CFG樁復合地基在高層建筑地基處理中的應用

劉君，侯學周

（中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

近些年，隨著基礎設施建設和城市化進程的快速發展（尹麗軍等，2021）。城市中出現了較多大型、高層地標性建筑。許多高層建筑受城市用地的限制不得不建造在承載力低、土質較差的軟弱土層中，因此城市高層建筑的地基往往需要進行處理（馬震等，2019；林良俊等，2020；閻浩等，2020）。CFG樁復合地基技術開始受到重視。CFG樁復合地基技術是由中國建筑科學研究院地基研究所20世紀80年代末研制成的新型天然地基加固手段（莫學芬等，2020）。其于1994年被列為建設部的全國重點發展項目，1997年被列為國家級工法，并制定了中國建筑科學研究院企業標準。為使CFG樁的施工技術得以改善，1997年由國家投資立項研制開發了長螺旋鉆機施工工藝（辛軍霞等，2016；林智勇，2021），并被列入“九五”全國重點攻關項目。CFG樁復合地基技術憑借適用范圍廣、造價低及可大幅度提高地基承載力等優點在眾多的地理處理方法中被廣泛應用（羅友弟，2019；牟洋洋等，2019）。本文結合某高層建筑工程實例，利用CFG復合地基處理該高層建筑的地基，有助于解決高層地基的加固功能，CFG 樁可以有效提高高層建筑地基的承載能力，減小了地基沉降（付士峰和戎賢，2019），并且對土體有一定擠密作用，在消除濕陷性上起到良好的效果，本文的研究方法可類似項目提供借鑒意義。

1 工程概況

某四星級酒店主樓高度為106 m，共計26層，其中地下2層、地上24層，主體建筑為剪力墻結構，基礎為筏板基礎。建筑底面尺寸為45 m×20 m，基礎埋深為140 m，基底壓力為480 kPa。根據地質勘探報告可知，其地層分布及物理力學參數如表1所示。

表1 地層分布及物理力學參數

其中結構持力層7層和8層的承載力分別為210 kPa、160 kPa。對其地基持力層進行強度驗算可知，其基底壓力大于承載力修正值（JGJ 106-2014，中華人民共和國住房和城鄉建設部，2014），天然地基無法滿足建筑穩定性要求，需對其進行處理。根據現場設計方案和現場施工組織設計，充分考慮環保、造價和工期等條件，擬采用CFG樁復合地基的處理方案。

CFG樁是一種新型樁體，與樁基礎相比，由于CFG樁樁體材料可以摻入工業廢料粉煤灰、不配筋以及充分發揮樁間土的承載能力（羅云海，2019；劉伍，2019），工程造價一般為樁基的1/3～1/2。CFG樁復合地基施工工藝簡單，可全樁長發揮側阻力，樁越長承載力提高幅度越大，并具有良好的端阻效應。施工周期短，按兩臺設備計算，一般兩周即可完成，檢測一周完成。其經濟效益和社會效益非常顯著。

2 CFG樁復合地基設計

CFG樁是一種高粘結強度的剛性樁，樁身強度等級一般為C15～C30。通過砂石褥墊層、樁等的作用，復合地基隨之形成，以置換作用作為加固機理（韓永強和朱雪珂，2018；胡瑾等，2019）。進行復合地基方案設計時，需確定其預估地基沉降、樁身強度、群樁和驗算承載力等計算（張樹明等，2019）。

設定CFG樁采用滿堂鋪設的方式，其樁間距為1.35 m，入土深度為28.0 m，直徑d為40 cm。樁端端阻力發揮系數αp、樁間土承載力發揮系數β和單樁承載力發揮系數λ分別為1.0、0.9和0.85。CFG樁進入第12層粉質粘土的深度大于0.50 m。根據文獻（鄧日海和肖玉明，2016），單樁豎向承載力特征值Ra可由公式（1）求得

公式（1）中：Ap和up分別是樁的橫截面積和周長，單位分別是平方米（m2）和米（m）。以20號樁為例，其有效樁長為19.8 m。qsi是各土層的樁側阻力的特征值，單位為kPa，lsi是各土層的平均厚度，單位為米（m），αp是樁端阻力發揮系數，單位無量綱。Qp是樁端阻力特征值，單位為kPa。

根據文獻（葛忻聲和甄正，2017），面積置換率m可由式（2）求得，

公式（2）中，d和de分別為樁徑和單根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，d和de的單位為米（m）。本工程CFG樁的布樁方式為正方形，其樁中心距為s=1.35 m，可知其de=1.13s。

