溶岩强发育场地刚性桩复合地基设计——以韶关奥林匹克花园为例

陈积奋 （广东省建筑设计研究院，广东 广州 510010）

1 概述

CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，由桩、桩间土和褥垫层一起构成的复合地基，目前大量用于高层和超高层建筑地基的加固。由于其桩径小、成桩速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低廉的特点，该技术已在全国各地区高层地基处理中得到广泛应用，绝大多数为高层建筑，也不乏超高层建筑。CFG桩的加固机理为：当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土均会发生沉降变形，桩的变形量（Es）远比土的变形模量大，也就是桩的变形比土小，桩在受力后向上移，刺入基础下部设置的一定厚度的褥垫层中，垫层被不断调整并与桩间土良好接触，从而基础通过褥垫层也与桩间土保持良好接触，由此，桩间土与桩协同工作形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上CFG桩不配筋，桩体采用工业废料粉煤灰作掺和料，大大降低了工程造价。CFG桩地基通过改变桩长、桩距、褥垫层厚度和桩体混合料配比，可使复合地基承载力幅度的提高有很大的可调性。

2 工程概况

拟建奥林匹克花园二期位于韶关市新丰县府前大道与丰宁路交接处。二期位于奥林匹克花园整体规划的南部，北部为一期。奥林匹克花园二期拟建10#-1、10#-2、11#-1、11#-2、13#-1、13#-2 等 6 栋为地上17层住宅楼，12#-1、12#-2、14#等 3栋为地上15层住宅楼，15#、16#等2栋为地上13层住宅楼，17#-1、17#-2等2栋为地上12层住宅楼，为钢筋混凝土框架结构，均设置一层地下室。拟建建筑规划净用地面积为66871m2。

3 场地工程地质条件

根据钻探揭露，本场地地层结构按其成因类型自上而下可分为：人工填土（Qml）、第四系冲积层（Qal）、第四系残积层（Qel）、石炭系（C）基岩等四大层。各岩土层特征分述如下。

3.1 人工填土（Qml）

①杂填土层：该层在本场地均有分布。该层厚050m～4.00m，平均厚度 1.55m，层顶高程 160.98m～162.23m。土性：灰褐色、深灰色，松散状，主要由粘性土、砂和碎石组成，局部位置底部为薄层耕植土，为新近堆填，经过机械简单碾压平整，欠固结。

3.2 第四系冲积层（Qal）

②-1含卵石砾砂层：灰褐色，褐黄色，中密～密实，主要成分为石英颗粒，局部夹碎石、粘土和卵石。整个场地除ZK174外其他92个钻孔均有揭露到，揭露厚度2.10m～24.30m，平均厚度4.82m，层顶埋深0.50m～4.00m，层顶标高157.56m～160.85m。地基承载力特征值为200kPa。

②-2含砾粉质粘土层：该层在整个场地基本有揭露，分布较为连续，共计86个孔揭露到该层。该层厚1.30m～32.70m，平均厚度 12.32m，层顶埋深 3.20m～25.00m，层顶高程136.35m～158.17m。土性：褐黄色、褐红色、灰褐色，可塑为主，局部硬塑，主要由粘粒、粉粒组成，局部含角砾及卵石。地基承载力特征值为180kPa。

②-2-1淤泥质土层：该层在整个场地呈透镜体分布，该层厚2.30m～16.50m，平均厚度5.98m，层顶埋深2.50m～16.50m，层顶高程 144.73m～158.82m。土性：灰黑色，软塑，以粘粒为主，含较多有机质，局部含腐木。地基承载力特征值为60kPa。

②-3角砾层：灰褐色，中密，尖棱状，主要成分为石英颗粒，局部含粘土及卵石。整个场地呈透镜体分布，平均厚度6.72m，层顶埋深7.50m～24.30m，层顶标高137.28m～153.62m。地基承载力特征值为200kPa。

3.3 第四系残积层（Qel）

③粉质粘土层：该层局部地段分布，该层厚0.80m～32.30m， 平 均 厚 度 6.50m， 层 顶 埋 深12.80m～39.50m，层顶高程 122.08m～149.15m。土性：褐红色、褐黄色，可塑为主，ZK120局部软塑，可见风化残余结构外貌，残积成因，浸水易软化，局部含强～中风化岩碎块。地基承载力特征值为160kPa。

3.4 下伏基岩层

在勘察深度范围内按风化程度可分为以下2个风化岩层：④-1中风化灰岩和④-2微风化灰岩。

④-1中风化灰岩：该层在钻孔深度控制范围内局部有揭露。揭露厚度为0.10m～2.10m，平均0.74m，层顶埋深7.80m～37.80m，层顶高程为130.48m～154.04m。灰色色，隐晶质结构，厚层状构造，裂隙发育，溶蚀强烈，岩石破碎，岩芯呈碎块状。本层工程特性差异很大，强弱不均。本层属软～较软岩，岩体完整程度分类为极其破碎，岩体基本质量等级分类为Ⅴ类，由于岩芯呈碎块状，未采取岩样进行试验。地基承载力特征值为1200kPa，但具有不稳定性。

