CFG桩复合地基的工程应用

CFG桩复合地基的工程应用

韩丽丽1,李超2,李新娜3

1.中国海诚工程科技股份有限公司 200030

2.中土大地国际建筑设计有限公司201315

3.上海浦东建筑设计研究院有限公司201204

1 CFG 桩复合地基发展概况

CFG桩复合地基承载力高，变形小，工艺简单，施工方便，而且可以通过调整桩长、桩径、桩身强度以及置换率，来适应不同的工程需要，具有较好的适应性。通过合理设计，CFG 桩复合地基技术可以充分发挥桩体材料的潜力，又可充分利用天然地基承载力，并能因地制宜，利用工业废料和当地材料，工程造价低廉，因此具有较好的经济效益和社会效益。近年来CFG桩复合地基得到学术界和工程界的重视，工程应用发展较快。

2 CFG 桩复合地基基本原理

CFG 桩复合地基由单桩、桩间土和褥垫层等构成，由桩及桩间土共同发挥承载力。CFG 桩桩身具有较高的强度和刚度，可以全桩长发挥桩的侧摩阻力，将荷载传给较深的土层，而且当桩端落在较好的土层上时，还具有较大的端承力，因此在一般情况下，CFG 桩复合地基具有承载力提高幅度大、沉降较小的优点。

褥垫层是形成 CFG 桩复合地基的重要条件，具有如下重要作用：协调桩、桩间土变形，调整桩土应力比，发挥桩间土承载力，保证桩、土共同承担荷载，减少基础底面的应力集中；调整桩垂直荷载的分担，通常褥垫层越薄桩承担的荷载占总荷载的百分比越高，反之亦然；调整桩、土水平荷载的分担，褥垫层越厚，土分担的水平荷载占总荷载的百分比越大。

CFG桩荷载传递机制

在上部荷载作用下，桩与桩间土受到压力作用而开始发生相应变形。由于桩体压缩变形模量远大于桩间土体的压缩变形模量，桩间土体发生压缩变形大于桩体的 压缩变形，从而使得桩顶平面处桩间土体位移大于桩体位移，在这一过程中桩体 顶部将产生应力集中效应。

随着荷载的增加，桩体应力集中效应更加明显。由于褥垫层的设置，桩开始向上部垫层刺入，以协调桩、土间因差异沉降而引起的应力不协调，在桩顶以下一定深度处出现等沉面。等沉面以上桩间土相对桩向下移动，对桩产生负摩阻力，方 向向下，而等沉面以下桩受正摩阻力，方向向 上，当荷载达到一定程度后，桩端发挥阻力。此后，桩体中的应力增量全部由桩端土承担，桩底向下刺入。桩顶 与桩端附近土体进人塑性状态。CFG粧荷载传递机制及受力性状见下图1-3所示。

图1 荷载传递     图2 桩体摩阻力分布     图3 荷载分布

3 CFG 桩复合地基在工程上的应用

3.1 工程概况

本工程位于河南省漯河市，某工厂的宿舍楼，办公楼。

宿舍楼：共3栋，7层，高度23.9m,平面尺寸61.2mX16.35m,主要柱距6.8m，5.2m总建筑面积为6743 m2， 结构类型：框架结构。

办公楼：共1栋，4层，高度19.5m,平面尺寸60mX22.5m,主要柱距7.0m，7.5m，6.0m，9.0m，总建筑面积为5344 m2，结构类型：框架结构。

建筑结构安全等级：二级     

结构设计使用年限：50年

结构重要性系数1.0          

地基基础设计等级：丙级。

抗震设防类别：标准设防类（丙类）

抗震设防烈度：按区划图7度（0.1g）

设计地震分组：第一组。建筑场地类别为III类

抗震等级：三级

宿舍楼计算柱底反力结果如下：

图4 宿舍楼柱底反力

根据勘察报告，场地地基土的主要 设计参数如表 1 所示

表 1各层土的承载力特征值fak（kPa）和压缩模量Es0.1-0.2(MPa)

场地土天然地基承载力较低，均不宜直接作为天然基础持力层。经与业主及勘察单 位沟通，比选了管桩基础 CFG 桩复合地基两种基础形式，最终决定采用 CFG 桩复合地基。

