CFG桩复合地基在高层结构的应用

郭培成

[摘  要]：在工程建筑结构设计过程中，基础设计环节尤为重要，基础与复合地基的选择不仅决定工程的进度，同时也影响总体的造价。文章通过改变CFG桩的桩距、桩长、持力层、垫层厚度，提高复合地基承载力，从而降低筑物沉降，更好地发挥经济效益，为今后类似工程提供有效的参考。

[关键词]：CFG桩; 复合地基承载力; 沉降

TU472.3+6B

水泥粉煤灰碎石桩复合地基是指由水泥、粉煤灰、碎石、砂或石屑等混合材料加水拌合在土中，灌注形成竖向增强体的复合地基（简称为CFG桩），桩、桩间土和褥垫层一起构成复合地基，共同承受结构所受的外力。CFG桩复合地基近20年在多、高层建筑结构中普遍采用的一种地基处理方法和基础类型，不仅可以改善软弱地基的承载力，而且还可以有效减小建筑物的沉降，缩短基础施工的时间，降低地基基础造价，因而在地基处理应用中得到了较快的发展。在实际工程案例中，CFG桩复合地基可以使地基承载力特征值提高至600～700 kPa[1]，个别区域可以增加至800 kPa左右，经济效益明显改善，在很多地区越来越受欢迎。CFG桩复合地基适用于公路路基、铁路路基、房屋建筑等领域[2]，常用于填土、黏性土、粉质黏土、淤泥、松散砂土等地质环境。对于软弱或相对软弱的地段，可以达到预期的地基承载力和有效地控制地基变形。

1 工程概况

某小区共有18栋高层住宅楼，采用钢筋混凝土剪力墙结构体系，规划总建筑面积402 500 m2，占地面积75 824 m2。1～9栋为地上28层，地下室为2层，结构总高度89.9 m;10～18栋为地上33层， 地下室为3层，建筑高度105.7 m，结构高度103.4 m。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，地震分组第二组，基本风压0.40，结构体型系数1.4，基本雪压0.5，建筑物抗震设防类别为丙类，场地类别Ⅱ类，设计基准期50年，使用年限70年，结构安全等级二级，剪力墙厚度从下至上厚度依次为300 mm、250 mm、200 mm;混凝土强度从下至上剪力墙为C50、C45、C40、C35、C30、C25 6个等级，梁板混凝土C40、C35、C30、C25 4个等级;地下室部分区域为人防地下室，其余为普通地下室。结合基础工程形式以及地下室规模、地上层数综合分析，最后确定地基基础设计等级为甲级。考虑地质情况与上部主体荷载，基础类型初步方案考虑为：箱型基础、独立基础、桩基础（灌注桩、预制桩）、CFG桩复合地基等，结合地质条件、基础造价费用、施工工期等综合考虑后，最后选定采用筏板基础与CFG桩复合地基。

2 CFG桩复合地基工作原理與施工顺序、注意事项

CFG桩与其它桩基明显不同，CFG桩复合地基由桩间土、褥垫层和桩体3部分组成.为了更加有效使桩、桩间土能形成整体共同受力，在桩的顶部铺设150 mm左右厚度的褥垫层，垫层材料可以选择级配良好的砂石，孔隙率尽量控制在较低水平，适当控制垫层厚度，可以有效保证桩土应力比与建筑物的沉降，以利于三者相互更好的工作。褥垫层是由一些散粒的材料组成，不仅可以调节桩体的竖向荷载的分担情况，而且在一定程度上可以缓解地面的压力。CFG桩复合地基中，褥垫层可以使土体挤密、提高地基承载力、降低建筑物主体结构的沉降量。

施工前进行场地平整、对地下管线进行标记、根据图纸进行测量放线[3]。具体步骤如下：定位、钻孔、成桩、收杆、清桩等几部分组成;在具体施工中，可以采用隔排或跳打的方式进行打桩，这样在一定程度可以减少对周围土体的破坏[4]。在施工期间，首先应确保CFG桩避免出现断桩问题[5]，尤其是在深度比较大的区域出现;其次，施工中注意控制好粉煤灰的量，减少出现堵管现象[5];最后，在CFG桩施工中，有时在打桩过程中会有窜孔，在勘察设计过程中，掌握好土层情况，尤其是饱和的沙土层最容易发生窜孔。

3 工程地质分布情况如下所示以及CFG桩破坏类型

3.1 各层岩土物理力学性质

通过各层土层分布分析比较，再结合承载力的大小分析，最终CFG桩端部持力层选在石灰岩上，在选择持力层或桩端受力土层时，应考虑两部分因素，土层所在位置深度、土层端阻力特征值的大小。

3.2 CFG桩的破坏形式

工程上CFG桩复合地基的破坏形式与多种因素有关，如荷载的大小、荷载的作用方式、结构的基础类型、增强体材料的属性、复合地基结构类型、基础地基的土层分布以及特征等[6]。CFG桩复合地基特点属于刚性桩复合地基，在竖向力作用下，破坏形态主要有桩体鼓胀破坏、刺人式破坏、整体剪切破坏和沿滑动面破坏4种。竖向荷载较大、地基承载力较小的情况下一般会发生刺入破坏;桩间土不能提供足够的抗侧向压缩变形时一般会发生桩体鼓胀破坏;竖向荷载大，地表面附近土体产生较明显的塑性流动区域时会发生剪切破坏。

