巖溶地區CFG樁復合地基設計及試驗分析

研究CFG樁在巖溶地區的工程適用性。結合項目的工程地質條件，對CFG樁進行了詳細分析，并通過現場單樁及復合地基的載荷試驗，以及后續的基礎沉降觀測，綜合評估了CFG樁在巖溶地區地基處理的工程適應性。試驗和觀測數據表明，CFG樁地基處理技術能夠有效提升基礎的穩定性和承載力，均達到甚至超過了設計預期，同時顯著降低了工程的建造成本。

巖溶地區； CFG樁； 地基處理； 工程適應性

TU473.1+1A

工程結構工程結構

［定稿日期］2024-05-27

［作者簡介］王義（1979—），男，博士，高級工程師，一級結構工程師，主要從事建筑結構設計工作；周元（1983—），男，碩士，教授級高級工程師，一級建造師，主要從事鋼結構、建筑工業化與智能建造等工作。

0" 引言

我國巖溶地貌廣泛分布，可溶性碳酸鹽巖覆蓋了約344萬km2的區域，占到了國土面積的近三分之一。主要集中于廣東、廣西、云南、貴州、湖南、四川等多個地區。巖溶地質條件下，常見的地質現象包括溶洞、溶隙、溶溝以及斜面巖等，這些特點對工程設計與施工提出了特殊要求。特別是巖石頂面通常覆蓋的軟弱土層，對建筑物的地基穩定性構成了顯著影響［6］。因此，在巖溶地區進行基礎工程設計時，選擇合適的基礎形式尤為關鍵，不當的處理方法可能導致工程成本的增加和工期的延長，更有甚者會產生基礎沉降不均、房屋結構開裂等安全事故，為確保巖溶地區基礎工程的安全，設計時必須根據巖溶的發育程度，采取差異化的地基處理措施。針對巖溶地區的地基處理技術，已經有大量的研究工作。研究資料顯示，斜面巖的傾斜角度、樁的長度以及基礎底部完整土層的厚度是影響地基承載力的重要因素。此外，CFG（Cement Fly-ash Gravel）剛性樁復合地基技術在巖溶地區的應用也被證實是可行的解決方案之一［5］，為該地區地基處理提供了新的思路和方法。

1" 工程地質概況

本工程位于廣西壯族自治區南寧市，為地下1層地上26層的民用建筑。根據前期地質勘察資料，該場地的巖土層結構主要由第四紀全新世的人工地層①填土及耕作層、風化殘積形成的②紅黏土層，以及下伏的古生代三疊紀羅樓群系④石灰巖構成。

筏板基礎底面為紅黏土層，其狀態介于硬塑至堅硬之間，以硬塑狀態為主，土質在場地內分布均勻。該層廣泛分布于整個場地，揭露的層厚度介于1.30～31.00 m之間，平均厚度為10.86 m，其地基承載力測定為220 kPa；石灰巖層則表現為中等至微分風化狀態，巖芯采取率超過80%，巖溶現象略有發育，節理和裂隙較為發育，裂隙中充填物為白云石、方解石或泥質材料，巖體力學性質較為完整。石灰巖的飽和單軸抗壓強度介于40.9～62.7 MPa，標準強度值為48.8 MPa。所有高層鉆探孔均鉆至該石灰巖層，但未穿透，其中最大揭露厚度為10.3 m，層面標高介于72.57～116.18 m之間。

擬建場地的地質條件表明，存在溶洞發育的可能性。在石灰巖地層中，部分區域發現了溶洞，遇洞率為26.9%，線巖溶率為24.6%，表明巖溶發育程度為強烈。大部分溶洞內部呈現充填狀態，充填物為軟塑狀至可塑狀的黏性土，屬于高壓縮性土［1］。場地內巖石局部可見溶蝕坑和溶蝕凹槽等巖溶作用的跡象，巖面處常見石牙、石筍等地質構造。雖然局部溶孔和溶隙較為發育，呈破碎狀，但巖溶作用已進入晚期，發育緩慢，目前地質狀態相對穩定。

