CFG桩复合地基在高层建筑地基处理中的应用

魏 亚

上海张江科技园平湖联合发展有限公司 上海 201203

城市高层建筑经常需要进行地基处理，CFG桩复合地基则在各种地基处理方法中脱颖而出并被广泛使用。CFG桩复合地基技术是上世纪八十年代被科研团队研发出来的新型地基处理技术[1]，并于上世纪九十年代末得到了进一步的发展，施工工艺得以改善，成为我国各工程中重要的地基处理技术[2][3]。由于CFG桩复合地基技术有着在相对较低造价的同时能大幅提高地基承载力、可适用范围广等特点[4]，在众多地基处理方法中一直处着重要的地位，被广为使用，因此CFG桩复合地基在当下仍是工程界重要的研究领域。

1 CFG桩地基处理在本工程中应用

1.1 项目概况

项目占地230亩，总建筑面积40.7万m2，涵盖高层住宅、多层住宅、低层住宅。项目3号楼建筑尺寸长X宽：43.2m×16.05m，主体为剪力墙结构，总楼层数为26层，采用CFG桩复合地基技术对地基进行处理。本文以该住宅楼为例，对CFG桩复合地基在高层建筑工程中的实践应用进行分析。

1.2 工程地质情况

本项目3#楼建筑底面尺寸为43.20m×16.05m，基础埋深为-5.9m，基底压力为447kPa。根据地质参数（详见表1），基础底面标高位于第三层土，根据表1，三层土为粉质粘土，承载力相对较弱，天然地基无法满足建筑的需求，因此本工程需要对地基进行处理。根据设计所提供的方案以及现场施工的便捷性，地基处理方案拟用CFG桩复合地基。

表1 地质参数

1.3 地基处理注意事项

本文根据项目具体实施情况，对CFG桩施工总结以下几点注意事项：

（1）CFG桩施工时钻机所带出来的土应在打桩时及时清理，若事后再使用挖机等工具进行清理，很容易对CFG桩造成成品破坏，形成浅层断桩，这不仅会给后期检测带来一定的麻烦，更是会费时费力去处理断桩，影响工期；

（2）截凿桩头时，切记要叮嘱好工人两边同时对凿，很多工人不按要求两边对凿，而是在一个方向开凿桩头，从而使得桩头断裂；

（3）CFG桩施工期间，应严格把关所用混凝土的塌落度，若塌落度太大出现离析现象，会造成堵管；若塌落度太小，混凝土流动差，也会很难正常泵送，不仅影响施工进度，也会使得桩身质量受到影响。

2 CFG桩复合地基的工作和变形机理分析

CFG 桩复合地基是由三个部分组成，组成结构包括桩体、天然土以及褥垫层(见图1)，三者共同承担上部结构所传递的荷载[5]。其中褥垫层是十分重要的组成部分，它不仅关系着CFG桩复合地基是否能够完全的发挥其承载力，还对控制沉降起着重要的作用。与桩承台等构件相比较，褥垫层的刚度要小很多，呈柔性，且覆盖在土体上方，因此褥垫层能够比桩承台等构件更好的调整桩土应力，减小桩土应力的差异和不均匀，使得桩土更加均匀的受力，变形更加协调，有助于改善整个地基的变形[6]。

图1 复合地基组成示意图

根据上部荷载作用情况不同，CFG桩复合地基由开始工作到发生破坏失去作用，一共可以分为以下四个阶段阐述。

第一阶段，上部荷载通过褥垫层传递到下面的CFG桩和土体。由于桩比土的模量大[7]，在受力面积相同时，桩比土分担的荷载多，致使CFG桩比土体下沉趋势大，CFG桩体相对桩周土体呈现下移的趋势，桩周土会给桩一个向上的摩擦力，以此力来抵消桩与土体之间的相对运动，桩体与土体受力平衡，变形一致，且二者能够共同受力。

当荷载继续增大，桩体与土体变形进入下一个阶段。在竖向荷载的作用下，褥垫层开始下沉，土体的变形加大，而桩体在此时的变形则要比土体小很多。与第一阶段不同，此时桩体相对于桩周土上移，土体对桩会从桩顶开始在一定范围出现与第一阶段方向相反的摩擦力，在向上与向下的摩擦力共同影响下，桩长的某个位置将出现摩擦力为零的中性点。同时，随着褥垫层的下沉，CFG桩桩顶将相对上移进入褥垫层。随着荷载的增大，褥垫层下沉量继续增大，中性点即摩擦力为零处的位置将沿桩长方向持续下移，并且中性点以下的正摩擦力（方向向上）持续增加，最后逐步迈入极限值[8]。

当超过极限值，桩体与土体变形进入第三阶段，此阶段桩周土的摩擦阻力全部发挥完毕，桩端阻力发挥其作用，下卧层为CFG桩发挥端阻力的持力层。

当上部竖向荷载进一步增加，CFG桩底部应力也随着荷载进一步增加，最终桩端会在某一时刻刺入下卧层。在此刻，桩体顶部刺入褥垫层，桩体底部刺入下卧层，CFG复合地基的受力状态已几乎达到极限。在此极限状态下，若再持续加大荷载，桩体与土体变形进入最后一个阶段。此时由于CFG桩的刚度比较大，桩体本身受荷载作用而产生的压缩量已可以忽略不计，不会再有明显的变形，而土体和褥垫层依旧会产生下沉，从而使得桩体继续刺入上部褥垫层与下部持力层，直到发生刺入破坏[9]。此时CFG桩复合地基结构发生破坏，结构不再安全[10]。

