CFG复合地基在岩溶地区某高层建筑中的应用

黄佳铭，张庆华，陈凌伟

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510000)

1 项目概况

本项目C1～C8组团位于广州芳村大道珠江大桥边，建筑物包括8栋住宅楼，塔楼部分拟建地上33层，地下2层，裙楼部分地下2层，地上无建筑，框剪结构。其中C6、C7栋建筑原采用冲孔灌注桩作为基础方案，桩径为 1.0 m～2.4 m，桩端持力层为溶洞底面以下的微风化泥岩或灰岩，为满足设计要求，设计桩长普遍超过 35.0 m，局部达 40.0 m以上，同时基岩以上覆盖层分布有两层砂层及局部土洞，导致原始基础方案施工时频繁发生塌孔与漏浆等情况，施工无法正常推进。经反复计算论证，将基础方案改用为筏板+高强度CFG复合地基方案。

2 工程地质条件

本工程场地属珠江冲积阶地，地面平坦。场地第四系覆盖层主要为人工填土、冲积而成的淤泥质土、砂层、粉质黏土以及残积土，下伏白垩系和三叠系沉积岩，基岩主要为灰岩、泥岩。场地在勘探期间地下水位埋深 1.9 m～2.3 m，中粗砂和砾石层位强透水层，地下水丰富且与珠江水系存在强烈的水力联系。场地岩溶具有以下特点：浅覆盖岩溶区岩溶强烈发育；全区见灰岩钻孔214个，遇岩溶洞隙钻孔165个，遇洞率75.7%。线岩溶率28.64%，最大洞高 10.6 m，平均约 2.01 m；溶洞在垂向上分布形成多层洞穴，局部发育出现4、5层洞穴，受岩性控制，发育主导方向为南北向，并相互联通，在平面上形成网络状岩溶、裂隙管道；岩溶洞穴顶板特征：顶板厚度小于 1 m的占31.4%，顶板厚度 1 m～3 m的占37.9%，顶板厚度 3 m～5 m的占15.7%，其中不足 3 m的达到了69.3%，溶洞顶板过薄是其主要特征；洞穴充填率77.8%，主要为流塑状粉质黏土，且处于不稳定状态，工程上难以利用；溶洞受珠江水强烈影响，向珠江排泄，珠江水倒灌作用随季节变化明显。

3 CFG复合地基方案设计

3.1 设计思路

本项目的设计思路[3]如下：

(1)采用CFG桩复合地基，通过调节CFG桩桩长、入岩深度、桩间距及布桩形式，提高复合地基承载力，使其达到上部荷载设计要求。对于局部基岩埋深较浅的区域，采用动态设计，如检测时发现CFG单桩承载力达不到设计要求，则采用微型钢管桩穿越溶洞，作加强处理。

(2)通过灌砂、压浆等方式对基础底部溶(土)洞进行充填，保证复合地基下伏岩溶的稳定性。

(3)在筏板与复合地基之间设置褥垫层，通过调节褥垫层厚度和密实度，最大限度利用筏板底部土层的天然地基承载力，并协调冲孔桩与CFG桩之间的差异变形。

(4)在各种基础形式之间设置沉降缝与后浇带，调节不同基础之间的差异沉降，并做好地下室防水与排水设计。

3.2 分区计算承载力

本工程基坑开挖深度约10 m，根据上部结构要求，CFG桩复合地基根据上部结构荷载不同分为5个区，如图2所示。其中1～3区筏板厚度 1.8 m，依据建筑荷载计算基底反力分别为 450 kPa、500 kPa和 550 kPa，4区和5区筏板厚度 2.2 m，基底反力分别为 550 kPa和 600 kPa。

图1 按照上部荷载分区的筏板图

按国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)[4]和行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)[5]要求，地基承载力修正公式：fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)，经过上述公式反算之后，未经修正之前的复合地基承载力特征值fak，如表1所示。

复合地基修正之前的承载力分区表 表1

3.3 确定CFG桩设计参数

本项目采用φ400素混凝土灌注桩作为CFG复合地基受力桩，桩身混凝土强度等级为C20；1～4区荷载相对较小，CFG桩桩端要求进入强风化泥岩不小于 2 m或进入中风化岩，5区荷载要求较大，CFG桩桩端要求进入强风化不小于 3 m或进入中风化岩，各层岩土层参数取值如表2所示。

