浅谈CFG桩复合地基与钢筋混凝土筏板基础设计

韩忠良

（烟台市建筑设计研究股份有限公司，山东 烟台 264000）

0 引言

筏板基础的主要优势在于有很强的承载能力以及比较强的适应性，因此在高层建筑中的应用是非常广泛的。但是如果高层建筑对于地基的承载能力要求比较高，就需要对地基进行必要的加固处理，使得建筑物能够安全使用。一般来说，采用人工加固的方式使得高层建筑更加安全的一种比较好的方法就是采用CFG桩复合地基。由于CFG桩复合地基是采用了人工干预的一种方法，所以一般会通过上面结构的载荷分布以及不均匀沉降的承受能力，来实现对CFG桩横向以及竖向结构的布置。

1 上部结构-筏板基础-地基共同作用的主要机理

1.1 基本概念

上部结构一般会在墙的作用下与筏板基础相互连接在一起，而地基与筏板基础是直接接触的，三者共同形成一个整体。具体结构如图1所示。由于三个部分会存在共同作用，其大小会受到各自刚度的影响。

从图1我们可以看出，筏板基础不仅要对载荷进行支撑，还要对载荷进行扩散，而且在这个过程中还会存在一定的反作用力。作为高层建筑一个比较重要的部分，筏板基础在承受来自墙的载荷的同时，也会同上部结构共同作用使得不均匀变形减小，从而使得分布的挠度降低，以此来保证上部结构可以正常工作。一般来说，经常使用的理论方法，是把上部结构假设成为一个具有一定刚度值的物体，再与筏板基础的刚度进行相应的叠加，将两者看成是共同作用的，进而就可以求出地基的反力分布曲线：

图1 上部结构-筏板基础-地基的示意图

在上面这个公式中，是考虑到三者共同作用而形成的曲线。而且，我们不难发现在公式（1）里面，地基的反力q是关于变形s的一个函数，也就是说筏板基础的内力的分布情况是受到基底CFG桩复合地基变形的影响的。

1.2 三者的共同作用机理

在公式（1）中，如果地基的土层可以满足不产生滑移、不产生倾覆的条件的时候，对于高层建筑来说，其地基土的变形情况是受到三者的共同作用的。具体的方程式为：

从上面这个公式我们不难发现，[K]st、[K]F以及[K]s都是已经知道的，其他的矩阵也会随之确定。要使得筏板基础的下降是比较均匀的，只有将基础的刚度矩阵增加才可以办到。除此之外，还应该对地基所能承受的支撑刚度进行相应的改变，从而使得地基底面的人工地基支撑刚度矩阵同载荷分布相互匹配。这样一来，公式（2）就会变成：

要使得由于地基变形而使得筏板基础内力以及上部结构的应力不会对上部结构产生影响，会经常采用控制筏板基础的挠度的办法，通俗的来说，也就是说对于存在大面积筏板基础的高层建筑来说，主楼下面筏板基础的挠度值不要大于0.05%，相邻楼之间的下降程度不可以超过0.1%。如果还需要把上部结构-筏板基础-地基的共同作用考虑进去，就必须要借助现代的结构分析理论并且使用计算机辅助设计。

2 CFG桩复合地基与钢筋混凝土筏板基础设计

2.1 钢筋混凝土筏板基础的设计方法

要使得CFG桩复合地基加固，其本质上就应该是使得它与桩之间的基底应力可以相互调节从而形成一种复合地基，使得两者可以共同对上部结构形成支撑作用。与CFG桩复合地基同钢筋混凝土独立的设计方法来说，（如图2所示），这种设计方法的主要特点可以概括成下面几个方面：（1）使得地基的刚度得到明显增加，从而使得地基的抵抗变形的能力大幅度提升；（2）作为地基上面是受弯的部件，如果采用独立设计的方法，其计算是比较简单的，但是如果采用筏板基础的设计方法，每个部分的内力分布都是与上部结构的刚度紧密相关的；（3）一般来说，采用两种设计方法，对于CFG桩复合地基的变形来说，其计算都应该按照柔性基础，但是由于筏板基础的底面积是比较大的，这样就可以使得基底的压力得到有效降低，也会使得整体性得到增强，如果还考虑到上面高层建筑的结构对于其刚度造成的影响，就会使得筏板基础可以更好地实现对载荷的传递功能，还可以约束CFG桩复合地基的变形情况。

图2 CFG桩复合地基与钢筋混凝土独立基础设计流程

对筏板基础的内力进行计算是筏板基础设计的核心部分。对于CFG桩复合地基来说，其主要的特点就是刚度较高、不容易产生变形。所以，如果上部结构的刚度比较大的时候，经常采取的办法主要是把整体弯曲考虑进去，也可以称作是倒楼盖法。一般来说，倒楼盖法基底的反作用力会按照直线来分布，其计算方法的主要特点就是概念比较简单，通过查手册的方法就可以得到答案。此外，由于高层建筑所存在的自身特点，对于反作用力的计算来说，其刚度大小是在绝对刚性以及柔性之间的，如果筏板基础的基底在刚度较大的CFG桩复合地基上的时候，在对筏板基础进行内力计算的时候，在具体的实践过程中会采用一种简化的倒楼盖法同弹性地基梁板法的计算结果相比较，对计算结果，应该采用综合取值的办法，从而使得能够达到一种比较好的设计方法。