2" 地基方案選擇與確定

依據現場勘察的詳細資料，場地內紅黏土層未存在土洞現象，巖溶作用顯著，表現為溶溝和溶槽的強烈發育，以及基巖表面的較大起伏。灰巖與紅黏土之間的力學強度呈現出顯著差異，隨著深度的增加，接近基巖面的土層承載力逐漸降低，土質相應變得更加柔軟，上部土體的承載力較高，表現出硬塑性質；研究表明，在正常使用荷載的作用下，群樁的沉降主要表現為樁端以下地基的整體壓縮變形，為本次地基處理方案選型提供可靠依據。在前期樓棟施工的經驗基礎上，考慮到，若采用大直徑嵌巖樁，旋挖施工至基巖時，由于基巖表面的不平整性，將面臨鉆進難題，這可能嚴重影響工程進度。因此，在設計策略上，選擇將樁端置于基巖頂面，可效控制長期沉降，并確保在變形影響深度范圍內土層具有足夠的厚度。在本次設計中，樁徑被設定為600 mm，樁側土層的摩阻力標準值為60 kPa。在進行CFG樁的承載力計算時，依據JGJ 79-2012《建筑地基處理技術規范》7.1.6條款，僅考慮了樁側的摩擦力，樁端設計為直接承載于基巖頂面。CFG單樁的豎向承載力特征值經過精心計算，并詳細匯總于表1中。

Ra=up∑ni=1qsilpi+αpqpAp

進一步的分析采用PKPMR軟件進行，得出筏板基礎的平均基底反力標準值為364 kPa，而最大基底反力標準值達到446 kPa。基于此預估，我們采用CFG樁進行地基處理，以正方形布樁的方式，設定樁間距分別為1.35 m、1.2 m及1.5 m。經過處理后，地基的承載力特征值經過計算，旨在確保地基的穩定性和承載能力，具體計算結果展示在表2中。

3" 復合地基檢測試驗結果分析

3.1" 復合地基靜載試驗

本次研究采用慢速維持靜荷載法對復合地基進行靜載試驗，以確保測試數據的準確性和可靠性。試驗中，利用壓重平臺作為反力裝置，其總重不少于預估最大試驗荷載的1.2倍，以模擬實際工況下的壓力分布。試驗荷載分級施加，每級荷載為最大加載量的1/8，通過無線靜載試驗儀精確測定，在每級加荷后，初始讀數承壓板沉降量，隨后每半小時讀數一次，直至一小時內的沉降量小于0.1 mm，方追加下一級荷載。卸載時，每級荷載維持1 h，應按30 min、60 min測承壓板沉降量;卸載至零后，應測讀承壓板殘余沉降量，維持時間為3 h，測讀時間應為30 min、60 min、180 min。

試驗結果顯示，當試驗荷載加至780 kPa時，承壓板頂的沉降已趨于穩定，最大加載壓力已滿足設計要求的兩倍，此時終止加荷。承壓板頂的總沉降值、卸載后回彈值、及殘余沉降值均在JGJ 340-2015《建筑地基檢測技術規范》規定的允許范圍之內，壓力-沉降（p-s）曲線形態正常，卸載后的回彈率介于27.8%～39.1%之間，表明復合地基的塑性形變占比較大。承壓板頂的總沉降值、卸載后回彈值、及殘余沉降值見表3。

工程結構王義， 周元： 巖溶地區CFG樁復合地基設計及試驗分析

根據JGJ 340-2015《建筑地基檢測技術規范》標準，結合現場監測數據繪制的試驗點壓力-沉降（p-s）曲線分析表明，本次檢驗的三個復合地基試驗點所記錄的最大沉降量均符合規范的限值要求。這些p-s曲線均展現出平緩而光滑的形態，表明在加載過程中土體的變形行為是均勻且穩定的。在卸載階段，各試驗點的回彈率分別測定為27.8%、39.1%、31.8%，這一數據與增強體試驗結果相比較，揭示了復合地基在加載過程中較大的塑性變形成分。所有三個復合地基試驗點在試驗中均承受了高達780 kPa的最大試驗荷載，充分驗證了其承載能力。基于此，本次抽檢的復合地基承載力特征值被合理確定為最大加載壓力的一半，即390 kPa。這一結論得到了圖1中展示的點荷載p-s曲線的進一步支持。

3.2" 豎向增強體靜載試驗

豎向增強體靜載試驗同樣采用慢速維持靜荷載法，以壓重平臺作為反力裝置，確保試驗的安全性和穩定性。試驗中，荷載分級施加，每級荷載為預估最大試驗荷載的1/10，以實現對增強體承載性能的逐級評估。在每級荷載施加后，連續監測樁頂沉降量，直至連續兩次讀數在一小時內小于0.1 mm，視為穩定狀態。卸載過程遵循逐級等量原則，每級卸載量為加載時分級荷載的兩倍（表4）。

