CFG樁復合地基在高層建筑地基處理中的應用

曹陽

摘? ? 要：在城市化進程不斷加快的今天，越來越多工程被建在不良地基上，如何合理選擇地基基礎處理方法，不僅和建筑物造價密切相關，還會嚴重影響到建筑物的使用安全。CFG樁復合地基是當前地基處理應用最多的技術，將該項技術應用到高層建筑施工中，可有效提升工程質量。

關鍵詞：CFG樁;高層建筑;地基處理;應用

1? 前言

隨著社會的發展，城市中出現了越來越多的高層、超高層建筑物。由于高層建筑自重荷載大，重心高，對地基強度和變形要求很高，采用傳統的樁基礎造價過高，且樁間土的承載力得不到充分發揮，尤其是樁間土承載力較高時，顯得尤為浪費。20世紀80年代末由中國建筑科學研究院地基所研制的CFG樁復合地基技術加固效果顯著，可以充分發揮樁間土的承載力，又可顯著降低工程造價，經濟效果明顯。CFG樁具有強度高、剛度大、造價低、施工周期短等特點，既能提高地基承載力，又能很好地控制地基變形，目前在工程中已經得到了廣泛應用，取得良好的經濟效益和社會效益。

2? 某住宅項目地區工程地質特征

本工程地貌上屬于永定河沖洪積扇下部與潮白河沖積扇下部交界附近。擬建工程重要性等級為一級，場地復雜程度為中等，表層局部有堆土，地基復雜程度為中等，本工程巖土工程勘察等級為甲級。工程勘察的地層除表層分布的雜填土，400m深度范圍內均為人工填土層、新沉積層和第四季沖洪積層。由巖性、力學性質劃分為五層：第（1）層雜填土：黃雜色、稍濕、松散。最近的回填土固結度差非均質。本層厚度變化為0.30m～100m。第（2）層粘質粉土：黃褐色、稍濕、中密，含氧化鐵、云母、少量鈣質結核。結構較差。厚度變化為0.90m～2.00m。第（3）層粘土：褐黃色，局部褐灰色，很濕，可塑，含氧化鐵、少量鈣質結核。結構較差。第（4）層粉質粘土：黑灰色、飽和、呈可塑狀態，無搖振反應。稍有光澤，韌性適中。第（5）層中砂：黃雜色，很飽和，中度密集狀態，散粒結構，亞圓形、磨圓度較好，主要成分為石英、長石、可見卵石，孔隙充填粗砂，細砂和粉砂薄層，部分可見為透鏡狀，厚度為3.10m～4.70m。本項目對于沉降值的設計要求為不超過40mm，勘察報告中建議采用復合地基處理方式，根據土層地質情況確定復合地基的設計與施工參數。

3? CFG樁復合地基計算模型

FLAC3D是三維彈塑性有限元分析軟件，可模擬材料模型的物理力學相關研究，有利于對結構受力特性和彈塑性的分析。能較好地模擬材料模型的破壞、失穩以及大變形問題。該軟件可以根據設計者的需求，將模型計算區域劃分為若干六面體單元，且每個計算六面體單元都在設定的邊界條件、線性或非線性本構關系中。利用FLAC3D軟件對項目施工過程進行三維模擬，分析期間彈塑性變化均有較為顯著的優勢。

3.1? 計算模型及網格劃分

在數值模擬中，假定模型中同一種材料為均質各向同性，褥墊層、樁間土體為Drycker-Prager理想彈塑性體，承臺、樁體為均質彈性體，在豎向荷載作用下，樁與樁間土之間以及承臺與褥墊層之間沒有相對滑移，并且接觸面上的結點在受力過程中保持接觸狀態。為使模型處于完全固定狀態而在模型底部設置空間三個正交方向位移均為零，為了限制土體徑向位移，在外圍設置與水平面對應的兩個正交方向位移為零，且在外圍四個面上添加約束。復合地基計算模型的水平方向距離最外側樁體中心600m寬，豎直方向沿樁頂向下15m為模型的計算區域。按地基結構設計要求輸入設計數據，且對分析模型施加與實際情況相似的邊界約束條件，具體設置如下：

（1）位移邊界條件：復合地基數值模型的下底為全約束邊界條件，即X、Y、Z向均不能產生位移。材料模型左右為單方向約束邊界條件，即X向固定，Y向為自由邊界。材料模型頂部為自由邊界條件，X、Y向均固定。

（2）應力邊界條件：復合地基數值模型，是根據土體與樁體的力學特性進行模擬。上部基礎、樁體、褥墊層和土體之間均為硬接觸。樁體設為主面，土體為從面，切向設為罰函數。

3.2? 結果對比

由于上部荷載大，所以在一定荷載下加固面積非常大，影響的加固區面積也就很大。樁間土體沉降較大，樁測土體沉降量為最大值。隨著埋深方向沉降變形逐漸減小，持力層沉降最小。由于樁自重荷載作用，樁間土體應力均值為630kPa，最大值在基礎底部，樁體應力最大值在樁體下部，達到-1998kPa。大部分上部荷載均由樁體承擔，使復合地基承載力得到提高。應控制邊樁出現應力集中現象。角樁剪應力最大，邊樁相比較小，中間樁最小。水平剪應力方向為以角樁為中心向周圍土體擴散。由此可見，在實際施工過程中，角樁易受剪應力破壞，即它的抗剪力差。在施加上部荷載初期，土體橫截面積大于樁體，所以承擔主要荷載。褥墊層使樁體土體與上部結構緊連，共同承擔荷載。土體和褥墊層被壓實后，樁體承擔主要荷載，樁間土主要將上部荷載傳遞給樁體。在不同荷載情況模擬1號樁的樁與土分擔荷載情況。隨荷載增加，狀圖分擔比增大。荷載在80kN以下時，主要荷載由土體承擔，80kN時，荷載由兩者平均承擔。上部荷載增加，樁土分分擔比超過中心點時，主要荷載由樁體承擔。褥墊層保證兩者共同承擔荷載，且在土體傳遞荷載的時候也可幫樁體分擔部分荷載。在沿樁身深度以上0m～1m處土體從有荷載作用時就產生了負摩阻力，且在樁頂出現最大值。沿樁身深1m～10m有正摩阻力，隨深度增加側摩阻力增大，在樁底附近有最大值。且側摩阻力大小與荷載大小呈正比。在CFG樁復合地基中，樁側正摩阻力可以幫助改善基礎承載力，減少地基變形。正摩阻力可以防止樁間土體沉降，提高地基承載能力。在施加荷載初期，土體承受主要荷載，隨著樁側摩阻力的產生，主要荷載由樁體承受。側摩阻力可提高土體承載力。負摩阻力雖會使地基沉降增大，但可以提高樁土荷載分擔比，提高地基承載力。若樁間距過小，既會浪費建材，還會使土體承載力變差，加大復合地基沉降變形。所以復合地基中樁間距不能太小，也不宜過大。荷載越大，樁身彎矩最大值也越大。在沿樁身深度為7m以上時，彎矩呈正值，7m以下時，彎矩為負值。最大值位置基本不變。

4? 結論

本文通過模擬分析得出CFG 樁復合地基相比于普通樁基來說，其中產生的樁側正摩阻力可以改善基礎承載力，減少地基變形。且在設計樁時，應該選擇合適的樁長，最優的樁徑，減小樁間距，選擇合適的褥墊層模量和厚度以及適宜的樁體模量。

參考文獻：

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[2] 鄧日海，羅鐵生.CFG樁復合地基在某超高層建筑中的應用[J]建筑結構，2013（8）：92～96.