CFG桩复合地基设计相关问题的探讨

王开军

CFG桩复合地基即桩与桩间土共同作用,复合地基承载力取决于单桩承载力和桩间土承载力,单桩承载力和桩间土承载力越高,复合地基承载力就越高。除提高承载力外,CFG桩复合地基还可起到减小地基变形的作用。CFG桩复合地基是介于天然地基与桩基之间的一种地基处理方式。现从工程设计方面对CFG桩复合地基进行详细的论述。

1 CFG桩复合地基设计要点

1.1 面积置换率 m

其中,Ap为桩截面面积;Ae为一根桩分担的处理地基面积。

独立基础面积较小,以上述方法计算面积置换率时会出现置换到基础外侧的情况,用桩量会加大。此时应采用下列公式计算面积置换率:

即为独立基础范围内所有桩截面面积之和除以基础底面积,这样可降低桩用量。

1.2 单桩承载力特征值(北京规范称标准值)的计算

1)当岩土工程勘察报告提供桩的极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk时,单桩竖向承载力特征值(标准值):

2)当岩土工程勘察报告提供桩的侧阻力特征值(标准值)qsi和端阻力特征值(标准值)qp时,单桩竖向承载力特征值(标准值):

以上是按岩土条件计算的单桩竖向承载力,同时还要考虑桩身强度问题。规范规定桩体试块抗压强度平均值应满足:

fcu与混凝土强度等级对应,如计算 fcu=18.6 MPa,则混凝土强度应采用C20。

国标地基基础设计规范中对桩身强度有 Q≤ApfcΨc的要求,fcu/3大致与0.7fc相当,也就是说 fcu/3已考虑了工作条件系数(也称施工工艺系数)Ψc。

1.3 桩间土承载力折减系数β

桩间土承载力折减系数也可理解为桩间土承载力发挥度,当复合地基受荷载作用时,起始阶段荷载向桩集中,桩土应力比随荷载的增加而增大。随着荷载的增加,桩承受的荷载逐渐向土转移,直至两者均达到最佳受力状态。

地基处理技术规范及北京地区地基基础规范中β=0.75～0.95,天然地基承载力较高时宜取大值,较低时宜取小值。没有固定的取值,在北京地区常采用0.8～0.9。

1.4 复合地基承载力特征值(标准值)

复合地基承载力特征值(标准值)按下式进行计算:

其中,fsk,fsa分别为基底下桩间土地基承载力特征值、标准值,无经验时按天然地基承载力取值。CFG桩施工时,由于施工机具和工艺的差别会对桩间土造成一定影响,如采用沉管施工时,由于挤土作用,桩间土承载力会有所提高(10%～20%)。北京地区均采用长螺旋钻进行CFG桩施工,属非挤土成桩工艺,故fsa取天然地基承载力标准值fka即可。

复合地基承载力特征值(标准值)可在天然地基承载力基础上提高1倍～2倍,即为天然地基承载力的2倍～3倍。如需提高的幅度小于50%时,则采用CFG桩必要性不大,可考虑采用夯实水泥土桩复合地基。

1.5 地基变形计算

桩长范围内压缩模量采用复合模量,复合土层压缩模量为天然土层按实际压力段压缩模量的ξ倍。

其中,fak,fka分别为基底下土层天然地基承载力特征值、标准值。

目前北京地区采用CFG桩的沉降计算还没有成熟的方法,都是参考行标JGJ 79-2002地基处理技术规范进行计算。

2 问题讨论

2.1 要求的复合地基承载力标准值

1)高层建筑筏板基础。

利用软件或人工估算计算出对应于荷载效应标准组合的基底平均压力pk,计算时应按荷载规范考虑活荷载折减。

复合地基不进行基础宽度修正,但可进行基础埋深修正,埋深修正系数为ηd=1.0,则修正后的复合地基承载力标准值为:

则要求处理后的地基承载力标准值为:

其中,γ0为基底以上土的加权平均重度,地下水位以上可取18 kN/m3,地下水位以下可取11 kN/m3;d为基础埋深,一般取从天然地面起算,除非在上部结构完工前进行的填方整平可取从填方地面起算。

在确定高层建筑筏形基础埋深时,应考虑主楼外围裙房或纯地下室对主楼基础侧限的削弱影响,将裙房或纯地下室的平均自重荷载折算为土层厚度作为基础埋深,包括纯地下室顶板以上的覆土荷载。即 d′=pG/γ,γ应取与无裙房时一致的土重度,即基底以上土的加权平均重度,地下水位以下的土取有效重度。

当主楼四面的裙房形式不同,或有的面无裙房及纯地下室时,可取关于周长的加权平均埋深进行修正。

2)多层建筑独立基础。

若无地下室基础埋深较小(≤2 m)时,因埋深修正的承载力较小,一般就不考虑修正了。当埋深较大时,仍要考虑埋深修正的复合地基承载力,以减小提出的复合地基承载力标准值。

若所提复合地基承载力标准值低,则基础底面积就大,反之基础底面积就小,那么多少为宜。首先假设最大桩距(5d)布桩,如φ 400,桩距为2 m,桩端为较浅的持力层,计算复合地基承载力标准值,即为采用CFG桩复合地基的最小承载力标准值,所提复合地基承载力标准值不能小于此值。

2.2 要求的建筑物长期最大沉降量

沉降量数值不可提得过小,在CFG桩复合地基设计时,地基变形限值大小对CFG桩的数量或长度影响很大。以某工程为例,原设计地基变形限值为40 mm,后经优化改为60 mm,前者比后者混凝土量增加了80%以上。因此在基础图中的地基变形限值在满足要求的前提下尽量采用高值,以避免不必要的浪费。

3 结语

复合地基一词国外最早见于1960年,我国第一次复合地基学术会议于1990年在承德举行。近年来复合地基理论研究和工程实践日益得到重视,CFG桩复合地基因造价低、施工速度快而已广泛应用于工业与民用建筑的地基处理,尤其在华北应用较多,在我国已成为一种常用的地基处理方式。

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