高層住宅CFG樁復合地基應用實例

摘要：高層建筑需要有強大的承載力，并滿足嚴格的沉降要求。CFG樁可以依靠在地基中設置樁頂和筏板之間的墊層，來控制沉降。闡述CFG樁復合地基的應用優(yōu)勢，探討了CFG樁復合地基施工工藝和技術原理，并對高層住宅CFG樁復合地基應用實例進行了設計分析，為后續(xù)相關研究提供了參考。

關鍵詞：地基基礎;CFG樁復合地基;高層建筑;施工技術

0" "引言

隨著我國城市高層建筑數量迅速增加，隨之而來的問題也越來越多，比如地基的穩(wěn)定問題，因此采取合適的地基處理十分重要[1]。近年來，CFG因樁承載力強而得到了越來越多的運用[2]。本文對高層住宅CFG樁復合地基應用實例進行了分析，探討了CFG樁復合地基施工工藝和技術原理，可為后續(xù)相關研究提供了參考。

1" "工程概況及地質條件

某高層建筑共有15棟住宅樓，每層樓有17層，設有3層地下室。場地地下水類型為潛水，水位埋深2.0～2.3m，季節(jié)變化范圍約1.0m。為滿足建筑物的承載力和沉降要求，采用CFG樁，樁徑為400mm，樁間距為1600mm，混凝土標號為C25。地下室和樁之間的墊層厚度為200mm。每個樓層和地下室的荷載約為15kPa。

該區(qū)域的地下含水量來源主要來自于降水和河流徑流補給，水量減少途徑主要在地表的水汽蒸發(fā)、居民用水等。原位土自上而下的順序為①粘土粉土、②砂質粉土、③粉細砂、④粉質粘土、⑤細中砂和⑥粉質粘土，土壤物理力學參數如表1所示。

2" "筏板基礎設計

筏板基礎是將梁與梁下的基礎相連，再將筏板整體進行澆筑，使底板和橫梁共同組成一個整體[3]。若建筑物荷載太大，以至于地基不足以承受這些負載時，通常使用混凝土澆筑底板形成筏板基礎來承受更大的荷載，這樣可以更好地防止基礎不均勻沉降[4]。筏板基礎有平板式和梁板式，如圖1所示。

筏板厚度的選擇影響著地基的承載能力[5]，需要根據相應的抗剪要求來進行計算選擇。對于帶肋的筏板基礎，其長度一般需要大于底板最小跨度的5%，且大于300mm。平板筏的厚度最小可取400mm。高層建筑物載荷較大，可以使用較厚的筏板基礎。本住宅的筏板厚度取0.7m。

3" CFG樁復合地基變形的計算

CFG樁（土體中的豎向加筋層）和土體組成的復合地基的變形，可分為加固區(qū)變形、S1變形和下臥層變形S2。對于加固區(qū)，豎向鋼筋（即CFG樁）和天 然地基被認為是一個統一的整體，而復合地基的壓縮模量是用來計算變形的[6]。對于基礎層，利用自然地基的壓縮模量來計算變形。根據規(guī)范，CFG樁復合地基的最終變形表達式為：

（1）

式中：

ψ——沉降計算的經驗系數，通常在0.2～1.0之間;

n1——加固區(qū)的土壤層數;

n2——沉降計算深度范圍內的土壤總層數;

n0——地下室底部的附加壓力，kPa;

ξ——復合土層壓縮模量的增大系數，即復合地基承載力特征值與天然地基承載力的比值;

Esi——地下室第i土層的壓縮模量，MPa;

Zi、Zi-1——地下室底部與第i土層底部之間的距離;

αi、αi-1——地下室底部計算點與第i土層底面之間的平均附加應力系數。

上述土壤應力計算基于各向同性均勻線性變形理論。該理論未考慮土壤的非線性特性、應力路徑對土壤應變的影響以及回彈-再壓縮變形[7]。此外，該理論沒有考慮三維空間的影響，因此沒有反映相鄰區(qū)域的大荷載對土壤應力-應變特性的影響。在理論計算中，不能考慮上部結構在上部荷載作用下與地基土的協同作用。

