长短结合CFG桩复合地基设计方案.doc

第一部分：

园1#-4#楼地基处理设计

中 究院
2000年5月

目 录

一、 工程概况
二、 工程地质及水文地质条件简介
三、 地基处理设计依据
四、 工程技术难点分析
五、 地基处理设计方案论证
六、 两元桩复合地基设计
七、 两元桩复合地基沉降三维有限元模拟
八、 复合地基施工参数
九、 复合地基施工质量检测
十、 施工注意事项及验收准则

一、工程概况
拟建锦 于北京市亚运村，北侧为五南路，东临和平东路，南临已建成的凯平小区（详见图1，建筑物平面布置图）。
和本次地基处理有关的建筑物概况见表1：
表1 建筑物概况表
楼号
1#
2#
3#
4#
层数
地上18层
地下2层
地上24层
地下2层
地上15层
地下2层
地上24层
地下2层
±0.000
绝对标高(m)
43.40
43.70
43.70
43.70
槽底
相对标高(m)
-7.57
-7.77
-7.32
-7.77
本工程建筑单 有限公司。
本工程建筑结构设计单位 设计有限公司。
设计要求：
1#楼经处理后复合地基承载力标准值不小于380kPa，3#楼经处理后复合地基承载力标准值不小于375kPa ，2#、4#楼经处理后复合地基承载力标准值不小于478kPa，由于拟建4栋建筑与地下车库相连，考虑主楼与地下车库的差异沉降要求主楼最终沉降量不超过40mm。
场地经勘察，持力层为粉质粘土③层，夹砂质粉土③1，重粉质粘土③2粘土③3粘质粉土③4，地基承载力标准值fka=120~220kPa。承载力和变形均不能满足设计要求，需进行地基处理。
二、工程地质及水文地质条件简介
1、工程地质条件
根据中航勘察设计研究院提供的《锦秀馨园岩土工程勘察报告（补充勘察）》，地层主要有：
<1>、粉质粘土素填土①层：黄褐色，以粉质粘土为主，含少量碎砖屑，有机物等，可塑，稍湿。局部为杂填土①1层：杂色，以大量碎石、砖块、煤渣和少量

图1 建筑物平面布置图
粘性土回填，稍湿，稍密。人工填土厚度1.20-2.6m。
<2>、砂质粉土②层：褐黄色，含氧化铁、云母碎片。夹粘质粉土②1层、粘土②2层、粉质粘土②3层、重粉质粘土②4层夹层或透镜体。中下~中密，饱和。顶板标高40.0m左右，层厚4.0m左右。
<3>、粉质粘土③：褐灰色，含氧化铁、云母碎片，夹砂质粉土③1层、重粉质粘土③2、粘土③3、粘质粉土③3透镜体，可塑。顶板标高35.0m左右。层厚3.5m左右。
<4>、细中砂④层：褐黄色，主要矿物成分为长石、石英、云母。中上-密实，饱和，夹粘土④1层、粗砂④2透镜体。顶板标高33.0m左右。层厚4.0m左右。
<5>、砂质粉土⑤：褐黄色，含氧化铁、云母碎片。中上密，饱和。夹粘质粉土⑤1、粉质粘土⑤2、粉细砂⑤3、粘土⑤4、重粉质粘土⑤5、砾砂⑤6透镜体。顶板标高26.5m左右，层厚8.0m左右。
2、水文地质条件
据勘察报告，与建筑有关的地下水有两层。第一层为上层滞水，埋深：1.20-3.2m，标高38.63m-40.62m。第二层为潜水，埋深：6.20-7.40m，标高34.77m-35.70m。历史最高水位接近地表。
详细的地层分布及其厚度等详见该工程勘察报告。
三、地基处理设计依据
① 工程任务书（编号：001214022）
②《锦绣馨园岩土工程勘察报告（补充勘察）》（中航勘察设计研究院，2000年3月）；
③《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ01－501－92）
④《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－91）
⑤《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）
⑥《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）
⑦《钻孔夯扩挤密复合桩地基技术规程》（中航勘察设计研究院，1996年）
⑧《锦绣馨园1#、2#、3#、4#基础平面图》（北京凯帝克建筑设计有限公司，2000年，工程号：2000078）
四、工程技术难点分析
本工程技术难点可从以下3方面分析：
（1）场地条件差：
拟建场地的建筑物持力层主要粉质粘土③层，部分为砂质粉土③1，重粉质粘土③2粘土③3粘质粉土③4，地基承载力标准值最小为120kPa，平均按180kPa。土的物理力学性质指标见表2
表2 ③层及夹层土物理力学性质指标表
土层名称
统计值
天然含水量w
(%)
湿密度ρ0
(g/cm3)
孔隙比
e
液性指数
Il
压缩模量
Es100
Mpa
压缩模量
Es200
MPa
剪力试验
C Ф
KPa 度
压缩性
粉质粘土
平均值
最大值
最小值
23.2
30.2
16.9
2.03
2.13
1.93
0.644
0.827
0.524
0.585
0.811
0.165
7.72
11..8
4.1
8.99
11.79
5.6
33 16.1
中压缩性
砂质粉土
粘质粉土
平均值
最大值
最小值
20.7
29.5
11.7
2.08
2.20
1.92
0.559
0.811
0.165
0.413
0.522
0.289
11.5
18.3
8.5
13.4
20.9
10.1