在本次工程樁的豎向增強體靜載試驗中，選取的216#、348#、385#三根工程樁均展現出良好的承載性能。這些增強體的最大沉降量均在JGJ340-2015《建筑地基檢測技術規范》規定的允許范圍之內，其Q-s（荷載-沉降）曲線呈現出緩變型特征，未觀測到明顯的陡降起始點，這在圖2中得到了直觀展示。在卸載階段，最后一級荷載下樁頂的回彈量顯著，分別為-0.93 mm、-0.72 mm、-0.72 mm，表明樁體在卸載后能夠恢復大部分加載引起的沉降。總回彈率分別為28.9%、45.9%、53.4%，這一數據與復合地基的計算結果相比較，顯示出增強體在加載過程中較大的彈性變形能力。 經過分析，受檢增強體的極限承載力分別確定為760 kN、960 kN、960 kN，均未達到其破壞狀態，顯示出樁體具有較高的安全儲備。因此，承載力特征值被合理設定為對應最大試驗荷載的一半，即380 kN、480 kN、480 kN。這些結果為工程設計提供了堅實的數據支持，并為類似地基條件下的工程實踐提供了寶貴的參考。

4" 沉降觀測成果分析

依據地質勘察報告及鄰近項目的相關資料，本研究采用PKPM JCCAD V4.0版軟件進行了細致的建筑物沉降位移有限元分析。模擬的沉降計算深度范圍延伸至基巖頂面，以確保分析的準確性。計算結果顯示，筏板周邊區域的沉降量為48 mm，而核心筒區域的沉降量則為77 mm。 在工程變形監測階段，我們在變形區域外圍設置了三個基準監測點，并在建筑物的主體結構墻角及核心筒關鍵部位布置了五個監測點。截至主體結構施工完成，累積監測到的平均沉降量為16.8 mm。值得注意的是，最后一次觀測到的沉降速率降至0.054 mm/d，表明結構的沉降已接近穩定狀態。沉降變形曲線整體呈現平滑連續，未出現任何突變，這與一般建筑物的變形模式相吻合，相關沉降變形數據詳見圖3。本研究的沉降觀測結果，不僅驗證了設計階段的計算預測，而且為類似巖溶地區地基條件下的建筑物沉降控制提供了寶貴的實踐經驗和數據支持。

5" 結論

本研究以巖溶地區地基處理的工程實踐為背景，基于詳盡的地質勘察資料，提出了采用CFG樁復合地基的優化處理方案。該方案的優勢在于其設計的靈活性，能夠根據具體的地質條件和工程需求，調整樁長和樁徑，從而在顯著提升地基承載力的同時，實現縮短工程工期以及降低投資成本等多重效益。

（1）靜載試驗的結果顯示，選擇紅黏土層作為主要持力層，并運用CFG樁進行地基處理，僅計入樁側的摩阻力，復合地基及樁基在靜載試驗中的位移量遠低于相關規范的限值，充分滿足了地基承載力特征值不少于380 kPa的承載力要求。

（2）工后沉降觀測的數據分析表明，主體結構完工后累計沉降量16.8mm以內，這表明樁端基巖的微小變動對整體地基承載力的影響并不顯著。CFG樁的使用顯著增強了地基的穩定性，為類似巖溶地區地基處理的設計和施工提供了寶貴的經驗和參考依據。

（3）在巖溶地區應用CFG復合地基技術時，必須依據實際地質勘察資料進行詳細分析和設計。特別是對于存在強烈溶洞發育或樁端附近有較大空洞等不利地質條件的情況，應開展針對性的專項研究，以確保地基處理方案的科學性和可靠性。

參考文獻

［1］" 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑地基基礎設計規范：GB50007-2011［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［2］"" 建筑樁基技術規范：JGJ 94—2008［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［3］"" 建筑基樁檢測技術規范：JGJ 106—2014［S］.北京：中國建筑工業出版社，2014.

［4］"" 廣西巖溶地區建筑地基基礎技術規范：DBJ/T45-2016［S］.廣西：廣西壯族自治區住房和城鄉建設廳，2016.

［5］" 李國勝.巖溶地區地基處理及基礎設計方法探討［J］.建筑結構，2020，50（3）：119-128.

［6］" 韓小雷，季靜.巖溶地區高層建筑復合地基與基礎設計理論研究與工程應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，2016.