岩土参数取值表 表2

(1)确定单桩承载力与桩长

CFG桩的单桩承载力特征值Ra，根据表2的桩侧土与桩端岩土的性质与参数，按公式进行计算：

式中：Ra-单桩承载力特征值；

up-桩的周长(m)；

n-桩长范围内所划分的土层数；

qsi-桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa)；

qp-桩端端阻力特征值(kPa)；

li-第i层土厚度(m)；

Ap-桩截面积(m2)。

由于本场岩面起伏很大，根据钻孔土层情况进行计算，在每个区选取多个钻孔进行计算。当CFG桩端落于灰岩表面时，考虑到CFG成桩时的尖位作用，即桩端与石灰岩不一定全接触，端阻力特征值硬可塑的端阻力设计值取 600 kPa。本项目场地的基岩面变化较大，根据每个区域计算得到的单桩承载力平均值和最小值，综合分析后确定最终的单桩承载力特征值，如表3所示。

各区CFG桩单桩承载力取值 表3

根据勘察资料计算的CFG桩单桩承载力基本满足要求，但2区、3区和4区覆盖层较浅区域，个别钻孔计算的CFG桩单桩承载力特征值计算结构略低于上述设定值(约占场地全部钻孔数量的6%～8%)，可通过筏板调节共同发挥作用。如现场单桩承载力检测结果大于各区单桩承载力特征值的15%，可采用微型钢管桩局部进行加固处理。

(2)确定桩身强度

桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求：

(3)确定置换率和桩间距

地基承载力特征值计算公式如下：

式中：fspk-复合地基承载力特征值(kPa)；

m-面积置换率；

β-桩间土承载力折减系数，取0.85；

fsk-处理后桩间土承载力特征值。

CFG桩的置换率可以根据上式进行反算得，见下式：

1区采用正方形布桩，桩间距的计算公式为：

2～5区采用等边三角形布桩，桩间距的计算公式为：

式中：s-桩间距(m)；

d-桩径(m)。

计算结果如表4所示。

各区置换率与桩间距计算结果 表4

根据计算结果分析，确定实际所用1区～5区CFG桩间距为 1.00 m，其中1区按正方形布置，2区～5区按等边三角形布置，其中各区实际的置换率与符合地基承载力均满足要求。

3.4 复合地基沉降计算

按照广东省标准《建筑地基处理技术规范》(DBJ 15-38-2005)[6]要求，将褥垫层的压缩变形，桩端下卧层的压缩变形，桩长范围内桩间土的压缩变形，分开计算。

(1)褥垫层变形计算

式中：Sp1-桩顶与基础间褥垫层的压缩变形(mm)；

hco-褥垫层厚度(250mm)；

Epo-垫层变形模量(35MPa)。

(2)桩身及桩端下卧层变形计算

式中：Sp2-桩身与桩端土层的变形量(mm)；

Pp0-桩顶压应力(kPa)；

qpa-桩底持力层阻力(MPa)；

d-桩径(m)；

l-桩长(m)；

E0-桩端持力层的变形模量，强风化岩取 60 MPa；

EC-桩身弹性模量，按C20混凝土取 25 500 MPa。

(3)桩间土层的变形计算

式中：Sp3-桩间土层变形(mm)；

ψs-沉降计算经验系数；

n-地基变形计算深度范围内所划分的土层数；

Po-基础地面附加压力(kPa)；

Esi-第i分层土的压缩模量(MPa)；

Zi、Zi-1-基础底面至第i层土、第i-1层土地面范围内平均附加应力系数；

由于本场地基岩埋深较浅，在计算深度范围内，Zn取至基岩表面。根据超前钻探报告，地基压缩土包括第2-3层粉质黏土，基底以下平均厚度 1.0 m；第2-5层砾砂，基底以下平均厚度 5.4 m；第3层粉质黏土，基底以下平均厚度 3.8 m。第4-1层强风化泥岩，基底以下厚度取 5.0 m，变形计算结果如表5所示。

各区桩与桩间土变形计算结果 表5

桩变形与桩间土变形两种计算方法结果不一致且误差不超过30%的时候，取计算结果的大值，综合进行分析，本工程基础计算的总沉降约为(27.5 mm～33.0 mm)，最大沉降差异为 4.5 mm。