中低压缩性
粘 土
重粉质粘土
平均值
最大值
最小值
33.5
38.2
25.4
1.89
1.98
1.84
0.94
1.05
0.728
0.6
0.736
0.358
3.4
3.4
3.4
4.19
4.19
4.19
24 15.5
高压缩性

由表2可知该土层含水量较高，最大孔隙比达1.05，液性指数界于0.25和1之间，属于软塑-可塑状态的土，压缩模量（Es100）最小值为3.4Mpa,属于高压缩性土层，通过对持力层③层及其夹层的物理力学性质的综合分析可知，该层土状态差，
（2）结构要求严：
由前述工程概况，本工程要求最高承载力为478kPa，建筑物最终沉降量不超过40mm，4栋建筑物与地下车库连为一体，由《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》可知，本工程建筑物安全等级为“一级”， 在北京地区，26层塔楼要求最终沉降不超过40mm几乎没有，一般要求为50-60mm ,有些设计单位则不提沉降要求，通过与结构设计单位的沟通，对最终沉降40mm的要求是基于对纯地下车库差异沉降的考虑，因此对沉降的严格要求增大了本次地基处理设计的难度。
（3）工程造价控制：
对于本工程若采用桩基础和完全的长桩的复合地基均能满足设计要求，但市场经济下的工程项目的运作，不得不考虑经济利益的影响，关于工程造价的影响，详见2#楼不同方案对比分析表。
五、地基处理设计方案论证
由于本工程的地基承载力和建筑物最终沉降要求很严，若采用预制桩方案，将能有效的控制建筑物沉降，但预制桩施工打入困难，地面隆起量大，后期砍桩头周期长，造价太高，因此不予考虑，近年采用刚性桩复合地基处理北京地区高层、超高层的实例越来越多，现将两种常见的刚性桩复合地基方案分析如下：
一、 钻孔压灌CFG桩（CFG桩）复合地基方案
CFG桩复合地基由于其中的CFG桩桩体刚度很大，控制沉降效果显著，该工艺是以特殊的长螺旋钻机成孔，然后用混凝土输送泵以高压将塌落度很大的素混凝土送至钻孔内成桩，它克服了振动沉灌CFG桩的噪音大、易断桩、难以穿透砂层的弊端，能在水下作业，施工速度快、不污染场地，施工时不缩径不塌孔桩身质量好、单桩承载力高。
本工程以2#楼为例计算得，桩数665根，有效桩长16.5m，沉降量37mm，工程造价约102万元。造价太高。
二、 钻孔夯扩挤密桩（夯扩桩）复合地基方案
夯扩桩由我院黄志仑勘察大师在分析国内外地基处理技术的基础上，根据北京地区地层特点研制开发的。该工艺是通过某种机械成孔（长螺旋钻机、洛阳铲），然后将素混凝土分层倒入孔内，用重锤（1.5t）分层夯实，根据桩间土土层的变化确定夯击次数。从而提高地基土的密实度和压缩模量，减小地基土的孔隙比，由于干硬性混凝土的吸水作用，降低地基土的含水量，本施工工艺的其它优点有：桩体完整性好，无断桩缩径问题，桩身强度高，密实度好，能强力挤密桩间土，大幅度提高桩侧摩阻力和桩端承载力，无污染，用电量小。施工设备简单、施工质量易于控制、无泥浆、工期端、造价低。分析场地地层可知，细中砂④层是理想的桩端持力层。
2#楼若采用此种桩型，经计算，有效桩长 4.0m，桩数1120根，沉降量55mm，造价40万元，较低但沉降不满足要求。
三、 CFG桩和夯扩桩相结合形成两元桩复合地基方案
通过上述两种刚性桩复合地基优缺点的分析，沉降由CFG桩（长桩）控制，桩长依据计算确定，同时提供承载力，而剩余不足的承载力则由夯扩桩（短桩）来提供，夯扩桩补足剩余承载力的处理过程，能充分发挥桩间土的作用，以降低工程造价。当然，由于短桩的处理，该范围内复合土层的压缩模量也从一定程度上得到了提高，即对控制沉降也有一定的积极作用。
本工程采用不同方案的地基处理比较见表 3
表 3 2#楼不同方案对比分析表
方案序号
方案名称
沉降量(mm)
桩数
（根）
造价
（万元）
说 明
1
天然地基
150