2.2 CFG桩复合地基的设计方法

对于筏板基础来说，其底面积A应该满足的条件是：

而对于CFG桩复合地基的变形s来说，其计算过程应该按照下面的方法：

通过公式（4）-（6），我们就可以计算出 CFG 桩复合地基可以承载的力的大小以及筏板基础的底面积。但是要想筏板基础结构的内力能够比较精确地计算出来，就应该按照公式（7）-（9）来进行计算。当采用公式（7）-（9）来对钢筋混凝土筏板基础的CFG桩复合地基的变形程度进行计算的时候，一般会采用柔性基础来进行计算。但是需要注意的是，柔性基础并不可以对应力进行扩散，因此，对于基底的反力来说，其分布情况与筏板基础上面的载荷是一样的，具体的如图3所示。从图中我们不难看出，当载荷均匀分布的时候，柔性基础的下降程度是一种蝴蝶的形状。这就是说，要使得柔性基础的沉降显得比较均匀，就要使边缘的载荷变大，而且还要使得中间的载荷变小。

图3 柔性基础基底反力分布图

上部结构-筏板基础-地基的共同作用一般说的就是三者之间的相互影响，对于筏板基础以及上部结构来说，其工作原理就是将上部结构的刚度增加到基础筏板的刚度之上，从而使得筏板基础的刚度不断增加，让其刚度处于柔性以及刚性之间，进而使得载荷的传递更好。但是，由于CFG桩复合地基的压缩性是比较差的，但是刚度很大，这就使得当载荷均匀分布的时候，筏板基础基底的反力分布是文克尔地基模型和弹性半无限空间模型之间，如图4所示。

图4 筏板基础基底反力分布图

从上文分析可以看出，当筏板基础的载荷比较均匀的情况下，对于基底的反作用力来说，既不是一种柔性基础，也不会是一种刚性基础，而是一种像马鞍一样的形状，也就是中间会大于边缘，同柔性基础基底的反力分布情况相比较来说，当边缘位置的反力变大的时候，中心位置的反力会随之减少，就好像箱形基础基底反力一样。通过实验我们可以看出，CFG桩复合地基在中心位置的变形情况是要大于边缘位置的，这样也就从侧面反映了筏板基础基底的反力的分布规律对CFG桩复合地基变形分布有决定性作用。

对于刚性基础来说，其对于沉降会有一个调整的作用，一方面来说，会使得沉降作用显得比较均匀，另一方面来说，也会使得最大沉降有所降低。

从表1我们可以看出，当L与B的比值比3小的时候，如果按照刚性基础来进行计算，其平均沉降的影响系数一般是按照柔性基础计算，一般是中心点的沉降系数的80%左右。所以，在上部结构-筏板基础-地基的共同作用下，如果按照公式（8）-（10），对于筏板基础中心部位的变形计算所得到的结果再乘以0.8的折减系数会作为公式（4）中CFG桩复合地基的平均变形的值。如果把由于土层厚度的分布而产生的变形因素考虑进去，取平均数来实现对筏板基础的下沉分步进行相应的调整，让它作为按照现在已经存在的CFG桩复合地基变形理论进行计算，再加上上部结构-筏板基础-地基三个部分共同作用，以及土层厚度分布影响的改进办法来实现对CFG桩复合地基的变形大小进行计算。

根据具体的设计可以看出，如果按照现在CFG桩复合地基的变形理论进行计算，并且将上部结构-筏板基础-地基三者的共同作用以及土层的厚度分布带来的影响加以改进，这种设计方法不仅符合实际需要，而且比较简单，实行起来比较方便，具有很高的可靠性。

表1 沉降影响系数/ω

在上面的分析之后，我们可以看出CFG桩复合地基与钢筋混凝土基础设计的一般步骤可以分成下面几步：当筏板基础的厚度满足相应的条件之后，应该按照相应于作用的标准组合以及准永久组合的基础底面作为平均的压力的大小，对CFG桩复合地基进行相应的设计并且加上相应的计算，然后再采用弹性地基梁这个办法以及简化之后的倒楼盖法，通过借助计算机来进行相应的辅助计算，最终就可以实现对于钢筋混凝土筏板基础的设计。

3 结语

对于CFG桩复合地基与钢筋混凝土基础设计来说，其关键的地方在于计算CFG桩复合地基的变形是不是准确。在这篇文章中，我们在对已经存在的测量结果分析之后，通过对上部结构-筏板基础-地基共同作用的基本概念以及作用机理进行一定的分析之后，提出了相应的改进办法。通过改进办法，在经过实际验证之后，我们可以发现其计算结果与要求的值的大小基本上是符合的。而且这个改进办法，不仅符合规范要求，也比较符合工程的具体情况，计算结果是比较可靠的，可以得到推广利用。

[1]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010．

[2]GB 50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2012．

[3]JGJ 6-2011,高层建筑筏形与箱形基础技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2011．

[4]党昱敬.CFG桩复合地基与钢筋混凝土独立基础设计[J].建筑结构，2015，45(11):75-80.

[5]党昱敬，柳建国.上部结构、基础和地基协同工作时刚性桩复合地基沉降计算分析[J].建筑结构，2010，40(01):65-68．