建筑桩基与CFG桩在工程设计中适用性比较

刘 毅 强

(晋中市建筑勘察设计院，山西 晋中 030600)

建筑桩基与CFG桩在工程设计中适用性比较

刘 毅 强

(晋中市建筑勘察设计院，山西 晋中 030600)

通过对CFG桩和桩基础的介绍，比较了CFG桩和桩基设计的一般原理和方法，以实际应用实例为基础，从理论和适用的角度对比分析了建筑桩基与CFG桩在工程应用中的技术性以及经济性。

建筑桩基，CFG桩，高层建筑，适用性，褥垫层，压缩模量

1 概述

随着我国经济社会的高速发展，城市基础设施建设日新月异，随之而来的高层建筑数量不断增加，对于地基基础工程所要求的强度以及抗变形能力也不断地提高。一般情况下，当天然地基无法满足高层建筑的设计要求时，常常会用到桩基础或CFG桩进行设计。CFG桩作为一种能提供较高复合地基承载力的地基处理方式，虽然应用起步较晚，但是由于可以充分发挥桩间土的承载力而使桩土共同工作，使其造价往往相对较低、经济实用，同时工艺简单、施工便利，近些年来在工业建筑与民用高层建筑中被广泛使用；而作为传统的桩基础由于新的技术不断涌现、成桩工艺不断丰富发展、经验积累和计算理论日臻完善，使其应用空间也得到了极大的扩展。实际工作中设计人员往往要面临对以上两种地基基础工程方案的遴选问题，本文结合实际工作对两者的适用性进行一些比较、归纳和探讨。

2 作用机理和设计方法对比

2.1两者的作用机理对比

首先两者有着不同的作用机理：CFG桩又称水泥粉煤灰碎石桩，属于复合地基，是对天然土体的加固。与桩土共同工作，并且要充分发挥地基土的承载能力。其桩体材料是将水泥、粉煤灰、矿粉、碎石加水拌合而成，等固化之后会形成具有较高强度的桩体。并且在基础和CFG桩之间设置一定厚度的由粒状材料组成的散体垫层。CFG桩、桩间土以及褥垫层共同组成了复合地基。若基础与CFG桩间不设垫层，当CFG桩的底端落在坚硬的土层之中时，因为CFG桩自身所具有的强度以及弹性模量均比桩间土大很多，同时桩顶沉降变形很小，所以荷载作用时，CFG桩所承受的应力值要较桩间土所承受的应力值大出很多。绝大部分荷载由桩承担，桩间土的承载力很难发挥，此时CFG桩和桩间土传递垂直荷载与桩基类似。当CFG桩的底端落在一般粘性土层中时，随着时间的增加，基础和桩的沉降变形不断增加，基础下桩间土分担的荷载也不断增加，桩承担的荷载相应减少，呈现一个荷载转移的过程，但桩间土承载能力仍很难得到充分发挥。若通过基础和CFG桩之间设置一定厚度的褥垫层，调整了桩与桩间土的刚度差异，通过桩顶的刺入，可以保证基础无论在任何条件下始终能通过褥垫层将一部分荷载传递到桩间土上，因此设置褥垫层是CFG桩复合地基技术必不可少的关键组成部分；而桩基础简称桩基属于基础范畴，通常由桩体和连接桩顶的承台组成。一般靠桩体直接、独立完成荷载向土体的垂直传递，根据其承载方式的不同又分为端承型桩和摩擦型桩。桩土体系荷载传递的过程就是桩侧阻力和桩端阻力的发挥过程。研究表明：竖向荷载下桩土体系荷载传递的过程可简单描述为桩身位移s(z)和桩身荷载Q(z)随深度递减。桩侧摩阻力qs(z)自上而下逐步发挥后逐渐减小，且其发挥程度只与桩土相对位移有关。

2.2设计计算基本方法对比

2.2.1CFG桩地基

在CFG桩初步设计过程中，其承载力特征值可以依照式(1),式(2)进行估算：

fspk=λmRa/Ap+β(1-m)fsk

(1)

Ra=up∑qsilpi+αpqpAp

(2)

2.2.2建筑桩基

依据《建筑桩基技术规范》中的相关规定，桩基的竖向承载力估算基本公式如下：

R=Ra+ηcfakAc=Quk/K+ηcfakAc

(3)

Quk=up∑qsikli+qpkAp(经验参数法)

(4)

其中，R为基桩或考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值，kN；Quk为单桩竖向极限承载力标准值，kN；K为安全系数，取K=2;ηc为承台所具有的效应系数值;fak为承台下方1/2宽度，并且未超出5.0 m深度之内的各土层地基承载力特征值按厚度的加权平均值;Ac为基桩所对应的承台底净面面积；Ap为桩身的截面面积;Ra为单桩竖向承载力特征值,kN；qsik为桩基第i层土的极限侧阻力标准值；qpk为极限端阻力标准值；li为桩基穿透上层土质的高度；up为桩周长。

