CFG樁復合地基在高層建筑地基處理中的應用

魏 亞

上海張江科技園平湖聯合發展有限公司 上海 201203

城市高層建筑經常需要進行地基處理，CFG樁復合地基則在各種地基處理方法中脫穎而出并被廣泛使用。CFG樁復合地基技術是上世紀八十年代被科研團隊研發出來的新型地基處理技術[1]，并于上世紀九十年代末得到了進一步的發展，施工工藝得以改善，成為我國各工程中重要的地基處理技術[2][3]。由于CFG樁復合地基技術有著在相對較低造價的同時能大幅提高地基承載力、可適用范圍廣等特點[4]，在眾多地基處理方法中一直處著重要的地位，被廣為使用，因此CFG樁復合地基在當下仍是工程界重要的研究領域。

1 CFG樁地基處理在本工程中應用

1.1 項目概況

項目占地230畝，總建筑面積40.7萬m2，涵蓋高層住宅、多層住宅、低層住宅。項目3號樓建筑尺寸長X寬：43.2m×16.05m，主體為剪力墻結構，總樓層數為26層，采用CFG樁復合地基技術對地基進行處理。本文以該住宅樓為例，對CFG樁復合地基在高層建筑工程中的實踐應用進行分析。

1.2 工程地質情況

本項目3#樓建筑底面尺寸為43.20m×16.05m，基礎埋深為-5.9m，基底壓力為447kPa。根據地質參數（詳見表1），基礎底面標高位于第三層土，根據表1，三層土為粉質粘土，承載力相對較弱，天然地基無法滿足建筑的需求，因此本工程需要對地基進行處理。根據設計所提供的方案以及現場施工的便捷性，地基處理方案擬用CFG樁復合地基。

表1 地質參數

1.3 地基處理注意事項

本文根據項目具體實施情況，對CFG樁施工總結以下幾點注意事項：

（1）CFG樁施工時鉆機所帶出來的土應在打樁時及時清理，若事后再使用挖機等工具進行清理，很容易對CFG樁造成成品破壞，形成淺層斷樁，這不僅會給后期檢測帶來一定的麻煩，更是會費時費力去處理斷樁，影響工期；

（2）截鑿樁頭時，切記要叮囑好工人兩邊同時對鑿，很多工人不按要求兩邊對鑿，而是在一個方向開鑿樁頭，從而使得樁頭斷裂；

（3）CFG樁施工期間，應嚴格把關所用混凝土的塌落度，若塌落度太大出現離析現象，會造成堵管；若塌落度太小，混凝土流動差，也會很難正常泵送，不僅影響施工進度，也會使得樁身質量受到影響。

2 CFG樁復合地基的工作和變形機理分析

CFG 樁復合地基是由三個部分組成，組成結構包括樁體、天然土以及褥墊層(見圖1)，三者共同承擔上部結構所傳遞的荷載[5]。其中褥墊層是十分重要的組成部分，它不僅關系著CFG樁復合地基是否能夠完全的發揮其承載力，還對控制沉降起著重要的作用。與樁承臺等構件相比較，褥墊層的剛度要小很多，呈柔性，且覆蓋在土體上方，因此褥墊層能夠比樁承臺等構件更好的調整樁土應力，減小樁土應力的差異和不均勻，使得樁土更加均勻的受力，變形更加協調，有助于改善整個地基的變形[6]。

圖1 復合地基組成示意圖

根據上部荷載作用情況不同，CFG樁復合地基由開始工作到發生破壞失去作用，一共可以分為以下四個階段闡述。

第一階段，上部荷載通過褥墊層傳遞到下面的CFG樁和土體。由于樁比土的模量大[7]，在受力面積相同時，樁比土分擔的荷載多，致使CFG樁比土體下沉趨勢大，CFG樁體相對樁周土體呈現下移的趨勢，樁周土會給樁一個向上的摩擦力，以此力來抵消樁與土體之間的相對運動，樁體與土體受力平衡，變形一致，且二者能夠共同受力。

當荷載繼續增大，樁體與土體變形進入下一個階段。在豎向荷載的作用下，褥墊層開始下沉，土體的變形加大，而樁體在此時的變形則要比土體小很多。與第一階段不同，此時樁體相對于樁周土上移，土體對樁會從樁頂開始在一定范圍出現與第一階段方向相反的摩擦力，在向上與向下的摩擦力共同影響下，樁長的某個位置將出現摩擦力為零的中性點。同時，隨著褥墊層的下沉，CFG樁樁頂將相對上移進入褥墊層。隨著荷載的增大，褥墊層下沉量繼續增大，中性點即摩擦力為零處的位置將沿樁長方向持續下移，并且中性點以下的正摩擦力（方向向上）持續增加，最后逐步邁入極限值[8]。

當超過極限值，樁體與土體變形進入第三階段，此階段樁周土的摩擦阻力全部發揮完畢，樁端阻力發揮其作用，下臥層為CFG樁發揮端阻力的持力層。

當上部豎向荷載進一步增加，CFG樁底部應力也隨著荷載進一步增加，最終樁端會在某一時刻刺入下臥層。在此刻，樁體頂部刺入褥墊層，樁體底部刺入下臥層，CFG復合地基的受力狀態已幾乎達到極限。在此極限狀態下，若再持續加大荷載，樁體與土體變形進入最后一個階段。此時由于CFG樁的剛度比較大，樁體本身受荷載作用而產生的壓縮量已可以忽略不計，不會再有明顯的變形，而土體和褥墊層依舊會產生下沉，從而使得樁體繼續刺入上部褥墊層與下部持力層，直到發生刺入破壞[9]。此時CFG樁復合地基結構發生破壞，結構不再安全[10]。

