CFG 桩复合地基设计及载荷试验研究

倪先栋

（河北齐荣工程设计服务有限公司，河北 邢台 054000）

1 引言

为了减小建筑结构的占地面积，缓解地面交通，高层建筑的设计施工也逐年增多。相较于普通建筑结构而言，高层建筑的荷载较大、设计难度较大，一般对地基承载力、沉降量等方面的控制也更加严格，从而使得选择经济、合理、可行的地基处理方案成为保证整个建筑项目安全性的重要前提之一【1】。在城市高层建筑设计过程中，地基处理设计是重中之重，反之，如果地基处理方案设计不合理，往往会引起设计返工、设计质量下降、工期推迟等问题。相关学者研究表明【2】，传统的地基处理措施（如换填、强夯等）无法提高高层建筑的结构性能，而桩基础虽能满足要求，但其造价高，工期长。因此，为了城市建筑的设计质量，推动我国城市整体建设水平，研究CFG 桩复合地基设计及载荷试验具有十分重大的工程意义。

2 工程概况

2.1 项目简介

该建筑工程属框架-剪力墙结构高层住宅，设计使用年限为50a，建筑结构包括地上28 层，地下2 层，总高度为96m，其中建筑场地复杂程度和地基复杂程度均为二级。

2.2 地层信息

对根据地勘钻探、现场荷载试验、理论公式推导的数据展开了详细的分析，将该建筑场地范围内的地基土共划分为6层，各层土的名称和物理力学参数如下：①层为杂填土，其密度 1 387kg/m3、弹性模量 24MPa、黏聚力 38kPa、内摩擦角 22°；②层、③层为粉质黏土，其密度1 875kg/m3、弹性模量21MPa、黏聚力30kPa、内摩擦角26°；④层为粉细砂，其密度1 875kg/m3、弹性模量30MPa、内摩擦角25°；⑤层为粉质黏土，其密度1 875kg/m3、弹性模量 21MPa、黏聚力 30kPa、内摩擦角 26°；⑥层为黏土，其密度2 200kg/m3、弹性模量30MPa、黏聚力25kPa、内摩擦角 25°。

3 CFG 桩复合地基设计

3.1 桩径、桩间距确定

查阅相关规范得到，CFG 桩的桩径宜选择在350～600mm。根据工程经验可知：如果CFG 桩的桩径过小会对控制质量产生一定程度的不利影响；CFG 桩的桩径过大会导致工程造价高，且无法确保桩土协调，故将CFG 桩桩径定为450mm。

在其他控制因素均相同时，随着桩间距的减小，CFG 桩承载性能会不断改善。如果桩间距小于3 倍桩径时，CFG 桩承载力的增长速率可能出现一定程度的降低。因此，通过综合考虑CFG 桩承载力、施工工艺、工程造价等因素，确定CFG 桩按照正三角形布置、桩间距为4 倍桩径大小，即桩间距取1.8m，

3.2 桩端承载力选取

CFG 桩一般要求桩的底端处在承载性能较好的稳定土层之上。按照该项目的岩土工程勘察报告，选取⑤层粉质黏土作为CFG 桩的持力层，且在施工过程中必须确保CFG 桩的底端进入该层的深度最低为2.5m。

3.3 面积置换率估算

CFG 桩土复合地基的面积置换率是指竖向增强体的横断面积与其所承担的复合地基面积的比值【3】，可通过式（1）来计算：

式中，d 为桩的直径，m，de为桩的等效直径，m。

代入数据可得，该项目CFG 桩的面积置换率为0.045。

3.4 地基承载力计算及修正

在开展CFG 桩土设计时，单桩承载力特征值可参考当地的经验数据。若无经验数据，可利用式（2）来估算：

式中，λ 为CFG 桩承载力发挥系数，取0.85；β 为桩间土发挥系数，取 0.85；Ra为单桩承载力，kN；Ap为单桩面积，m2；fsk为处理后桩间土的承载能力，取265kPa。代入数值可计算出CFG 桩承载力为740kPa，符合规范要求。

按照式（2）得到的CFG 桩承载力特征值不能直接使用，需要进行一定程度的修正。根据规范要求，CFG 桩土承载力应当不做宽度修正（修正系数取0），基础埋置深度的修正系数取1。

4 CFG 桩复合地基现场载荷试验

4.1 单桩竖向静压试验方法

本文试验的理论依据是JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》，加载方式是快速堆载，最大试验荷载取单桩竖向承载力特征值的2 倍（1 480kPa）。根据基桩检测规范可知，每级荷载加载后，间隔15min 要记录桩顶沉降变形值，每级荷载至少维持60min。与此同时，CFG 桩在卸载回弹过程中，每级荷载维持至少15min。

4.2 荷载试验结果分析

CFG 桩复合地基现场载荷试验得到了加载和卸载过程中每级荷载下的桩顶位移及累计位移，如表1 所示。

表1 CFG 桩复合地基现场载荷试验数据记录

根据表1 统计结果，利用origin 软件绘制了不同荷载作用下桩的变形量，得到的Q-S 曲线如图1 所示。

图1 不同荷载大小下CFG 桩桩顶的沉降值

单桩竖向静载试验结果表明，加载阶段：CFG 桩桩顶变形量会随着荷载的增加而增加，且增加速率逐渐加快【4】。当试验最大荷载达到1 480kN 时，CFG 桩桩顶累计沉降最大值达到10.95mm，且该级荷载下桩顶变形值为2.35mm；卸载回弹阶段：CFG 桩在卸载为0 时，其桩顶变形回弹量为5.22mm，变形回弹率达到了47.7%，桩顶残余变形量为5.73mm，且在最后一级卸载时沉降量回弹速率最大。

5 结语

本文依托河北省某高层住宅结构的建设场地，并参考相关规范，针对CFG 桩复合地基的设计参数、关键点、现场荷载试验等方面展开了探讨，得到了CFG 桩桩径、桩间距依次为450mm、1.8m、面积置换率是0.045，计算出CFG 桩承载力为740kPa。同时，采用快速堆载法针对CFG 桩开展了单桩竖向静压试验。试验结果表明，CFG 桩桩顶变形量会随着荷载的增加而增加，且CFG 桩复合地基在卸载达到0 时，桩顶的沉降量减小速率最大，其变形回弹率能达到47.7%。研究成果可以为类似建筑项目的CFG 桩地基处理设计提供工程指导。