4 CFG桩复合地基的设计计算过程和分析结果

4.1 建筑地基处理技术规范的相关计算公式

根据JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》规定，CFG单桩竖向承载力特征值应通过现场静载荷试验确定，初步设计时可以根据各层土层情况采用式（1）～式（3）进行单桩承载力特征值估算，取其较小值作为单桩承载力特征值Ra。

Ra1=up∑ni=1qsilsi+apqpAp（1）

Ra2≥4λRa2Ap（2）

f≥4λRa3Ap1+γmd-0.5fspa（3）

fspk=λmRaAp+β1-mfsk（4）

各个公式中字母的含义：Ra为单桩竖向承载力特征值kN;up为CFG桩的周长，m;qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值kPa，根据地质勘查资料取值，当无资料时，可按地区经验确定;lsi为桩长范围内第i层土的厚度m;λ为单桩承载力发挥系数;qp为桩端端阻力特征值，根据地质勘查资料取值，当无资料时，可按地区经验确定kPa;Ap为桩的截面面积m2;fspa为深度经修正处理后复合地基承载力特征值kPa，根据计算公式求得，可按地区经验取值;ap为桩端阻力发挥系数，一般取值为1;fcu位桩身混凝土强度标准值kPa;γm为基础底以上土层的加权平均重度kN/m3;d为基础的埋置深度，具体取值参考JGJ79-2012《建筑地基基础设计规范》规范规定选择。m为面积置换率，m=d2d2e，d为桩身平均直径，de一根桩的分担的处理地基面积的等效直径;β为为桩间土承载力发挥系数;fspk为深度修正处理前的复合地基承载力特征值kPa;fsk为处理后桩间土承载力特征值，一般取天然地基承载力特征值kPa。

4.2 不同桩径、桩长、持力层、桩距的地基承载力计算结果分析

CFG桩初步采用直径550 mm，桩身混凝土标号C25，初步拟定第7层碎石土、第8层泥质中砂、第9层石灰岩分别作为桩端持力层，经过分析及比较，为满足工程需要，复合地基承载力特征值须满足要求，最后确定采用第9层石灰岩作为建筑结构的持力层，桩尖进入岩石的深度满足规范相应的要求。桩间距布置方案按照1.2～1.6 m布置，经计算求得承载力特征值为710～780 kPa。首先为了满足地基承载力的需求，经过分析比较选择桩间距为1.35 m，经计算地基承载力特征值为752 kPa，满足工程设计的要求，仅少量部分桩承载力不满足要求。其次，结合沉降的问题，桩间距按照1.35 m布置，桩间土以及桩土应力比、面积置换率等，代入沉降的计算公式中，求得沉降量偏大，适当调整桩径、桩长、桩土应力比等，经过综合分析，最终桩间距采取1.3 m，正方形布置，承载力与沉降控制均满足规范要求。

4.3 复合地基最终沉降量分析

CFG桩复合地基变形计算应符合JGJ79-2012《建筑地基基础设计规范》的要求，根据式（5）、式（6）进行相关计算分析，使其满足相应的沉降量、沉降差、倾斜等要求[7]。

s=φs∑ni=1poE/siziai-zi-1ai-1（5）

Esi/=fspkfakEsi（6）

式中：s为地基基础最终沉降量; po为准永久组合下基礎底部附加应力值;zi为基础底面距离i层的距离;E为天然地基i层的压缩模量。代入公式中，底9层作为持力层，桩间距分别为1.35 m与1.30 m，由于桩间土发挥的作用提高，减小桩间距使得沉降量减少了近16%，满足了规范规定的限值。地基基础沉降量作为建筑物安全的重要指标之一，沉降量较大或建筑物倾斜较大都会导致造价成本提高或无法正常使用。

5 结束语

（1）桩体、桩间土、褥垫层三者合理的处理，尽量发挥三者的相互作用效果，可以有效改善土层强度，从而提高CFG桩的承载力，减少沉降量，降低房屋造价。

（2）加强施工期间的管理与监督，减少对桩体以及土体的干扰破坏，严格执行各个环节，按照要求进行合理的施工。

（3）结合各项数据，从土层分布、土层承载力、建筑物沉降、施工难度、工程造价多方面出发，多方面不断调整，最大限度地发挥复合CFG桩的特性。

（4）CFG桩复合地基在多、高层建筑中的不断成功应用，不仅可以保证工程质量，而且也获得了社会经济效益，也可以为今后类似的工程设计提供有价值的经验。

参考文献

[1] 李治，陈松，陈志军.主裙楼一体结构地基承载力深度修正的探讨[J].土工基础，2016，30（ 1）：87-90.

[2] 闰明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M ].北京：中国水利水电出版社，2001.

[3] 蓝宝山.简析房屋建筑基础工程的CFG桩施工及其质量控制[J].建筑发展，2018， 2（4）：P.83-84.

[4] 刘伟峰.浅析高层建筑CFG桩复合地基施工工艺[J].科学与财富2020（8）：351.

[5] 汤京川.浅析房屋建筑基础工程建设中的CFG桩施工及其注意事项[J].建筑发展，2018，2（7）：P.7-8.

[6] 饶为国，赵成刚.桩一网复合地基应力比分析与计算[J].土木工程学报，2002，35（2） ：74-80.

[7] 闰明礼，王明山，闰雪峰，等.多桩型复合地基设计计算方法探讨[J].岩土工程学报，2003，25（3）：352-355.