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(lián)合發(fā)展有限公司 上海 201203

城市高層建筑經(jīng)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(shù)是上世紀八十年代被科研團隊研發(fā)出來的新型地基處理技術(shù)[1]，并于上世紀九十年代末得到了進一步的發(fā)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(shù)[2][3]。由于CFG樁復合地基技術(shù)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(lǐng)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(jié)構(gòu)，總樓層數(shù)為26層，采用CFG樁復合地基技術(shù)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(zhì)情況

本項目3#樓建筑底面尺寸為43.20m×16.05m，基礎(chǔ)埋深為-5.9m，基底壓力為447kPa。根據(jù)地質(zhì)參數(shù)（詳見表1），基礎(chǔ)底面標高位于第三層土，根據(jù)表1，三層土為粉質(zhì)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(jù)設(shè)計所提供的方案以及現(xiàn)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(zhì)參數(shù)

1.3 地基處理注意事項

本文根據(jù)項目具體實施情況，對CFG樁施工總結(jié)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(guān)所用混凝土的塌落度，若塌落度太大出現(xiàn)離析現(xiàn)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(zhì)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(jié)構(gòu)包括樁體、天然土以及褥墊層(見圖1)，三者共同承擔上部結(jié)構(gòu)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(guān)系著CFG樁復合地基是否能夠完全的發(fā)揮其承載力，還對控制沉降起著重要的作用。與樁承臺等構(gòu)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(gòu)件更好的調(diào)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(xié)調(diào)，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(jù)上部荷載作用情況不同，CFG樁復合地基由開始工作到發(fā)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(xiàn)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(xù)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(xiàn)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(xiàn)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(xù)增大，中性點即摩擦力為零處的位置將沿樁長方向持續(xù)下移，并且中性點以下的正摩擦力（方向向上）持續(xù)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(fā)揮完畢，樁端阻力發(fā)揮其作用，下臥層為CFG樁發(fā)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(tài)已幾乎達到極限。在此極限狀態(tài)下，若再持續(xù)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(chǎn)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(chǎn)生下沉，從而使得樁體繼續(xù)刺入上部褥墊層與下部持力層，直到發(fā)生刺入破壞[9]。此時CFG樁復合地基結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)不再安全[10]。

3 CFG樁地基處理設(shè)計

3.1 地基處理設(shè)計思路

本項目3#住宅樓基礎(chǔ)埋深為-5.9m，根據(jù)地勘所提供地質(zhì)參數(shù)，基礎(chǔ)所在天然持力層為第三層，持力層土體的性質(zhì)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(guī)范和使用要求，因此本工程要進行地基處理。CFG復合地基設(shè)計過程如下：

3.2 CFG樁設(shè)計

（1）在設(shè)計階段，單樁豎向承載力按照式3-1估算：

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

根據(jù)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(fā)揮系數(shù)λ取值為0.80，樁間天然土強度發(fā)揮系數(shù)β取值為0.90，面積置換率m由式3-3求得：

根據(jù)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(qū)別，偏于安全考慮，CFG復合地基與天然地基的修正系數(shù)取值也有所不同，復合地基承載力修正見下式：

式中，基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)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(shù)，埋深d的取值為2.5m。

根據(jù)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(shè)計和規(guī)范要求

3.3 沉降量驗算

基礎(chǔ)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(shù)，取值為0.2，n1和n2如圖2所示，P0為準永久組合下的基礎(chǔ)底面附加應力，Zi和Zi-1為所對應土層到基礎(chǔ)底面的豎向距離，αi和αi-1可根據(jù)規(guī)范查得。

根據(jù)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(shù)占CFG樁總數(shù)的20.8%。檢測結(jié)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(zhì)量和成型效果良好，滿足設(shè)計和規(guī)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(chǔ)施工圖設(shè)計說明中單樁豎向承載力特征值為800KN，現(xiàn)場所測值大于設(shè)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(shù)據(jù)如下表：

表2 沉降觀測值

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

5 結(jié)論

本文根據(jù)工程設(shè)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(shè)計思路和設(shè)計結(jié)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(jié)果，介紹了沉降量的與實測沉降量等。通過對設(shè)計結(jié)果與施工成品的檢測結(jié)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(jié)構(gòu)的安全性。并根據(jù)施工工況，圍繞CFG樁施工工藝和CFG樁成品質(zhì)量提出幾點注意事項。期望本文可以為相關(guān)工程的作業(yè)提供一定的參考和借鑒意義。