砂土层地基上CFG桩复合地基处理与优化设计

陆晓磊，赵云辉，蒲攀宇

（1中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队，江苏 南京 210000；2防灾科技学院，河北 三河 065200）

0 前言

随着近年来城市发展速度的加快，高层建筑物越来越多，这对地基基础的承载力、沉降量和稳定性的要求也就越来越高。在进行设计前，应综合分析工程地质条件，合理选择地基处理方法，以提高其适用性和经济性[1]。基础工程中一般采用地基处理和桩基础两类措施来改善工程特性[2]。在北京地区，CFG桩复合地基处理技术已得到广泛应用，对于一般工程来说，此项技术既经济又安全可靠[3]。CFG桩由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的具有一定强度的可变强度桩，一种低强度混凝土桩，可充分利用桩间土的承载力共同作用，并可传递荷载到深层地基中去，具有较好的技术性能和经济效果。许多专家或者学者对其进行过研究，黄生根[4]通过现场试验研究了带帽CFG桩的承载力性能以及CFG桩中土的受力特性，发现带帽CFG桩承载力发挥程度远大于土的承载力发挥程度；岳强[5]等通过工程实例，详细介绍了规范中CFG桩的设计方法及在工程设计过程中存在的问题，具有一定的理论指导意义；桑松魁[6]等依托静荷载试验研究了CFG桩复合地基的承载性状与沉降变形的主要影响因素，发现CFG桩复合地基的沉降变形主要来自桩身的压缩量；于猛[7]等分析了CFG桩复合地基的设计方法，给出了四种情况CFG桩复合地基的实用设计方法，并提供了具体算例为相关工程设计提供参考；李国胜[8]比较了多个规范，总结了CFG桩复合地基设计方法，并探讨了CFG桩穿越不同土层时的设计方法。

通过总结的成果，发现大部分学者研究内容局限在CFG桩本身的性能、试验设计计算以及加固效果，对于桩端持力层位于砂土层上的CFG桩复合地基的地基处理和优化设计相关的研究内容较少。为了扩大CFG桩的应用范围和适用性，本文介绍了CFG桩持力层在砂土层地基上的复合地基处理方法，并对方案进行了优化设计，可为工程实践和进一步的研究提供参考依据。

1 工程概况及地质条件

工程为北京市海淀区某拟建21层住宅楼，其中地上18层，筏板基础，基础埋深11.3m。地基持力层承载力标准值为200kPa。要求地基承载力设计值达到360kPa。拟建场区自然地面标高约在41.50～44.50m。根据场区周边揭示基岩的深层地质资料，拟建场区的覆盖层厚度约在160m左右。地面以下至基岩顶板之间的土层岩性以粘性土、粉土与砂土、碎石土交互沉积土层为主。在本工程岩土工程勘察的勘探深度范围内（最深36.00m）的地层，按成因类型、沉积年代可划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层三大类，并按岩性及工程特性划分为10个大层及亚层，现分述如下。

表层为人工堆积之一般厚度为0.40～3.80m的房渣土、碎石填土①层，粘质粉土素填土、粉质粘土素填土①-1层及细砂素填土①-2层。

人工堆积层以下为新近沉积之粉质粘土、粘质粉土②层，砂质粉土②-1层及粘土、重粉质粘土②-2层；细砂、中砂③层，细砂、粉砂③-1层、圆砾③-2层及砂质粉土、粘质粉土③-3层；受人为取土影响，局部该大层缺失。

新近沉积层以下为第四纪沉积之粉质粘土、粘质粉土④层，粘质粉土、砂质粉土④-1层及有机质重粉质粘土、有机质粘土④-2层；细砂、中砂⑤层，圆砾⑤-1层及粉质粘土⑤-2层；粉质粘土、粘质粉土⑥层，粘土、重粉质粘土⑥-1层，砂质粉土、粘质粉土⑥-2层及细砂⑥-3层；粉质粘土、粘质粉土⑦层，粉质粘土、粘质粉土⑦-1层，粘土、重粉质粘土⑦-2层及细砂、中砂⑦-3层；细砂、中砂⑧层及圆砾、卵石⑧-1层；粉质粘土、粘质粉土⑨层，粘质粉土、砂质粉土⑨-1层及有机质粘土、有机质重粉质粘土⑨-2层；细砂、中砂⑩层。具体参数见表1。

地基土物理力学性质参数表 表1

2 CFG桩工程设计应用

2.1 设计方法

按照规范[9]要求进行承载力的计算，首先确定面积置换率，可按下式计算：

式中：m为桩土面积置换率；d为桩身平均直径（m）；de为1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，按正方形布桩de=1.13s。