沉降过高，
2
纯长桩方案
37
665
102
造价高
3
纯短桩方案
55
1120
40
沉降不满足要求，桩间距为1m，施工困难
4
长短桩结合方案
40
长399
短399
72
方案经济合理，可行
六、两元桩复合地基设计
6.1 两元桩复合地基承载力计算
两元桩复合地基承载力计算公式是规范没有的，其承载力计算模式是先分别确定各种桩形的单桩承载力和桩间土承载力，然后按一定的原则进行叠加。采用面积比法，可按下式计算。
（1）
即
（2）

长、短桩的单桩承载力标准值按式3进行计算：
根据建筑物特点，本工程1#楼与3#楼要求一致，2#楼与4#楼要求一致，因此分别进行承载力计算。
6.1.1 1#、3#楼承载力计算
1#、3#楼要求承载力为380kPa，采用如图2示的布桩方案。
图2 1#、3#楼桩位布置示意图
经计算：
长桩 桩长l1=16.5m，桩径d1=400mm，单桩承载力标准值Rv1=600kN，置换率m1=1.6%
短桩 桩长l2=4.3m，桩径d2=450mm，单桩承载力标准值Rv1=260kN，置换率m1=6.0%
按正方形布桩，桩间距L=1.4m 实际两种桩形的置换率均稍大于计算的置换率。

6.1.2 2#、4#楼承载力计算
2#、4#楼要求承载力478kPa，采用如图3示的布桩方案。

图3 2#、4#楼桩位布置示意图
两元桩复合地基及单桩的承载力计算同上式。
经计算：
长桩 桩长l1=16.5m，桩径d1=400mm，单桩承载力标准值Rv1=600kN，置换率m1=4.3%
短桩 桩长l2=4.0m，桩径d2=450mm，单桩承载力标准值Rv1=260kN，置换率m1=5.5%
按正方形布桩，桩间距L=1.2m 实际两种桩形的置换率均稍大于计算的置换率。

