CFG樁復合地基設計及其在高層建筑中的應用

陳 志 軍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

1 概述

隨著民用建筑、軌道交通等領域的快速發展，復合地基以其力學、經濟成本等方面獨特的優勢得到越來越廣泛的應用。CFG樁(即水泥粉煤灰碎石樁)復合地基[1]是一種由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水攪拌然后用各種成樁機械在地基中制成的高粘結強度(強度等級一般為C10～C30)樁，它和樁間土、褥墊層共同工作形成復合地基。CFG樁復合地基屬于地基處理的一種，由于它能充分發揮樁間土的承載作用，將上部結構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、高速路基等領域，CFG樁復合地基常用于填土、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域。

2 CFG樁復合地基工作機理和破壞形態

2.1 工作機理

與一般的樁基明顯不同，CFG樁復合地基由樁體、樁間土和褥墊層三部分構成(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作用四方面來達到提高地基承載力和減小沉降的目的。

經處理后的CFG樁復合地基，上部結構的基礎通過褥墊層與復合地基連接，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，當剛性基礎變形量相等時，地基中的應力按材料模量進行分配，則樁頂產生的應力大于樁間土表面的應力，樁體承擔了大部分的荷載，同時樁將承受的荷載向深層土傳遞又進一步減小了樁間土表面的應力。由于樁的作用，使得復合地基承載力高于原有地基，地基沉降量比原有地基小，當樁體剛度或樁長逐漸增大時，此種效應更為顯著，但當樁體混凝土強度等級過大時對提高復合地基承載力效率會降低，因此在設計復合地基時，樁體混凝土等級不宜取得過高。

CFG樁復合地基設計中，褥墊層的設計尤為關鍵，因為它決定了復合地基承載力能否充分發揮及沉降控制的效果。復合地基在受荷后樁體可在褥墊層內上、下刺入，由于墊層材料的流動補償性，確保了在任一荷載作用下樁間土、樁體均能協同工作且兩者承擔的荷載始終處在一個近似平衡狀態，地基中的接觸應力和豎向應力也得到了調整，這既改善了地基的變形狀況，又大大提高了復合地基的承載力。此外，褥墊層的重要性還體現在：基礎底面的局部應力集中現象可通過設置合適的褥墊層厚度加以弱化；可不斷調整樁、樁間土共同工作過程中承擔荷載的比例，使其能最大程度的發揮作用。工程經驗表明，在合理的技術條件下，褥墊層厚度取15 cm～30 cm時地基處理可取得較好的效果，較大樁體直徑或樁距對應較大的褥墊層厚度。

在砂土、飽和粉土中進行CFG樁施工時，由于施工機械的振動效應，土體會產生超孔隙水壓力，已澆筑成型的CFG樁可作為一個豎向排水通道，孔隙水沿該通道向上排至地面，此過程一直持續到樁體結硬為止。樁體的排水作用不僅不會影響樁體的強度，反而大大提高了樁間土的密實度。

CFG樁復合地基土體的擠密效應主要表現為在成樁過程中，樁體的水泥、粉煤灰發生水化反應時會不斷吸收周圍土體內的水分，同時釋放的熱量使土體發熱、膨脹，達到擠密的效果。土體的擠密作用不僅提高了地基承載力，對土體的抗剪強度也有很大的改善作用。

2.2 破壞形態

復合地基的破壞形式與多種因素有關，如上部結構的基礎形式、受荷方式、增強體材料的特性、復合地基自身結構類型等。CFG樁復合地基屬于剛性樁復合地基，在豎向荷載作用下，由于樁體剛度較大，根據受力特性，破壞形態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面破壞四種(見圖2)。

在豎向荷載作用下，當樁體與樁間土剛度存在明顯差異時，樁體向上刺入且承擔的荷載越來越大直至達到極限受壓承載力而破壞，在此過程中內力不斷進行重分布，荷載逐漸轉移給樁間土，直至樁間土不能繼續承擔或發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生在當樁間土不能對樁體提供足夠的側壓時所形成的一種破壞形態(如圖2b)所示)；沿豎向受荷時，復合地基易形成塑性流動區，當荷載較大時，樁體和樁間土易出現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，復合地基出現沿滑動面破壞(如圖2d)所示)，此時樁體、樁間土均發生剪切破壞而使復合地基失去繼續承載的能力。

3 CFG樁復合地基的優越性

與一般樁基礎的噪聲大、施工流程復雜等缺點不同，CFG樁復合地基施工工藝簡單、環境污染小，此外尚有以下3點優越性：

1)可適用性強，承載力提高幅度大。CFG樁復合地基可用于粉土、砂土、黏性土等地質條件，根據各土層情況選用合適的樁徑、樁長、施工方法，處理之后復合地基承載力可達原地基承載力的2倍～5倍。此外，有研究表明[3]，當地基土下有深、淺兩個樁端持力層時，采用長短樁型結合的布樁形式，可確保復合地基安全、經濟、合理。

2)復合地基變形量小。CFG樁復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域，加上樁體自身剛度及對周圍土體的擠密作用使得復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、石屑等是火電廠產生的大量排出物，其合理的利用既減少了環境污染又充分利用了資源，綜合而言降低了工程造價。

4 CFG樁復合地基設計

4.1 承載力計算

根據《建筑地基處理技術規范》[4]，單樁豎向承載力特征值應通過現場靜載荷試驗確定，初步設計可按式(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層土的側阻力特征值,kPa，可按地區經驗確定；lpi為樁長范圍內第i層土的厚度，kPa；αp為樁端端阻力發揮系數，可取0.4～0.6，也可按地區經驗確定；qp為樁端端阻力特征值，kPa，可按地區經驗確定；Ap為樁的截面面積,m2。

