CFG桩复合地基变刚度调平设计与分析

卢萍珍 齐 微 孙宏伟 方云飞

（北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045）

0 引言

因建筑功能上的需要，在高层主楼周边往往配置有低层裙楼或纯地下车库。由于两者层数、荷载相差大，基础差异沉降量的控制[1]成为设计的重点和难点；当地下水水位高，同时裙房或纯地下埋深较大，需要增设抗浮构件时，以上问题更为突出[2-3]。

CFG桩复合地基[4]技术具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价相对低廉的特点，因此亦被较多地应用于高层建筑中，是北京及周边地区应用最普遍的地基处理技术之一[5]。周 宸等通过现场足尺试验，研究了CFG 桩的受力特征[6]；化建新等系统综述了2015年以前CFG桩复合地基在建筑工程中的研究及应用进展[7]；吴民利分析了褥垫层厚度对CFG 桩桩土应力分担比的影响[8]；郭密文等[9]、王杨等[10]分析了采用CFG 桩进行变刚度调平设计，采用变桩径、桩长或桩间距，解决核心筒承载力要求高、周边承载力要求低的问题。本文侧重介绍大面积地下室连成一体的多塔结构，主楼采用CFG桩复合地基，裙房采用抗浮桩构件条件下，基于差异变形控制的协同设计与分析。

1 工程概况

北京国际文化硅谷园位于北京市朝阳区将台乡，东北五环路与机场高速公路交汇处的南侧，东侧为酒仙桥东路，南侧临近万红路，西侧为798 艺术区，北侧为酒仙桥北路。根据相对于电子城一号街的地理位置，本工程分为北区和南区。南、北两区均主要由2 栋高层办公楼及地下车库组成。其中高层办公楼地下2 层，地上13 层，高60 m，钢筋混凝土框架-剪力墙结构；地下车库为框架结构，地下2 层。基础形式均为梁板式筏形基础。

本工程±0.00 为绝对标高35.00 m，基底标高主楼-12.47 m、纯地下车库-11.87 m，地基土为细砂-粉砂③层，局部为黏质粉土④层、重粉质黏土-黏土④3层，地基承载力标准值fka综合取值130 kPa。地基基础设计等级为甲级。建筑平面内既分布有较高的集中荷载，同时有大面积的超补偿建筑，使得置于同一基础结构单元的各高层建筑与周边部位之间的差异沉降问题十分突出，因此，如何协调与控制各建筑的基础差异沉降是结构设计面临的严峻问题。本文着重介绍北区地块的地基基础设计与分析。图1所示为北区三维结构模型，图2 为北区主楼标准层结构分布图示。

图1 北区三维结构模型

图2 北区主楼标准层图示

2 场区条件

2.1 岩土工程条件

拟建场地位于永定河冲洪积扇中下部，其第四纪沉积物主要为永定河冲洪积物。以粉质黏土、粉土与砂土交互沉积为主。在地勘钻探揭露的最大勘探深度45.0 m 范围内，可分为10 个大层，其中场区表层为厚度0.5～3.3 m 的人工堆积层，自标高31.57～33.99 m 以下为一般第四纪沉积层。根据该项目详勘报告，基底以下各层土的物理力学性质指标如表1所示。典型地层剖面见图3。

图3 上部结构与地基基础相对位置关系图

表1 地层岩性物理力学指标表

2.2 水文地质条件

勘察期间(2015年9月中上旬)场地33 m 深度范围内共揭露5 层地下水，自上到下依次为台地潜水、潜水（3 层）和承压水（见表2）。近3～5年最高水位标高为32.50 m 左右（不包括上层滞水）。本工程的建筑抗浮设计水位标高按32.50 m 考虑。

表2 场地地下水情况一览表

3 设计方案

本工程主楼因地基承载力不足采用CFG桩复合地基，裙房因抗浮需要布置抗浮桩。主楼结构体系与常见框架剪力墙结构不同之处在于，标准层层层有外悬挑（2.10 m），且外框柱与核心筒距离较大（12.10 m），同时局部外框柱邻近地下室外墙，基础底板没有外扩条件（见图1、图2），导致局部框架下荷载集度明显增大。通过不断调整地基与基础刚度，完成的计算分析工作包括：岩土工程指标到工程所需参数的转化；考虑地基与结构相互作用的差异沉降变形计算分析；变刚度调平差异变形的地基设计方案分析；控制与协调不均匀沉降的工程措施分析与计算验证等，最终目标为使沉降分析结果满足变形设计要求，即地基处理后建筑物最终最大沉降不大于50 mm，差异沉降不大于0.1%l。

基于变形协调，考虑主楼基底应力的扩散，主楼厚板延伸到第一跨纯地下车库柱，同时在距离主楼框架柱一跨外起，根据纯地下车库各区域抗浮荷载及单桩抗拔承载力，进行纯地下区域抗浮桩布置。

最终地基基础方案中，裙房抗浮桩采用桩径600 mm，桩长17.50 m，桩身混凝土强度C35，单桩竖向抗拔承载力标准值Rtv=700 kN，按裂缝控制计算[11]，桩身配筋12 22。