6.2 两元桩复合地基沉降计算
两元桩复合地基沉降计算是设计的重要环节，根据新修订的地基处理规范对于一级建筑物应按地基沉降进行设计。就本工程而言，控制最终沉降不超过40mm是两元桩复合地基设计的关键。
两元桩复合地基的沉降一般包括三部分：褥垫层的沉降s1、处理范围的沉降s2、和下卧层的沉降s3。 一般而言，褥垫层的沉降s1施工前已压密，其最终沉降很小忽略不计，下卧层的沉降s3可依据现行GBJ7-89进行。关于刚性桩处理范围的沉降s2，国家或行业规范没有计算公式，国内许多同行根据研究提出了一些建议的公式。以复合模量法的计算概念较易被大众接受。难点是复合模量的确定方法。本工程复核人刘焕存研究员认为复合地基的沉降计算都是在假定天然地基和复合地基应力场分布形态一致符合Bousinnesq理论的前提下进行的，沉降折减系数应与现行规范相关联；复合模量利用地质勘察资料可算出，这样在实际工作中应用就比较方便。提出如下沉降计算公式：
（4）

公式（4）是GBJ7-89规范公式的延伸，解决了复合土层的模量计算问题，同时将加固层和下卧层的沉降同时计算。本工程两元桩复合地基沉降计算简图见图4所示：
分别求出各楼的中心点沉降，如下：
S1max=35.2mm S2max=40.1mm S3max=31.5mm S3max=40.1mm

图4 两元桩复合地基沉降计算简图

6.3 两元桩复合地基均匀性计算
本场地建筑物基础底面位于同一地质单元、属同成因年代，关于地基均匀性，根据规范（DBJ01-501-92），按土的压缩模量当量值及不均匀系数来评价，经计算，结果表明本场地为均匀地基。
6.4 两元桩复合地基下卧层验算
两元桩复合地基的桩土复合土层下卧层的强度是否满足要求，可据下式进行计算：

复合土层下卧层为粉质粘土⑥层。
Pz根据公式（6）计算：

式中：b为矩形基础底边的宽度；l为矩形基础底边的长度；p为基底压力；pc为基础底面处土的自重压力标准值；z为基础底面至软弱下卧层顶面的距离；θ为地基压力扩散线与垂直线的夹角
经计算，Pz=374kPa。 Pcz按公式（7）计算：

经计算，Pcz=237kPa。
fz按公式（8）计算：

经计算，fz=616kPa>Pz+Pcz=611kPa。
满足要求。
七、 两元桩复合地基沉降三维有限元模拟
上述基础沉降计算本质上属于一维弹性压缩，无法在整体上反映基础的变形特征，也没有考虑复合地基材料的非线性本质，对于建筑结构不断施工过程中复合地基沉降变形过程更是无法描述。为了全面研究本工程复合地基变形性质，在常规的沉降计算同时应用岩土工程商业软件3D-σ有限元程序，对地基基础（将要完成的复合地基）和基础底板在结构设计要求的载荷下的联合作用进行模拟计算，同时根据施工进度过程不通楼层载荷下对本工程复合地基沉降进行数值分析，从而给出更加客观的沉降估算值。
7.1 有限元三维模拟基本理论
7.1.1 本构关系的选取
为了使用数值方法描述二元桩复合地基在上部结构不同工况下的位移场，对地基弹塑性分析，以满足工程实际的要求。弹塑性模型反映了土体的非线性应力-应变关系特性。目前应用广泛的弹塑性应力-应变模型主要有Drucker-Prager模型、Cambridge模型、Lade模型、Lade-Duncan模型、帽子模型等。弹塑性模型的基本概念是：应力在屈服前只有可恢复的弹性变形，达到屈服后，应变由弹性应变和塑性应变两部分组成，即

(9)

由于地基变形过程是一个随上部结构不断增加载荷的过程，地基土体的应力场和位移场随之不断变化，由于土体的非线性性质，其最终位移和应力与加载方式（路径）有关，所以只有通过模拟上部结构的工况过程，才能真实给出复合地基的变形。要正确地模拟这种施工工况，在计算时应该采用增量形式的本构关系。用增量关系计算时，弹塑性模型应变间的关系可表示为