CFG 桩复合地基的设计主要包括两个方面，即复合地基承载力特征值的确定和复合地基的变形验算。

3.2 CFG 桩复合地基承载力特征值计算

本工程±0.000 相当于42.100（绝对标高）采用素混凝土 CFG 桩，桩径 400mm。根据勘察报告，以第5 层粉土为持力层，桩身进入持力层深度不小于 1.0m。取钻孔 90 计算单桩竖向承载力，相应土层参数见下表2

表2  90#孔点土层参数

根据《建筑地基处理技术规 范》（JGJ79-2012），单桩承载力计算公式为：

Ra=up Σqsilpi+apqpAp，

其中 ap 为桩端阻力发挥系数，取 ap=1.0

。

Ra=3.14×0.4×（0.7×22+4.2×18+4.4×23+4.7*21+3*25）+1.0×480×3.14×0.2×0.2=520.12kN

素混凝土 CFG 桩混凝土强度等级C20，

桩身强度验算： fcu≥4λRa/AP

其中 λ 为单桩承载力发挥系数，取 0.85。

fcu=4×0.85*520/3.14×0.04≤25 N/mm2

故采用 C20 混凝土是合适的，取 Ra=500kN 计算复合地基承载力。

本工程 CFG 桩采用方形布桩，桩间距 s=1.3m，de=1.13×1.3=1.469m。

置换率 m=d2/de 2 =（0.4/1.469）2 =0.0741。

fspk=λmRa/Ap+β（1-m）fspk，

其中 β 为桩间土承载力发挥系数，取 0.9。

fspk=0.85×0.0741×500/（3.14×0.04）+0.9（1-0.0741）×150=375.75kPa。

取 fspk=350kPa 进行基础设计，CFG 桩只布置在基础范围内。

3.3 CFG 桩复合地基变形验算

地基变形采用分层总和法进行计算，计算变形时，采用正常使用极 限状态下的准永久组合。对于框架结构，应计算相邻柱基的沉降差。本文 仅取其中一个中柱以及和其相邻的边柱进行计算。 计算复合地基的沉降时，加固后的土层的压缩模量应进行调整，其值为原压缩模量的 ζ 倍。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012），

ζ=fspk/fak=350/150=2.33

表3  复合土层压缩模量表

表4  复合地基沉降估算表

沉降量与沉降差均满足《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011相应要求。

3.4 施工及质检

CFG 桩采用 C20 素混凝土桩，长螺旋钻孔灌注成桩，桩径 400mm。桩 端持力层为第5层粉土，单桩承载力 Ra=500kN，处理后的复合地基承载 力 fspk=350kPa。CFG 桩桩顶需设 300mm 厚级配砂石褥垫层，水泥、粉煤灰、碎石桩复合地基检验完毕且满足设计要求，经验收后，方可进行褥垫层施工，褥垫层边线每侧超出CFG桩外轮廓200mm，且铺设褥垫层周边应有原状土约束，最大粒径不宜大于30mm，采用平板振捣器夯实，夯填度为0.87~0.9，对较干的砂石材料虚铺后，可适当洒水，再行夯实。

桩施工前需在代表性的场地土上进行现场试验施工，并检验设计参 数及处理效果，以明确其适应性。施工时，采用长螺旋钻孔灌注成桩，桩 顶停灰标高高出设计桩顶标高 500mm。桩混凝土充盈系数不小于 1.2。 桩顶土开挖应采用人工清土以免造成桩断裂和扰动桩间土。施工中 应做好施工记录，记录内容主要包括成孔直径，成孔深度，桩底土层种类 及性状，填料，配合比情况等， 施工质量检验应检查施工记录、混合料坍落度、桩数、桩位偏差、褥垫层厚度、夯填度和桩体试块抗压强度等。 本工程 CFG 桩施工及检测应严格按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）进行。成桩 28d 后，应进行复合地基静载荷试验和单桩静载 荷试验，检测数量不少于总桩数的1%，复合地基静载荷试验的数量不少于3 点。另应采用低应变动力检测桩身完整性，检测数量不低于总桩数的 10%。

4 结 论

CFG 桩复合地基适用性较好，只要能进行 CFG 桩施工的软弱地基 均可以采用其进行加固，经常用于加固黏性土、粉土、人工填土、淤泥质 粘土和黄土等地基。CFG 桩复合地基既可充分发挥刚性桩桩体材料的承载潜力，又可充分利用天然地基的承载力，并可传递荷载到深层地基中 去，大大降低了工程造价，因此具有较高的经济和社会效益。