CFG桩单桩承载力特征值计算公式：

其中，μp为桩的周长，取 μp=3.14×600=1884mm；n为土层数；qsi为桩长范围内土层极限侧阻力标准值；li为桩长范围内第i层土的厚度 (m)；αp为桩端端阻力发挥系数，按地区经验取αp=1；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值，根据勘察报告取qp=700kPa；Ap为桩截面面积，取 Ap=3.14×0.3×0.3=0.28；

桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求：

然后计算复合地基特征值，计算公式如下：

式中，β为桩间土承载力折减系数，取β=0.8；fsk为处理后桩间土的承载力特征值，取fsk=350kPa；

桩数的确定按下式计算：

式中，n为桩数，A为基础底面面积。

2.2 CFG桩工程设计

比较表1中土层参数，⑤-1层圆砾土其天然地基承载力与其他土层相比较大，作为CFG桩桩端持力层较为合适。

该设计中采用CFG桩中的长螺旋钻中心压灌工艺，根据规范成桩桩径宜为350mm～600mm，桩间距宜为3～5倍桩径。采用正方形布桩；桩顶与基础之间的褥垫层材料选用碎石，厚度200mm。初步设计桩径600mm，桩间距2.0m，有效桩长4.0m。按公式（1）和公式（2）分别计算出面积置换率m=0.07和单桩承载力特征值 Ra=680.12kN，由公式（3）计算可知，fcu=9626.67kPa，为满足规范[10]要求，该设计需采用标号C20的商品混凝土方。根据公式（4）算得复合地基特征值为428.87kPa，满足要求设计要求 360kPa，根据公式（5）求得桩数143根。

用分层总和法计算沉降量，计算公式为：

式中：S1为加固区沉降量；S2为非加固区沉降量。

依据规范[9]中沉降计算方法，按1m分层，则当前深度向上取厚度为1m的土层深度16m。计算结果见表2，该深度下土的沉降值为△s'n=2.087mm，计算△s'n/∑△s'i=0.0196≤0.025，所以本层土已满足要求。按分层总和法计算出的地基沉降量106.67mm。

最终沉降计算公式：

分层总和法沉降计算 表2

式中：Ψs为沉降计算经验系数。

复合地基沉降计算中Ψs的取值与地基变形计算深度范围内压缩模量的当量值有关，该计算公式为：

3 CFG桩优化设计

根据规范要求成桩桩径宜为350mm～600mm，桩间距宜为3～5倍桩径，由公式（1）计算得其面积置换率在0.03～0.09之间。所以为保证V最小，取最小值0.03。当面积置换率为0.03时，通过公式（1）反推可得桩间距为5倍桩径。所以当桩径d=400mm，s取2000mm，根据公式（5）计算得n=137根，同时得到当桩 径 d=500mm，s取 2500mm，n=88 根，当桩径d=600mm，s取3000mm，n=67根。

由于桩径d，桩间距s以及桩长L是变化的，这就涉及到如何选取能达到在保证满足设计要求的前提下成本费用最少的目标，其中，成本费用=材料费+人工费+机械租赁费。根据相关资料显示，北京地区的CFG桩桩体材料价格约为每立方米450元，每根桩产生的成孔、排土、垃圾清运等其它费用约为1600元，因根据该工程地质勘查报告资料所示，为保证桩端持力层位于较大承载力地层上，本设计采用固定桩长4m。表3为总费用计价表。

总费用计价表 表3

总费用与桩径函数图

根据表3拟合得到桩径规格与总费用的函数图像，如下图所示。

从图1中可得，当桩径取470mm时，总费用最低。结合CFG桩螺旋钻钻杆规格考虑，并不具备470mm的钻杆，所以在该工程条件背景下桩径只能取500mm，使得总费用最低。所以最终设计取桩径500mm，桩间距2.5m，桩长4m。经计算得复合地基特征值为364.04kPa，最终沉降量27.92mm。满足要求。

4 结论

①CFG桩复合地基处理承载力较低的砂土层地基可行的，其桩端具有非常明显的端承作用，处理后的复合地基承载力和地基沉降量均符合设计要求。该方法施工简便，振动及噪声小，本文的计算分析方法可为类似的实际工程提供参考依据；

②原地基处理方案中，CFG桩径为500mm，桩间距为2m，经此方案处理后的地基承载力大且地基沉降量小，但需额外增加约26.6万元的工程造价，未能体现工程设计的经济性理念。在进行CFG桩复合地基处理和桩体直径的选择时，应充分进行计算，并不是桩体直径越小，工程造价越低。通过上述的设计验算及优化，设计桩长5m，桩径500mm。地基经过处理后，复合地基的承载力可以达到364.04kPa。基础的最终沉降量为27.92mm，满足使用要求。