4" "CFG樁復合地基沉降分析

4.1" "嵌入式樁單元

埋入式樁單元是一種不參與土壤網格劃分的一維（1D）梁單元，可以設置在土壤網格中任何方向的任何位置，虛擬節(jié)點可以沿著樁體生成。十節(jié)點四面體單元內的嵌入樁如圖2所示。

嵌入樁通過嵌入的界面元素與周圍土壤相互作用，采用底部彈簧單元模擬樁端承載力，通過樁和土壤的相對位移，確定樁的橫向摩擦力和端力。樁皮處嵌入界面元素的剛度如圖3所示。由于嵌入樁單元不影響土網格的生成，與實體樁模擬相比，模型的整體單元數顯著減少，有助于提高計算效率，快速生成樁的位移和內力。

4.2" "數值模擬分析

為了進一步CFG樁復合地基的適用性，利用數值模擬軟件對建筑物進行分析。將整個筏板用作建筑群的基礎，采用CFG樁加固高層基礎，地下室采用天然地基。考慮到上部結構剛度對筏板沉降的影響，利用板坯單元建立上部結構的模型，并將每層樓板施加15 kPa的樓板荷載。地下車庫的屋頂荷載為90 kPa。模型總體尺寸為50m×100m×20m，包括73437個10節(jié)點四面體單元和162202個節(jié)點，其中板單元41675個，梁單元450個，界面單元1698個。高層建筑地基加固三維模型如圖4所示。

地下室梁、柱單元的參數如下：彈性模量E=3×107kPa，截面積A=0.36m2，慣性矩=0.01m4。板單元的模型參數為：高層結構基礎筏板厚度為0.7m，E=3.25×107kPa。上部結構模型參數如下：上部結構壁厚d=0.3m，底板厚度d=0.2m，底板彈性模量E=3×107kPa。復合地基參數為：彈性模量E1=1×104 kPa，E2=1.2×105 kPa。

施工過程模擬如下：①初始應力場計算;②基坑開挖;③采用等效處理法施工CFG樁;④考慮地下室頂板臨時荷載的地下室施工;⑤通過在每層施加荷載來建造上部結構。圖5和圖6分別為整個筏板的沉降云圖和高層建筑筏板中心部分的沉降分布。

通過CFG樁加固后，該項目高層住宅樓的沉降控制在40mm以內，筏板的最大沉降為40.1mm，最大差異沉降約為0.5%，低于差異沉降控制值2%。由此表明，采用CGF樁加固高層建筑地基，可有效控制沉降，滿足沉降控制要求。

圖7和圖8分別為整個筏板的彎矩云圖和高層建筑筏板中心截面的彎矩分布。由圖7和圖8可以看出，高層建筑整個筏板的彎矩分布是均勻的，正彎矩和負彎矩的極值在610.2kN·m和-262.5kN·m。由此表明，筏板的合理內力，可以通過提出的地基處理方法獲得。這對于筏板設計更為經濟，其數值計算結果為筏板結構內力計算提供了參考。

5" "結語

本文利用三維有限元法研究了CFG樁復合地基對高層住宅沉降控制的影響。根據分析，可以得出以下結論：

在樁和筏板之間設置墊層后，可以有效地調整筏板的內力，減小其彎矩極值。然而，當樁的強度和剛度較高時，樁頂和樁底的大變形會增加筏板的整體沉降。采用CFG樁加固地基，可以很好地控制沉降。CFG樁筏板的軸向力和彎矩明顯低于鉆孔樁。本文對高層住宅CFG樁復合地基應用實例的分析設計，可為后續(xù)相關的研究提供了基礎。

參考文獻

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