，進行CFG樁復(fù)合地基獨立基礎(chǔ)初步設(shè)計時，可以采用類似樁基礎(chǔ)和承臺的設(shè)計方式，先根據(jù)柱底壓力測算獨立基礎(chǔ)下大約需要幾根樁，然后根據(jù)樁數(shù)量確定樁間距及獨立基礎(chǔ)尺寸，考慮覆土后按前述置換率等計算方式，驗算復(fù)合地基承載力對地基尺寸進行微調(diào)，進行多次的相互驗算修正。CFG樁可布置成矩形也可以布置成梅花形，樁間距應(yīng)盡量做到均勻，基礎(chǔ)也可設(shè)計為矩形或多邊形，如圖4所示。根據(jù)此方式對獨立基礎(chǔ)1和獨立基礎(chǔ)2進行設(shè)計，確定基于承載力的獨立基礎(chǔ)及CFG樁布置如圖5所示。其中，獨立基礎(chǔ)1承載力特征值和地基反力分別為420kPa、394kPa，獨立基礎(chǔ)2分別為410kPa、400kPa。

圖4 CFG及獨立基礎(chǔ)布置方式

圖5 獨立基礎(chǔ)1及獨立基礎(chǔ)2平面圖2（單位：mm）

4 基礎(chǔ)沉降驗算

由于該工程為高層建筑，部分相鄰柱荷載相差較大，需按規(guī)范要求控制相鄰柱基沉降差，進行復(fù)合地基設(shè)計時應(yīng)同時進行變形控制。

根據(jù)《地基處理規(guī)范》，復(fù)合土層的壓縮模量=該土層原壓縮模量×壓縮模量提高系數(shù)ζ，其中系數(shù)ζ為復(fù)合地基承載力特征值與基礎(chǔ)下天然地基承載力的比值。計算得出ζ獨立基礎(chǔ)1=4.0，ζ獨立基礎(chǔ)2=3.9，沉降計算深度算至第 6層土，滿足規(guī)范變形深度計算要求，采用分層總和法進行獨立基礎(chǔ)沉降計算，結(jié)果如表5所示，滿足規(guī)范相關(guān)要求。由此可見，獨立基礎(chǔ)1和獨立基礎(chǔ)2的設(shè)計符合要求。

表5 沉降計算結(jié)果

當獨立基礎(chǔ)不滿足沉降控制要求時，應(yīng)對地基基礎(chǔ)進行調(diào)整，按變形控制進行復(fù)合地基的設(shè)計。相鄰柱底荷載相差較大時，在荷載較大的獨立基礎(chǔ)下可通過加長或加密CFG樁的布置方式，使獨立基礎(chǔ)變形量和變形差異在規(guī)范允許范圍內(nèi)。基于獨立基礎(chǔ)的特點，變形控制應(yīng)作為獨立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計的主要方式，這樣可有效提升設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性。

5 結(jié)論

通過對獨立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計的實例分析，可得出以下結(jié)論：

（1）獨立基礎(chǔ)下CFG樁置換率應(yīng)采用以基底面積為基數(shù)的計算方式，采用地基與基礎(chǔ)相互關(guān)聯(lián)的一體化設(shè)計思維，互相驗算修改，直到取得合理的結(jié)果；

（2）初步設(shè)計時可采用類似樁基承臺的設(shè)計方式確定樁數(shù)量，然后進一步進行復(fù)合地基的計算；

（3）不同獨立基礎(chǔ)下CFG樁布置時可采用梅花形、正方形、矩形、多邊形等不同的方式；

（4）優(yōu)先選用最小樁間距的布置方式；

（5）基礎(chǔ)變形控制是獨立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計的主要方式，不同的獨立基礎(chǔ)下CFG樁布置可以采用不同的樁長及樁間距。