结合实例论高层建筑CFG 桩复合地基基础处理

摘要：本文主要结合具体实例，对高层建筑CFG桩复合地基基础处理的设计和施工方法进行了探讨，并对其复合地基检测与处理效果进行了分析评价和总结，可供同行参考借鉴。

关键词：高层建筑；CFG 桩；复合地基；

1 工程概况

某工程，地下室二层，地上23 层，标准层建筑平面见图1， 建筑总高度67m。采用钢筋混凝土剪力墙结构，抗震设防烈度为7 度，场地类别为Ⅱ类。建筑场地内地下水类型主要为上层滞水及基岩风化裂隙水，无稳定地下水。根据工程地质勘察报告，场地自上而下各土层的主要物理力学性质指标见表1。

表1 场地各土层的主要物理力学性质指标

2 地基方案选择

该住宅楼的层数较多，剪力墙间距适中，根据PKPM 结构计算分析，其筏板板底平均反力为480kPa。显然，天然地基的承载力及压缩模量均不能满足上部结构的要求，且其地基土层沉降值也不能满足规范要求。由于该场地属于高承载力的粘性土分布区域，若使用预应力管桩会造成较高的断桩率和挤土效应，而且工程造价也较高，因此不宜用预应力管桩或其它桩基础。

为了达到既满足设计要求又经济可行的目的，本工程提出了CFG 刚性桩复合地基处理的方案，对③粘土层进行了加固处理。CFG 桩复合地基可以充分发挥场地土的作用，尤其在地基承载力要求较高，天然地基沉降变形不能满足要求的情况下，复合地基刚性桩加固效果更显著。考虑到上部结构刚度较大，基础形式采用筏板基础。基底埋深为- 7.6m，要求处理后的复合地基承载力特征值大于500kPa。工程最终采用CFG 桩复合地基形式。

3 CFG 桩复合地基的设计处理方法

3.1 CFG 桩复合地基作用机理

复合地基是经过地基处理后的人工地基。CFG 桩（全称水泥粉煤灰碎石桩）复合地基是由碎石、石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和，用各种成桩机械在地基中制成的强度等级为C25～C30 的桩，桩体与桩间土、褥垫层一起构成的刚性桩复合地基。

3.1.1 CFG 桩复合地基的加固机理

当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的变形模量远比土的变形模量大，所以桩比土的变形小，由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，垫层中垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。同时，土由于桩的挤密作用而提高了承载力，而桩又由于其周围土侧力应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担着

上部基础传来的荷载。

图1 建筑标准层平面面置图

3.1.2 CFG 桩复合地基对地基性状的改善作用分析

1) 桩体作用：CFG 桩中的水泥经水化反应和与粉煤灰的硬凝反应，生成了主要成分为铝酸钙水化物、硅酸钙水化物及钙铝黄长石水化物等不溶于水的稳定的结晶化合物，这些物质以纤维状结晶不断生长延伸充填到碎石和石屑的孔隙中，相互交织形成空间网状结构，使桩体的抗剪强度和变形模量均大大提高。

2) 挤密作用：CFG 桩用于砂土、粉土时，采用振动沉管法施工可使土挤密，桩间土承载力有较大幅度提高。

3) 排水作用：CFG 桩的饱和粉土和砂土中施工时，由于成桩的振动作用，会使土体内产生超孔隙水压力，刚施工完的CFG 桩是一个良好的排水通道，孔隙水将沿着桩体向上排出，直到CFG 桩桩体结硬为止。

4) 褥垫层作用：复合地基是由级配砂石、粗砂、碎石散体材料组成的褥垫，在复合地基中可以保证桩、同承担荷载；减少基础底面的应力集中；一定厚度的褥垫可以调整桩、土荷载（竖直和水平）分担比的作用。

5) 桩间土作用：在粉土、砂土和塑性指数较低的粘性土地基中，采用不排土法施工时，施工对土体的振动或挤压使摩阻力得到增加。

6) 加筋作用：CFG 桩复合地基中，桩体强度与桩间土强度相差较大，在自然土层中的柱状体实际上构成了土层的竖向加筋，从而大大提高了复合地基的承载力。

3.2 CFG 桩复合地基的设计参数

本工程CFG 桩的桩径为400mm，桩身混凝土强度等级为C25，桩端持力层为④层强风化泥质砂岩，设计桩长为25m，有效桩长为23m，褥垫层厚度取300mm，采用粒径大于0.5mm 的粗砂铺设。

3.3 复合地基的承载力特征值计算

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79- 2002） 第9.2.6 条计算单桩承载力如下：