復合地基承載力特征值fspk可由式（3）求得

公式（3）中：fsk是地基承載力特征值，單位是kPa。m為面積置換率，單位無量綱。Ap是樁的橫截面積，單位為平方米。β、λ為樁間土承載力發揮系數、單樁承載力發揮系數，單位無量綱。在對復合地基承載力進行基礎埋深的深度修正時，樁身強度fcu應滿足式（4）：

Ap是樁的橫截面積，單位為平方米。λ為單樁承載力發揮系數，單位無量綱。Ra為單樁豎向承載力特征值，單位是kN。其中對應的為C30設計時樁身強度fcu按C30考慮，樁身混凝土強度可以滿足規范要求。

3 CFG樁復合地基施工工藝

與其他類型的樁基相比，CFG樁的特點為利用工業廢料粉煤灰代替了部分混凝土以提高混合料的技術性能（殷志強等，2018）。由于CFG樁水泥和混合料協調配合，因此粉煤灰可作為混凝土中的抑脹劑、密實劑、增塑劑、釋水劑和減水劑等復合功能的基本材料（曾華健和潘忱，2020）。在進行CFG樁配合比設計時，可根據不同的工程類型選擇不同等級的粉煤灰（張艷美等，2015；余旭和鄒燕，2015；馬永峰等，2016），表2為一般工程中常用到的3種等級的粉煤灰技術指標。

表2 不同等級的粉煤灰技術指標表/%

根據本工程特點選擇I型、Ⅱ型粉煤灰。本項目CFG樁配合比材料具體如下：CFG樁混凝土塌落度為165～200 mm，水泥選用P·O 42.5普通硅鹽水泥，細集料選用4.9～27.0 mm連續級配碎石，粉煤灰為某火電廠提供的Ⅱ級粉煤灰，水為飲用水。

CFG樁施工工藝流程如圖1所示。

圖1 CFG樁施工工藝

4 CFG樁復合地基施工檢測

為了對施工質量進行檢測，本工程對施工完成的CFG樁身質量進行了檢測。靜載試驗方案圖如圖2所示，該靜力載荷測試儀由堆載、次梁、主梁、支墩、鋼板、位移傳感器和千斤頂等裝置組成。

圖2 載荷試驗布置圖

其中沉降量和荷載分別由位移傳感器和負荷傳感器進行測量。在進行樁身檢測時，需要將CFG樁樁頭的浮漿鑿除，并對樁頭進行平整。選擇樁中心處為激振點，位移傳感器布置的位置為樁頭上距樁中心1/3直徑處，檢測過程嚴格按照《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106-2014，中華人民共和國住房和城鄉建設部，2014）。圖3和圖4分別為低應變法現場檢測示意圖和樁身完整性檢測結果。

圖3 低應變法現場檢測示意圖

圖4 樁身完整性檢測結果

本工程CFG樁共計540根，其中進行利用低應變法檢測的CFG樁位110根，Ⅰ類樁和Ⅱ類樁的數量分別為25根和85根。以編號340號樁為例，通過對隨機 CFG樁試驗得出的結果，整理得出的樁的Q-s載荷曲線如圖5(a)所示。其加載10級，最大加載量為1500 kN，卸載4級，累計時間為1700 min，最大沉降量為9.89 mm，最大回彈量為2.59 mm，其具體試驗結果如圖5所示。

圖5 340號樁單樁檢測曲線

綜合分析本次加載試驗結果可知，CFG樁復合加固地基效果較好，其沉降-壓力曲線較為光滑平順，場地復合地基承載力特征值為490 kPa，大于設計值，滿足規范和設計要求。

5 結語

該四星級酒店主樓主體建筑為剪力墻結構，采用CFG樁復合地基進行了地基加固處理。本文詳細介紹了CFG樁復合地基的設計方法、設計步驟和施工檢測。目前該工程已施工完成，根據現場施工結果可知，CFG樁復合地基存在如下特點：CFG樁復合地基在保證施工質量的前提下，可令地基土體的強度潛能得到顯著發揮，承載力隨之得到明顯提升；本項目地基處理面積較大，CFG樁共計540根，利用CFG樁無需鋼筋籠骨架，而且粉煤灰可取代混凝土中一部分的抑脹劑、密實劑、增塑劑、釋水劑和減水劑等復合功能的基本材料，可大幅度降低工程造價。