④-2微风化灰岩：在钻孔深度控制范围内，均揭露到该层z质335。揭露厚度为0.11m～6.92m，层顶埋深8.00m～61.30m，层顶高程为100.05m～154.12m。灰白色、灰色，隐晶质结构，厚层状构造，裂隙稍发育，岩质新鲜较坚硬～坚硬，较完整，锤击声脆，岩芯呈短柱状、柱状为主，节长5～50cm，RQD=50%～96%。地基承载力特征值为4000kPa。

4 水文地质条件

场地地下水主要为②-1含卵石砾砂层、②-3角砾层中的孔隙水和及基岩裂隙、岩溶水，②-1含卵石砾砂层、②-3角砾层和基岩裂隙、溶洞为主要富水层。地下水年变化幅度预计约2.00m～3.00m。

地下水对混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋有弱腐蚀性。

场地土对混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具有微腐蚀性。

5 地基处理方案选择

岩溶地区的基础方案选择,需结合拟建建筑物高度、溶洞发育程度、上覆土层厚度以及溶洞内填充物性状等综合考虑，本工程根据地勘报告及补充勘察报告,判定场地岩溶地质具有如下两个特点。

①根据本工程补勘柱状图对溶洞填充物的描述:“溶洞，全充填，充填物为中密状角砾夹可塑状粘性土，性质较稳定，钻进速度较快，但不漏水。”本场地溶洞性状应以岩层裂隙为主,而非空洞。裂隙分布形态为S形曲线，较宜作为桩端持力层。

若溶洞内填充物存在岩土分层，一般为溶洞塌陷形成，此时应查明填充物标贯，若标贯较高 (N≥10击)，可不处理，否则应先处理填充物再打桩。

②对溶洞内填充物成分，可结合填充物标贯判断。每米标贯一次，若标贯结果离散性较大，说明土内夹杂石块，表明填充物强度较高，此类填充物较安全，可不做处理。若标贯值较低且每米标贯值波动幅度不大，说明填充物软弱，需处理。

根据拟建建筑物特点，设计要求地基处理后复合地基承载力特征值大于300kPa，地层多为黏性土和粉土，在综合考虑基础类型、承载力要求、工程地质条件、水文地质条件、施工条件、施工环境和经济效益等条件的情况下，决定采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基对该项目的地基进行处理。

6 CFG桩复合地基的设计

6.1 刚性桩复合地基设计要点

本工程地下室筏板底土层为（2-5）含卵石砾砂，石质坚硬，钻进较困难，天然地基承载力特征值为280kPa，作为本工程天然地基，可满足承载力要求。结合场地内溶洞埋浅，刚性桩桩长大部分较短，承载力不高的特点，桩基础按减沉疏桩设计，主要用来减小建筑物沉降。

因（2-5）层下较多钻孔揭露有较厚软弱下卧层，部分为流塑桩淤泥质土，为保证刚性桩承载力，桩端持力层选择（2-9）角砾层或微风化岩面，同时加强施工监控，桩长施工记录，局部无把握位置可提高桩基承载力检测值至3Ra。

结合本工程地质特点及溶洞性状，刚性桩复合地基设计及措施应遵循以下几个原则。

①溶洞需处理及检测

本工程溶洞以裂隙为主，可不处理，但考虑到岩溶地区地质复杂多变，仍在压桩前采用灌浆处理溶洞，并在处理位置补充钻孔以验证处理效果。处理的同时也是进一步探明溶洞分布、大小的过程。

②局部钻孔揭露筏板底为（2-2-1）层淤泥质土，淤泥厚度≤1.5m时，清除淤泥；1.5m＜淤泥厚度≤5m时，在淤泥范围补打木桩；淤泥厚度＞5m时，除了补打木桩，还需加密刚形状间距，不考虑地基承载力。

③塔楼筏板应验算沉降，应按照中部沉降大，四周小的碟形沉降设计。可试算几个钻孔，对沉降大、桩端无角砾等硬持力层，桩长未到硬持力层或岩面的，应局部补桩，相当于从概念和构造上保证复合地基承载力与模型中基床系数取值的一致，从而保证碟形沉降的设计意图。

6.1 CFG桩复合地基的设计参数（见表1）

土（岩）层承载力特征的经验值等参数建议值表 表1

桩侧摩阻力、端阻力建议值表 表2

6.2 桩端持力层选择及桩长选择

根据本场地地质条件，选择（4-1）中风化岩和（4-2）微风化岩为桩端持力层，以10#楼为例，有效桩长为6.0m～21.0m。

6.3 桩径设计

《建筑地基处理技术规范》中9.2.1条要求，设计桩径宜取350～600mm，桩径过小，施工量不容易控制；桩径过大，需加大褥垫层厚度才能保证桩土共同承担上部结构传来的荷载。根据施工工艺及当地经验取设计桩径为500mm。经后期计算可以满足复合地基的承载力要求。