3.5 溶洞处理

根据地勘资料，溶洞顶板分为中风化岩和微风化岩两种，本文对溶洞顶板的抗冲切进行计算，计算公式与过程如下所述：

Fl≤βhpβ0μmfth0

式中：Fl-在荷载效应基本组合下作用于冲切破坏锥体上的冲切力设计值(kN)，此处取基桩单桩承载力；

βhp-岩体受冲切承载力截面高度影响系数；

μm-岩体冲切破坏锥体一半有效高度处的周长(m)；

h0-岩体冲切破坏锥体的有效高度(m)；

β0-冲切系数；

λ-冲垮比，计算时取1.0。

具体计算：

βhpβ0μmfth0=0.97×0.7×1.256×0.577×103×1.2=590.50 kN>Fl=410 kN

经过计算可知，CFG单桩稳定的前提是灰岩顶板达到 0.8 m～1.2 m左右的厚度，而要保证复合地基的稳定性，下伏基岩应具有更大的稳定厚度。实际上，本场地岩溶极其发育，鹰嘴岩、溶沟、溶洞等岩溶现象发育，且岩体构造裂隙发育，完整性差，在多桩复合作用下，特别是上覆土层厚度较少，桩侧阻力发挥不足时，桩端阻力将增大，桩端岩体的稳定性难以直接可靠评估。本项目根据广州地区一些成功的施工经验，对顶板厚度小于 3.0 m的溶洞，全部进行了注浆加固处理。

3.6 复合地基与钻孔桩基之间沉降差的处理

现场有少量已经施工完成的冲孔灌注桩，直径为 1.0 m～2.4 m，主要分布在5区，通过采用不同厚度褥垫层来协调冲孔灌注桩基与复合地基之间的沉降差[7]。已施工冲孔桩处使用 500 mm厚的3∶3∶4级配砂石褥垫层，其他区域采用 250 mm厚的3∶3∶4级配砂石褥垫层[8]。计算时依照桩土应力比确定冲孔桩的单桩所能发挥的承载力大小，与复合地基褥垫层的变形量初步确定软垫层厚度，再根据经验对其进行调整，CFG桩、冲孔桩与筏板连接大样如图2所示。

图2CFG桩、冲孔桩与筏板连接大样

4 现场沉降监测结果与分析

本项目共布置10个沉降观测点，筏板南侧与北侧跨度大，如有差异沉降将在筏板边缘位置体现较为明显，各布置了4个监测点，中间两处核心筒位置各布置1个监测点，关注不同荷载下筏板的变形协调能力，详细位置如图3所示。监测频率以大楼工期为准，每新建一层监测一次，封顶后继续监测，直至数据稳定，共观测了41期，获取的沉降数据如图4、图5所示。

由监测数据得知，本工程主体建筑的变形量在 7.68 mm～9.43 mm，为原计算沉降的28%左右，原因是设计时考虑的是CFG桩承载力达到极限，但现实上部荷载经过褥垫层的调节，桩间土承担了一部分的荷载，使得作用在桩的荷载减小，因而变形量小。最大差异沉降仅为 1.75 mm，筏板与褥垫层协调变形能力充分体现，这使得建成之后建筑沉降处于合理可控范围。

图4 C6-1～C6-5监测点变形量

图5 C7-1～C7-5 监测点变形量

5 结 论

通过本高层建筑中CFG桩复合地基的应用，得到以下结论：

(1)本场地覆盖层砂层厚，土洞发育，且浅层基岩岩溶发育，原始的灌注桩基础方案设计桩长过长，施工时易导致塌孔及漏浆等情况，甚至会引发地面塌陷，并不适应本场地。

(2)CFG桩复合地基克服了灌注桩施工时出现的塌孔漏浆等不良情况，并且在保证施工可行性的前提下，具有地基承载力高的特点，承载力特征值可达 410 kPa～560 kPa，能满足一般高层建筑对地基承载力的要求。

(3)CFG桩端落于灰岩表面，不需要穿过多层溶洞，仅须对灰岩表面以下溶洞顶板小于 3.0 m的溶洞进行处理即可保证CFG桩的单桩稳定性，大大减小溶洞注浆处理的量。

(4)通过对建筑主体沉降数据的分析，建筑变形沉降为 7.68 mm～9.43 mm，最大差异沉降仅为 1.75 mm，满足了一般高层建筑对变形的要求，也验证了褥垫层能有效调节地基变形。

综上所述，CFG桩复合地基对于覆盖层较厚且难以获取稳定基岩持力层的场地具有良好的适用性。桩体材料价格低、施工方便、节省投资，是一种较理想的基础方案，具有广阔的推广前景。