各建筑部位CFG桩复合地基设计参数见表3。为了提高桩土应力比，有效控制差异沉降，本工程褥垫层整体厚度为150 mm，局部框架柱下为100 mm（如图4 中斜线填充区域所示）[7-8,11]。

表3 CFG桩复合地基设计参数

CFG 桩及抗浮桩与地层相对位置关系见图3，平面布置见图4。

图4 CFG 桩及抗浮桩平面布置示意图

4 沉降变形分析

基于CFG 桩及抗浮桩设计成果，进行沉降变形分析复核。

本工程沉降变形计算采用国际岩土有限元软件PLAXIS 3D 进行模拟。其中抗拔桩采用程序自带Embedded Pile 单元，基础底板采用Plate 单元，梁采用Beam 单元。各土层岩土物理力学参数基于表1。

目前关于CFG桩复合地基变形计算的数值方法大致有两种，一种为基于规范[4]传统的复合土层法，一种为桩体置换法。前者将桩间土和增强体综合考虑为复合土层单元，用复合土层的参数进行模拟计算；后者在模型中考虑了褥垫层，建模过程中采用特定的结构单元模拟复合地基中的增强体[12-14]。本项目中CFG桩复合地基的数值模拟采用复合土层法。

最终方案的计算模型见图5。计算结果见图6。

图5 有限元计算模型

图6 沉降变形云图

根据沉降计算结果，建筑物最大沉降量为40 mm，发生在北侧框架柱下；核心筒下整体沉降变形较均匀，平均沉降量24.8 mm。主楼框架柱与纯地下柱之间差异沉降量计算值最大约为0.092%l；核心筒与外框柱之间的差异沉降最大约为0.050%l。最大沉降量小于结构设计允许值（50 mm），差异沉降满足设计及规范不大于0.1%l的相关要求。

5 工程检验

5.1 复合地基

已有工程案例表明，当桩端持力层赋存地下水且具承压性时，易导致桩端部混凝土浇筑不密实或因扰动形成桩底虚土[2]。

在各方密切配合下，本工程所检测的CFG 桩单桩完整性检测满足设计要求；CFG桩复合地基工程桩单桩Q-s曲线见图7。加载至单桩承载力极限值时，各CFG 单桩桩顶累计沉降量为9.73～15.16 mm，加载至单桩承载力特征值时桩顶沉降为2.44～4.28 mm，达到设计要求。

图7 单桩静载试验Q -s 曲线图

CFG桩复合地基单桩复合检测p-s曲线见图8。最大加载量860 kPa 时，沉降量16.49～20.14 mm；最大加载量1240 kPa 时，沉降量15.83～19.62 mm；加载至复合地基承载力特征值430 kPa 时，沉降量4.36～6.07 mm；加载至620 kPa 时相应的复合地基沉降量3.31～6.53 mm，均达到设计要求。

图8 单桩复合静载试验p-s 曲线图

5.2 抗浮桩

根据检测报告，所检测的抗浮桩均为Ⅰ类桩，检测所得U-δ曲线见图9。最大加载量1400 kN 时对应的上拔量4.07～6.23 mm。加载至单桩抗拔承载力特征值700 kN 时，桩顶上拔量为1.38～1.49 mm，满足设计要求。

图9 抗浮桩U-δ 曲线图

5.3 沉降观测

本工程沉降观测因故从主楼地上2 层开始。根据沉降观测数据，结构封顶后约300 d（第15 期）测量到沉降等值线图见图10，其中最大沉降量在A1楼核心筒东南角，为15.0 mm；从地上2 层开始到封顶后约500 d（第16 期），未破坏的观测点沉降曲线见图11，最大实测变形量15.4 mm，沉降速率≤0.83 mm/100 d（J10 观测点），满足规范[11]1 mm/100 d的稳定要求。

图10 沉降观测等值线图（单位：mm）

图11 施工过程沉降观测曲线图（单位：mm）

假定基础底板到地上2 层产生的变形与地上2层到沉降稳定呈线性发展关系，推测出基础底板到地上2 层施工期间的变形约为5.6 mm，则总最大变形量约21.0 mm，小于核心筒处预测平均沉降量24.8 mm。

6 结论

通过地基基础设计、计算和协同分析，最终采用了科学合理的结构刚度和地基刚度，在兼顾抗浮的前提下控制了差异沉降，减小了结构底板次内力，确保了工程安全，并提高了经济效益。主要结论包括：

（1）在主楼与纯地下荷载集度差异较大、且纯地下结构存在抗浮需求时，进行地基基础的整体考虑、协同分析，有利于合理发挥有利要素，消除或规避不利因素，从而制定出科学、经济、合理的地基基础方案。

（2）可以通过对CFG桩复合地基采用变桩间距、变褥垫层厚度等措施达到变刚度调平设计的目标。

（3）工程检验及沉降观测成果资料表明，本工程设计安全、合理。