CFG桩复合地基在北京运河湾高层建筑中的沉降研究*

赵俊兰，武君磊，张建伟

（北方工业大学，北京 100144）

0 引言

CFG桩，又称为水泥粉煤灰碎石桩，是由碎石、石屑、砂、粉煤灰等掺水泥后制成的可变强度桩。复合地基由桩体、桩间土和褥垫层3部分所组成，主要由桩间土和桩共同承担上部荷载，他们与上部荷载之间通过褥垫层（碎石或砂石垫层）来过渡。由于CFG桩一般不用加入配筋，并且还可利用工业废料等作为掺和料，大大降低了工程造价。CFG桩复合地基的适用范围很广，在全国各种砂土、粉土、黏土、淤泥质土、杂填土等土质的地基中均有大量实例应用。随着高层建筑的快速普及，CFG桩复合地基以其施工便利、承载力高、造价低廉以及其广泛的适应性等优点，现在已经成为地基处理中最为普遍应用的技术。本文在实际工程案例中分别研究桩长、桩径、桩间距和褥垫层厚度对复合地基沉降的影响，目的是使复合地基在安全的情况下尽可能使资源利用最大化，对实际工程具有指导意义。

1 工程实例分析

1.1 工程概况

本工程拟建场地位于北京市通州区运河湾附近，南侧为玉带河东街，东侧为滨河中路。本次钻探揭露的地层除表层分布的杂填土外，40.0 m深度范围内均为人工填土层、新近沉积层及一般第4纪冲洪积层。依据岩性、工程性质不同，共划分为5个单元层，分述如下：

第①层杂填土：褐色—黄杂色、稍湿、松散状态。厂区内广泛分布，为近期回填造成固结程度差且不均质，以粉土为主含有大量灰渣等建筑生活垃圾和其他杂物，局部可见素填土分布，本层厚度变化为0.30 m～1.00 m。

第②层黏质粉土：黄褐色，中密，稍湿—湿，含氧化铁、云母及少量钙质结核。结构较差。本层厚度变化为0.90 m～2.00 m。

第③层黏土：褐黄色，局部褐灰色，很湿，可塑，含氧化铁及少量钙质结核。结构较差。

第④层粉质黏土：黑灰色、饱和、呈可塑—硬塑状态，无摇振反应，稍有光泽反应，干强度级韧性中等，与粉土薄层呈互层状水平分布，局部可见粉细砂及中砂薄夹层。

第⑤层中砂：黄杂色、湿—饱和、呈中密状态、散粒结构，亚圆型、磨圆度较好分选性差，以石英、长石级云母为主要成分，可见少量卵石，孔隙充填中粗砂，局部可见中细砂及粉土薄夹层呈透镜体状出现、本层厚度变化为3.10 m～4.70 m。

1.2 计算模型和参数确定

根据复合地基设计资料、地基勘察报告和经验值，各材料参数取值（见表1）。

预计天然地基承载力不能满足设计要求，建议采用复合地基或桩基。

由于复合地基的受力特性采用数值分析较为复杂，为简化计算，提高运算效率，取10根桩及所影响土体的范围为计算对象，考虑桩长、置换率、载荷板尺寸等参数，模型计算域水平方向取距最外侧桩体中心600 mm宽，垂直方向自桩顶起取至1.5倍桩长深度。同时对所建分析模型施加与实际情况相同的边界约束条件。并将土体简化，土层从上到下依次是褥垫层、杂填土、黏质粉土、黏土、粉质黏土和中砂，计算模型如图1所示。

表1 土层材料力学参数

图1 复合地基三维离散元计算模型

2 沉降变化研究

荷载增加复合地基沉降随之增加。荷载较小时，土体为弹性变形，曲线走势基本呈线性，荷载增加到一定值，褥垫层和土体内部开始出现塑性变形，曲线走势呈非线性增加。在荷载增加的过程中，桩顶和桩间土表面均出现沉降差，桩间土表面沉降均大于桩顶沉降，说明在桩体上部一部分区域存在负摩阻力。另外，随着荷载的增加，桩顶与桩间土的沉降差随之增加。负摩阻力在CFG桩复合地基中是有益的，使得桩间土也参与承载上部荷载，增大复合地基的承载力从而减少沉降变形。

随着桩长的增长，复合地基的整体平均沉降在减小。桩顶沉降随着桩长的增加而减小，在荷载较大阶段其减小的幅度越大。桩长较短时，附加应力分布的区域较小，应力值高，地基沉降大，上部土层的附加应力大，局部超过土的极限承载力；桩长增长时，上部加固区域土层中的附加应力迅速减小，复合地基整体沉降的降低非常明显。对于一定桩距的CFG桩复合地基，就控制其变形来说，存在一个最优桩长。复合地基沉降随桩长的变化曲线，可以作为设计中确定桩长的依据，以避免使用过长的桩，减少浪费和施工中的困难。

随着桩径的增加，复合地基沉降随之减小。改变桩径的大小即改变置换率的大小，随着桩径的增大，沉降减小，且桩体和桩间土体的沉降差减小，即桩体的上刺入量减小。S1所占总沉降S的比例下降，下卧层的土体沉降S2占总沉降S的比例上升。桩体地基模量的增加导致该处桩体沉降的减小，而该区域土体的土质不受桩径变化的影响，所以变形增大，所占总沉降的比例也就增大。在上部荷载的作用下，沉降变形趋势由中心区域向四周减小，而且沉降变化率逐渐增大，沉降降低的幅度由内向外逐渐增大。

桩距较大时，上部土层中的附加应力较大，复合地基沉降也较大。桩距减小时，能够将上部土层中应力有效的向下传递，减少复合地基整体沉降；对于承载力较低的软弱土，如果桩距过于小，桩间土还会因为桩体的挤压而产生隆起变形。刚性桩复合地基虽然在桩顶处土体分担了很多荷载，但实际上土体将绝大多数荷载通过负摩阻力又传给了桩，这样反而可能会使复合地基的沉降增大，因此，CFG复合地基的桩距并不是越小越好，存在一个最优桩间距。

褥垫层的增加，在一定的荷载范围内能减少复合地基沉降，使沉降更加均匀。但这种减少相当有限，随着垫层厚度的继续增大，并未有更加明显的减少。在荷载较小时，对应的桩顶沉降值受褥垫层厚度的变化影响不大，土体沉降受褥垫层厚度的变化影响较大。在荷载较大时，相应的桩顶沉降值随着褥垫层厚度的增加而减小。褥垫层的厚度增加，能使桩与土之间能够更好的共同协调，桩土应力比减小。

3 结语

本文以北京市通州区运河湾工程实例为基础，通过数值模拟研究得出：

1）针对北京高层建筑工程地质条件，本文采用了离散元分析模型，并在建立模型时充分考虑实际工程地质条件和接触面参数，为建立符合现场实际的模型提供了理论基础。

2）通过数值模拟研究，发现桩径、桩长影响沉降更为明显，桩间距、褥垫层厚度影响沉降较为不明显，存在最优取值，但需结合具体实际情况进行分析。

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