3 CFG桩地基处理设计

3.1 地基处理设计思路

本项目3#住宅楼基础埋深为-5.9m，根据地勘所提供地质参数，基础所在天然持力层为第三层，持力层土体的性质和承载力详见表1，求得承载力的修正值为203 kPa，而基底压力为447kPa，承载力远远小于基底压力，无法满足规范和使用要求，因此本工程要进行地基处理。CFG复合地基设计过程如下：

3.2 CFG桩设计

（1）在设计阶段，单桩竖向承载力按照式3-1估算：

式中，桩径由设计人员根据实际情况综合考虑而定，桩身周长up和桩截面面积Ap根据所取桩径求出，桩端端阻力发挥系数αp取值为1.0，各层土的侧阻特征值qsi、各层土厚度Lsi以及桩端端阻力特征值qp根据工程地勘所提供的参数依据取值，若地勘所给侧阻力和端阻力为标准应，则应转化为特征值，特征值为标准值的一半。

根据式3-1可以得出，单桩竖向承载力特征值Ra=800kN（取整）。

（2）复合地基的承载力特征值的计算：

式中，天然土承载力修正值fsk取值为203kPa，单桩承载力发挥系数λ取值为0.80，桩间天然土强度发挥系数β取值为0.90，面积置换率m由式3-3求得：

根据式3-2和式3-3求得fspk=450kpa（取整）。

（3）因复合地基对上部荷载的传递路径与天然地基有所区别，偏于安全考虑，CFG复合地基与天然地基的修正系数取值也有所不同，复合地基承载力修正见下式：

式中，基础底面以上土的加权平均重度γm取值为18kN/m3；0表示未进行宽度修正，1.0为深度修正系数，埋深d的取值为2.5m。

根据式3-4求得修正后复合地基的承载力特征值fspa=486kpa。

（4）修正以后，桩身强度还应满足下式：

本工程桩身等级fcu为C25>21.6，满足设计和规范要求

3.3 沉降量验算

基础的总沉降量s由桩长范围土层的压缩量s1、下卧层的压缩量s2、褥垫层的压缩量s3这三部分组成[11]。因此变形量可按下式：

计算中，可以将复合土层看作为天然土层进行分层，此时需要对复合土层的模量进行等价变换，模量变换示意图详见图2，因褥垫层的变形非常小，因此可以忽略不计，地基变形公式化为式3-7。

图2 复合地基中各土层的复合模量示意图

式中，ψs为修正系数，取值为0.2，n1和n2如图2所示，P0为准永久组合下的基础底面附加应力，Zi和Zi-1为所对应土层到基础底面的竖向距离，αi和αi-1可根据规范查得。

根据式3-4求得最终沉降量s=44.23mm。

4 桩检测和建筑物沉降观测

4.1 桩检测

本工程一共有318根CFG桩，其中进行了桩身完整性的检测的CFG桩有66根，检测方法为低应变法。所检测桩数占CFG桩总数的20.8%。检测结果59根为Ⅰ类桩，占比89.4%；7根为Ⅱ类桩，占比10.6%；Ⅲ桩和Ⅳ桩皆为0根，因此3号楼的桩身施工质量和成型效果良好，满足设计和规范的要求[12]。

对于桩身承载力，以随机检测的其中一个CFG桩为例，桩编号为S1#，桩长为22m，其Q-s载荷曲线图如图3，从图中可知，荷载加载最大值为1890KN，本工程基础施工图设计说明中单桩竖向承载力特征值为800KN，现场所测值大于设计值，满足要求。

图3 Q-s曲线

4.2 沉降观测

本工程的沉降观测一共分为五个阶段，施工期间上部荷载每增加20%时为一个阶段，即施工到第5层为第一阶段，第10层为第二阶段，依次类推，直到封顶时为最后一个阶段。本工程3号楼暂未封顶，暂有沉降观测数据如下表：

表2 沉降观测值

根据所测沉降值以及沉降速度，综合设计所给沉降量计算值，3号楼最终沉降量将远小于规范所要求200mm，因此3号住宅楼的沉降满足规范要求。

5 结论

本文根据工程设计与施工实例，对CFG复合地基的应用进行了分析介绍了地基处理的设计思路和设计结果，并给出了CFG桩成品包括桩身完整性、单桩竖向承载力的检测结果，介绍了沉降量的与实测沉降量等。通过对设计结果与施工成品的检测结果对比分析，认为高层住宅建筑采用CFG复合地基的地基处理方式效果良好，能够保证建筑结构的安全性。并根据施工工况，围绕CFG桩施工工艺和CFG桩成品质量提出几点注意事项。期望本文可以为相关工程的作业提供一定的参考和借鉴意义。