3 CFG樁地基處理設計

3.1 地基處理設計思路

本項目3#住宅樓基礎埋深為-5.9m，根據地勘所提供地質參數，基礎所在天然持力層為第三層，持力層土體的性質和承載力詳見表1，求得承載力的修正值為203 kPa，而基底壓力為447kPa，承載力遠遠小于基底壓力，無法滿足規范和使用要求，因此本工程要進行地基處理。CFG復合地基設計過程如下：

3.2 CFG樁設計

（1）在設計階段，單樁豎向承載力按照式3-1估算：

式中，樁徑由設計人員根據實際情況綜合考慮而定，樁身周長up和樁截面面積Ap根據所取樁徑求出，樁端端阻力發揮系數αp取值為1.0，各層土的側阻特征值qsi、各層土厚度Lsi以及樁端端阻力特征值qp根據工程地勘所提供的參數依據取值，若地勘所給側阻力和端阻力為標準應，則應轉化為特征值，特征值為標準值的一半。

根據式3-1可以得出，單樁豎向承載力特征值Ra=800kN（取整）。

（2）復合地基的承載力特征值的計算：

式中，天然土承載力修正值fsk取值為203kPa，單樁承載力發揮系數λ取值為0.80，樁間天然土強度發揮系數β取值為0.90，面積置換率m由式3-3求得：

根據式3-2和式3-3求得fspk=450kpa（取整）。

（3）因復合地基對上部荷載的傳遞路徑與天然地基有所區別，偏于安全考慮，CFG復合地基與天然地基的修正系數取值也有所不同，復合地基承載力修正見下式：

式中，基礎底面以上土的加權平均重度γm取值為18kN/m3；0表示未進行寬度修正，1.0為深度修正系數，埋深d的取值為2.5m。

根據式3-4求得修正后復合地基的承載力特征值fspa=486kpa。

（4）修正以后，樁身強度還應滿足下式：

本工程樁身等級fcu為C25>21.6，滿足設計和規范要求

3.3 沉降量驗算

基礎的總沉降量s由樁長范圍土層的壓縮量s1、下臥層的壓縮量s2、褥墊層的壓縮量s3這三部分組成[11]。因此變形量可按下式：

計算中，可以將復合土層看作為天然土層進行分層，此時需要對復合土層的模量進行等價變換，模量變換示意圖詳見圖2，因褥墊層的變形非常小，因此可以忽略不計，地基變形公式化為式3-7。

圖2 復合地基中各土層的復合模量示意圖

式中，ψs為修正系數，取值為0.2，n1和n2如圖2所示，P0為準永久組合下的基礎底面附加應力，Zi和Zi-1為所對應土層到基礎底面的豎向距離，αi和αi-1可根據規范查得。

根據式3-4求得最終沉降量s=44.23mm。

4 樁檢測和建筑物沉降觀測

4.1 樁檢測

本工程一共有318根CFG樁，其中進行了樁身完整性的檢測的CFG樁有66根，檢測方法為低應變法。所檢測樁數占CFG樁總數的20.8%。檢測結果59根為Ⅰ類樁，占比89.4%；7根為Ⅱ類樁，占比10.6%；Ⅲ樁和Ⅳ樁皆為0根，因此3號樓的樁身施工質量和成型效果良好，滿足設計和規范的要求[12]。

對于樁身承載力，以隨機檢測的其中一個CFG樁為例，樁編號為S1#，樁長為22m，其Q-s載荷曲線圖如圖3，從圖中可知，荷載加載最大值為1890KN，本工程基礎施工圖設計說明中單樁豎向承載力特征值為800KN，現場所測值大于設計值，滿足要求。

圖3 Q-s曲線

4.2 沉降觀測

本工程的沉降觀測一共分為五個階段，施工期間上部荷載每增加20%時為一個階段，即施工到第5層為第一階段，第10層為第二階段，依次類推，直到封頂時為最后一個階段。本工程3號樓暫未封頂，暫有沉降觀測數據如下表：

表2 沉降觀測值

根據所測沉降值以及沉降速度，綜合設計所給沉降量計算值，3號樓最終沉降量將遠小于規范所要求200mm，因此3號住宅樓的沉降滿足規范要求。

5 結論

本文根據工程設計與施工實例，對CFG復合地基的應用進行了分析介紹了地基處理的設計思路和設計結果，并給出了CFG樁成品包括樁身完整性、單樁豎向承載力的檢測結果，介紹了沉降量的與實測沉降量等。通過對設計結果與施工成品的檢測結果對比分析，認為高層住宅建筑采用CFG復合地基的地基處理方式效果良好，能夠保證建筑結構的安全性。并根據施工工況，圍繞CFG樁施工工藝和CFG樁成品質量提出幾點注意事項。期望本文可以為相關工程的作業提供一定的參考和借鑒意義。