6.4 桩间距

按照规范，桩间距取3～5倍桩径，具体桩间距根据计算结果确定。

6.5 单桩竖向承载力特征值估算

up—桩的周长；

qsi—桩周第i层土的侧摩阻力特征值（kPa），可按地区经验确定；

lpi—桩长范围内第i层土的厚度（m）；

αp—桩端端阻力发挥系数，应按地区经验确定；

qp—桩端阻力特征值（kPa），可按地区经验确定。

6.6 复合地基承载力特征值估算

式中：λ—单桩承载力发挥系数，可按地区经验取值；

Ra—单桩竖向承载力特征值（kN）；

Ap—桩的截面积（m2）；

β—桩间土承载力发挥系数，可按地区经验取值；

fsk—处理后桩间天然土承载力特征值（kPa），可按地区经验确定。

本工程CFG桩复合地基的桩径选取为500mm，有效桩长为6.0m。桩的周长up=π×0.5m=1.5708m。按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）有关规定qsi和qp的取值可按当地经验值选取，代入数值经计算Ra的值为631kN，取630kN进行计算。

6.7 有粘结强度复合地基增强体桩身强度

fcu—桩体混合料试块（边长150mm立方体）标准养护28d立方体抗压强度平均值(kPa)。

由上文知10#楼的Ra=630kPa，因而得=3×0.63÷0.1963=9.6（MPa）。所以材料强度可取为C20。

6.8 面积置换率

根据勘察结果及经验，工程场地内CFG桩采用矩形布桩形式。根据公式：

令S1=1.95m，S2=1.55m，代入上式得面积置换率m=6.477%。

6.9 桩数

式中：A——基础面积，A＝1454.00（m2），则

由于实际布桩存在个别差异，所以应布桩464根。

6.10 沉降计算

6.10.1 沉降计算理论

CFG桩的复合地基变形S包括三部分，即加固土体的压缩变形、下卧层变形、褥垫层变形。由于褥垫层变形小，一般忽略不计。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）5.3.5式计算最终变形量

式中，s——地基最终变形量（mm）；

s′——按分层总和法计算出的地基变形量（mm）；

ψs——沉降计算经验系数，见如下表格。

沉降计算经验ψs

式中：Ai——附加应力系数沿土层厚度的积分值。

式中：n——地基变形计算深度范围内所划分的土层数，其中1-n0位于复合土层内i-n0+1位于下卧层内，计算时将第⑨层作为下卧层计算；

Epsi——各土层的压缩模量（MPa）；

p0——基底附加应力（kPa）。

按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）表5.3.4建筑物的地基变形允许值的要求，本工程最终沉降量小于40mm，符合要求。

6.10.2 CFG桩复合土层压缩模量

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）第9.2.8条，CFG桩复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，即：

复合土层压缩模量一览表

6.10.3 沉降计算示例

①本工程刚性桩持力层为中(微)风化岩，按《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》（JGJ 6-38-2011）第5.4.3条计算沉降，以5栋为例。

pk=280kPa

b=15m

L/b=36/15=2.4

查表 5.4.4-1，Zm=12.45，ξ=0.51

查表 5.4.4-1，β=0.5

Zn=（Zm+ξb）β=10.05

查表 5.4.3，η=0.9

根据附录C中表C，δ1=0.34

与静载试验沉降结果相符。

②按《建筑地基处理技术规范》（广东省标准）（DBJ 15-38-2005）第11.2.9条计算沉降，仍以5栋为例，结合本工程地质特点，桩变形大于桩间土的变形，桩变形量计算如下。

可以看出，两种计算方法结果基本接近，与静载试验和后期的沉降观测结果也基本一致，可用于刚性桩复合地基设计时的沉降估算。

6.11 褥垫层的设计

褥垫在复合地基中有着很重要的作用。由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫，在复合地基中有如下几种作用。

①保证桩、土共同承担荷载。褥垫层的设置为CFG桩复合地基在受荷后提供了桩上、下刺入的条件，即使桩端落在好土层上，至少可以提供上刺入条件，以保证桩间土始终参与工作。

②减少基础底面的应力集中的作用。

③褥垫层厚度可以调整桩土垂直荷载分担比。

④褥垫层厚度可以调整桩土水平荷载分担比。

按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002）第9.2.2条要求，该工程褥垫层厚度取300mm厚，采用级配碎石垫层，比例为碎石（1～2cm）：石屑∶中粗砂∶水=5∶3∶1∶1，应分层夯实，夯填度不大于0.9。

7 结论

在目前城市用地紧张的情况下，在不良场地上建造构筑物就在所难免，地基处理便显得尤为重要。复杂的工程地质条件、越来越大的建（构）筑物规模都对地基提出了日益严格的要求。CFG桩复合地基由于发挥了桩间土的作用，因此得到了广泛的应用。