3 桩基与CFG桩的适用性比较

1)桩基在对高层建筑沉降的控制上优于CFG桩。

a.首先这是由两者沉降产生的机理不同造成的。对于摩擦型桩基沉降计算所采用的附加应力为按照明德林解得到的由端阻力和侧阻力引起的桩端以下的附加应力，压缩层也是从桩端起算，所以自重起始土压力较高(意味着压缩层的压缩模量会有较大值)，因此计算沉降量会很小。而CFG沉降计算等同于天然地基，仅是将被加固土层的压缩模量按一定的比例进行放大。b.由于CFG桩所常采用的长螺旋施工工艺的局限性致使桩身长度受到限制，这使得对于层数较高、荷载较大的高层建筑越来越力不从心。而桩基础则不受此施工条件限制，能够提供很高的承载力和沉降控制能力。c.由于桩基计算理论相对完善和精细，从而更有利于计算程序实现结构的变刚度调平设计，有效控制基础的不均匀沉降。

2)对于湿陷性土层及液化土层的处理效率和经济性上桩基础往往优于CFG桩。CFG桩用在湿陷性土层及液化土层中时一般要采用两种桩型的复合，如灰土挤密桩+CFG桩和碎石桩+CFG桩，施工周期长、工艺复杂，效果不确定。但采用桩基础，可以通过穿透湿陷及液化土层，使桩端进入稳定土层来达到克服湿陷及液化提高承载力的目的。

工程实例：例如晋中市开发区某一大型3连跨重型钢结构工业厂房，最大跨度30 m，总高度近40 m，吊车吨位较大，钢结构格构式排架柱荷载较大，对沉降要求较高。地质情况为Ⅲ级自重湿陷，基底以下湿陷土层厚度为12 m，基础为柱下独基。原地基处理方案为灰土挤密桩+CFG桩，布桩沿柱轴线条形满布。经过对原设计方案的研究和优化后改为载体桩，通过桩基穿透湿陷土层将扩大头深坐于下部稳定粉土层，同时考虑负摩阻对桩的不利影响，按独立桩承台布桩，计算沉降量为7 mm，这样既达到了消除湿陷影响的目的，又减小了基础沉降量，为业主节省投资100多万元,该厂房现已投入使用。

3)采用桩基础方案时与相邻建筑和环境的相互影响较小，这一点上也优于CFG桩。这非常适用于建筑密度相对较大的城市环境中进行施工建设，尤其对于建筑之间距离较近而基底又存在高差的情况，以及建筑物距离较近而又需要分期建设的情况，可降低开挖的风险和难度，节省工程支护造价。

4)桩基础由于桩型、工艺多种多样，使得设计的选择性更大，对于场地的适应性比CFG桩更强。它适合不同的土质包括：液化、湿陷、填土、岩层等以及各种地形地貌。

5)对于高层建筑在特定的情况下，桩基的综合效益会优于CFG桩。一般CFG桩采用满堂布桩+筏形基础的形式，高层桩基可采用防水板+墙下承台布桩或柱下承台布桩的方式，由于单桩竖向承载力较高，故桩数相应减少，可以缩短施工周期。同时桩身质量更有保证，沉降更易控制。

6)CFG桩的长螺旋施工工艺比机械成孔的桩基工艺一般来说相对简单，桩使用的原材料可采用回收利用的粉煤灰、矿粉等资源，且桩身无需配筋，造价较低。因此对于地基土具备一定的强度和承载条件，而上部荷载又不是非常大的多高层建筑，有着较为显著的经济优势。如在同等工程条件下当桩基方案和CFG桩方案的桩长度及直径一致时，由于采用CFG桩可以使桩间土的承载力得以充分发挥，因此所需的CFG桩数量会相应减少，工程造价会得以降低、施工周期相应缩短。节约建设成本的同时也不会对环境产生噪声污染，所以CFG桩相对来说拥有良好的社会与经济效益。另一方面CFG桩对桩身范围内天然土层的压缩模量也起到较大的加强和提高效果，对地基产生沉降变形可起到一定的控制作用。

4 结语

对不同的建筑工程来说，工程所在地的地质水文条件千差万别，因此在实际工作中如何结合当地的地质条件以及建筑工程的实际情况选取经济、安全、合理的地基基础设计方案，仍然是摆在工程设计人员面前一道长期的课题，这需要我们在不断地总结思考工程经验的同时，对每个项目设计方案都要进行全面综合地考量、认真细致地分析比较，才有可能获得最优的地基基础方案。

[1] 王 栋.CFG桩与灌注桩在某高层基础工程应用中的比较[J].山西建筑，2015，41(13)：100-101.

[2] 张 波,周春雷,丁永刚，等.CFG桩复合地基和预应力混凝土管桩桩基方案比较研究[J].河南科技，2015(1)：13-15.

[3] 付金锐,代常友,刘丹丹.某高层建筑CFG桩与混凝土灌注桩对比分析[J].山西建筑,2014，40(8)：38-39.

[4] 叶书麟.地基处理工程实例应用手册[Z].1998.

ComparisonofapplicabilitybetweenbuildingpilefoundationandCFGpileinengineeringdesign

LiuYiqiang

(JinzhongArchitecturalSurveyandDesignInstitute,Jinzhong030600,China)

In this paper, the author introduces the CFG pile and the pile foundation, the general principle and method of CFG pile and pile foundation design are compared, on the basis of practical application, from the point of view of theory and application, the technical and economic characteristics of construction pile foundation and CFG pile in engineering application are compared and analyzed.

building pile foundation, CFG pile, high rise building, applicability, cushion, modulus of compressibility

1009-6825(2017)28-0081-03

2017-07-22

刘毅强(1971- )，男，工程师

TU470.3

A