式中：up ―――桩的周长；i为桩长范围内所划分的土层数；

qsi、qp―――为桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值；

li―――第i 层土的厚度。

实际考虑到场地土质不均匀，现场施工条件及设计安全储备等因素，取=1000kN。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79- 2002） 第9.2.5 条计算单桩承载力如下：

=0.04906×1000/ (0.22×3.14)+0.75(1- 0.04906)×340

=390.61+242.49

=633.1kPa＞500kPa，满足工程对复合地基承载力的要求。

式中： fspk―――复合地基承载力特征值，工程要求fspk≥500kPa；

fsk―――天然地基承载力特征值，基础位于③层土上，取fk=340kPa；

Ra―――单桩承载力特征值，取Ra =1000kN；

M―――面积置换率，m=Ap/A，Ap为桩身截面积，Ap=πd2 =0.1256m2，

A―――单根桩所承担的地基加固面积。

本工程考虑按正方形布桩，桩中心距定为1.6m，则面积置换率m=0.04906；β 为

桩间土承载力折减系数，取β 为0.75。此外，还应根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79- 2002）第9.2.8 条，验算桩体试块抗压强度如下：

再根据《混凝土结构设计规范》（GB50010- 2002）计算轴心抗压强度标准值如下：

=0.88×0.76×1×23.89

=15.97N/mm2＞16.7N/mm2（C25 混凝土轴心抗压强度标准值）

经过上式验算，工程中桩身混凝土强度等级为C25，符合设计要求。

3.4 地基处理后的变形计算

应按现行的国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007- 2002）有关规定执行。复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ξ倍，ξ值按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）第9.2.8 条计算如下：

式中：fak ―――基础底面下天然地基承载力特征值；

Es―――柱长范围内的土层的压缩模量。

把经处理后的复合地基压缩模量代入PKPM 计算软件采用分层总和法计算得，平均沉降为35mm； 满足规范要求。X向倾角为92/1000000，Y向倾角为165/1000000，均小于规范0.0025 的要求，满足建筑物地基变形允许值的要求。

4 CFG 桩复合地基施工及检测分析

CFG 桩复合地基目前采用的施工工艺主要有：长螺旋钻孔灌注桩成桩；长螺旋孔管内泵压混合料成桩；振动沉管灌注桩成桩等3 种。本工程地质为粘性土，同时为减少场地施工对周边居民区的环境影响，本工程采用长螺旋孔、管内泵压混合料成桩工艺，于2009 年1 月开工，2009 年5 月竣工。工程桩总数504 根，总桩长为12600m，处理费用9.6 万元。

CFG 桩复合地基施工完毕28d 后，按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79- 2002）进行了施工质量检测。采用低应变完整性检测，全部受检测的工程桩均为Ⅰ类或Ⅱ类桩，表明桩身完整性良好。采用复合地基静荷载试验对3 个试验点进行了承压板下应力主要影响范围内单桩复合土层的承载力的检测，承压板采用1.6m×1.6m 方形压板，与复合地基单桩置换率相一致，总加载量为1200kPa，分为10 级加载。载荷试验过程中未出现规范所列出的破坏现象，各检测点的p- s 曲线见图2、3、4。

从图2、3、4 可以看出，各检测点的压力- 沉降曲线均为平缓的光滑曲线，因此，可取s/b 等于0.01 所对应的压强，即s=8mm 时所对应的压强来确定复合地基的承载力特征值，载荷试验结果表明，CFG 桩复合地基承载力满足设计要求。

5 结语

综上所述，CFG 桩与桩间土一起通过褥垫层形成CFG 复合地基，通过设置褥垫层，可保证桩与同承担荷载；同时，桩体具有一定的排水作用，可加快软土的固结；CFG桩复合地基可以通过改变桩长、桩距、褥垫层厚度和桩体材料配比来调整软土工程性质，可调性高、变形小。

1）CFG 桩复合地基（CFG 桩）与钢筋混凝土桩相比，具有工期、造价低、方案灵活等优点。

2）CFG 桩复合地基能否成功，施工质量的影响很大。设计单位应向业主及承包单位提出要求，由资质较好并有CFG 桩复合地基施工经验的单位分包此项任务。同时应要求，在CFG 桩施工完毕后，由可靠的检测单位进行质量检测。

3）CFG 桩复合地基在本工程中的应用，为粘土场地高层、小高层建筑的地基处理提供了可借鉴的经验。

参考文献：

[1] JGJ79- 2002，建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2] 牛志荣，李宏，复合地基处理及其工程实例[M].北京：中国建材工业出版社，2000.

[3] GB50010- 2002，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.