復合地基承載力特征值按式(2)計算：

(2)

為保證樁身不早于土體破壞，則由樁身材料強度確定的單樁承載力(見式(3))應不小于按樁周巖土參數確定的單樁承載力(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齡期抗壓強度平均值，kPa；η為樁身強度折減系數，取值范圍0.20～0.25，濕法取大值。

因復合地基僅在一定范圍內進行，其基礎的傳力路徑與天然地基有所不同。當需對復合地基進行深度和寬度修正時，偏于安全，寬度可不進行修正，深度修正系數取1.0，此時復合地基承載力按式(4)計算：

fspa=fspk+0+1.0×γm×(d-0.5)

(4)

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

復合地基增強體樁身強度應滿足式(5)的要求；當按式(4)進行深度修正時，需滿足式(6)的要求：

(5)

(6)

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

4.2 沉降計算

CFG樁復合地基變形的計算應符合《建筑地基基礎設計規范》[5]的相關規定，按式(7)進行變形計算。復合地基沉降計算時其土層劃分方法可與天然地基沉降計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)所示的相互關系。

(7)

(8)

5 工程實例

5.1 工程概況

某居住小區位于河南省汝州市，項目由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，室內外高差0.3 m，住宅樓范圍采用筏板基礎，純地下室為柱下獨立基礎，項目平面布置見圖3，地下室外墻以外為大面積自然填土。

根據現場勘察及實驗室土工試驗等成果報告，本工程在勘探深度范圍內由頂層依次向下土層劃分及各土層主要巖土工程參數如表1所示。

表1 各土層主要巖土工程參數

5.2 復合地基設計

由工程地質剖面圖得知，各住宅樓基礎設計時可不考慮水浮力作用，基礎埋置深度約6.6 m，主樓筏板基礎底標高所在土層為③粉質黏土，該土層為中壓縮性土，承載力特征值不高，以③土層作為筏板基礎持力層不能滿足上部結構對基底壓力375 kPa(標準值)的要求。地勘報告推薦基礎形式為樁筏基礎和剛性樁復合地基，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，兩種基礎方案樁端持力層均為⑦粉質黏土，樁長均為13.5 m左右。根據經驗，結合施工工期、經濟性等指標綜合分析，采用剛性樁復合地基方案最優。

以4號樓為例進行地基處理設計。4號樓筏板基礎厚度為1.1 m，混凝土強度等級為C35，其四周臨近地下室外墻一側為天然填土、其余三側為單層地下室車庫，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埋深可取2.8 m，經CFG樁處理后復合地基承載力特征值為：

fspk=375-1.0×18×(2.8-0.5)=333.6 kPa。

根據本文4.1節式(1)～式(6)及復合地基理論，經計算確定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。經合理的CFG樁、筏板設計，處理后地基承載力約為處理前天然地基承載力的2.4倍，其承載力特征值達到380 kPa，滿足了上部結構對基底壓力的需求。通過沉降計算，復合地基最終變形量為16.58 mm，滿足規范對變形控制的要求。

5.3 經濟性對比

為研究CFG樁復合地基和樁筏基礎在經濟性、施工工期等方面的差異，對4號樓進行了樁筏基礎的設計。同時為研究該項差異是否受灌注樁直徑的影響，根據各勘孔土層分布及樁側阻力、樁端阻力等參數，對樁筏基礎分別采用直徑600 mm,800 mm,1 000 mm三種方案的長螺旋鉆孔灌注樁進行了設計，其中樁身、筏板混凝土強度等級均為C35，筏板厚度1 100 mm，CFG樁復合地基與各樁筏基礎指標對比情況見表2。

表2 CFG樁復合地基與各樁筏基礎指標對比

根據表2可知，采用CFG樁復合地基方案基礎造價最低、施工工期最短；樁筏基礎采用的灌注樁直徑越小越有優勢，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樁復合地基方案可分別節約造價約12.6%，41.9%，54.1%，可分別縮短工期22.7%，34.6%，29.2%。

5.4 樁基檢測及基礎沉降結果

CFG樁施工完成后，樁基檢測單位對4號樓的CFG樁采用低應變法進行了樁身完整性檢測[7]，檢測樁數為48根，占總樁數的20.5%。采用時域方法分析確定平均波速為3 778.8 m/s，結合實測信號曲線和時域信號特征判定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樁質量效果良好，達到了設計要求。

施工過程中對主體結構分兩階段進行沉降觀測。第一階段為當主體結構施工到第7層時，累計的最大沉降量為14 mm；第二階段為當主體結構封頂時累計最大沉降量為18 mm，且兩次最大沉降量均處于同一個觀測點。根據經驗，主體結構封頂時沉降量一般為結構最終沉降量的80%左右，由此預估主體結構穩定沉降量為22.5 mm，其值遠小于規范限值200 mm，因此結構沉降符合規范要求。

6 結語

1)CFG樁復合地基在控制變形、改善地基承載力方面的原理主要體現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四方面。其中，合理地設計褥墊層至關重要。

2)CFG樁復合地基適用性強，可應用于多種軟弱或相對軟弱土層中，同時能根據地質情況靈活選用樁型、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點。

3)CFG樁復合地基在高層建筑中的成功應用，既保證了工程質量又贏得了社會經濟效益，為今后同類工程的設計提供了寶貴經驗。