(10)

弹性应变增量按照弹性模型计算，弹性模量与泊松比根据卸载与再加载曲线确定，塑性应变增量根据塑性模型理论计算。塑性模型理论包括屈服条件与破坏条件，流动法则与加工硬化定律三部分组成。
Drucker-Prager弹塑性本构模型是最早提出的适用于岩土材料的弹塑性本构模型之一，是建立在考虑了静水压力的广义Mises屈服准则或Drucker-Prager屈服准则的基础上的。它的最大优点在于采用简单的方法考虑了静水压力对屈服强度的影响，而且模型参数少，计算简单。同时该模型考虑了岩土材料的剪胀性与扩容性。因此它是岩土工程中描述岩土材料最常采用的模型之一，因此本工程设计选用了能反映土体剪胀性与扩容性的Drucker-Prager弹塑性本构模型。Drucker-Prager破坏准则可表示为

(11)

式中，为D-P准则材料常数，按照平面应变条件下的应力和塑性变形条件，可表示为

(12)

式(12)中分别为岩土体的粘聚力和内摩擦角。式(11)中分别表示应力状态第一不变量与偏应力张量第二不变量，可分别表示为

根据弹塑性本构关系的增量形式有

(13)

其中为弹塑性矩阵，可表示为

(14)

塑性矩阵可由增量理论导出。假定采用相关联流动法则，即塑性势函数等于屈服函数,便可以导出普遍弹塑性本构关系矩阵

(15)
上式不仅适用于各向同性硬化或软化材料，同时适用于理想塑性材料()。本文采用来建立弹塑性有限元计算格式，以改变参数值的方式来近似考虑其硬化（软化）特性。即将土体的内摩擦角修改为剪胀角()，适当调整值，就可以使计算的剪胀量与实测的剪胀量比较接近或一致。

7.1.2 破坏判据

破坏判据有两种，一种是根据Drucker-Prager破坏准则，即公式(11).另一种破坏判据为拉破坏，认为土体具有极低的抗拉强度，且在受拉开裂后不再能够承受拉应力。对于土体的受拉破坏，从数值分析的角度来说，可以认为是塑性的一种特殊形式，土体受拉破坏的应力-应变关系具有与塑性软化类似的特性，即初始受拉时具有线弹性特征，受拉破坏后其抗拉强度为零，因此可以按照塑性分析的类似格式，进行受拉破坏的非线性分析.
考虑拉破坏的条件可写成
(16)

式中为主拉应力
为了判断是否发生拉破坏，通常须按主应力方向判别。主应力与主应变的关系仍可表示为如下的形式:

对于弹性有 ;
对于塑性有

根据拉破坏条件，仿照弹塑性本构关系的推导，可导出如下的拉破坏“弹塑性矩阵”:
当为受拉主应力且有，则有

(17)

当均受拉且有 由两条件联立推导出弹塑性矩阵为:

(18)

当均受拉时，则该单元完全破坏，不能承受任何拉力。则取残余强度值。对于各向同性材料，其强度指标可由三轴压缩试验得到，其初始强度及残余强度值分别对应于峰值得强度及残余强度，由相应的莫尔包络线给出。

7.1.3 上部结构分层加载及位移增量计算

由于土体自重作用，土体处于一定的初始地应力状态，土体内的应力为上部结构不断的加载产生的应力与初始地应力之和。上部结构不断增加后的应力场可看作初始应力场一系列递增过程的结果。在第一层结构建成后应力和位移分别为

、分别为初始应力和位移，、分别为第一层结构建成后的应力和位移增量。在第层结构建成后的应力和位移分别为

对于地基基础上施工的建筑工程，开挖前复合地基内各点位移。

7.2 基本计算假定
1、 土体、复合土层为均质、各向同性的理想弹塑体，结构底板为弹性板单元；
2、 土体单元与板单元之间通过位移协调相互联系；
3、 结构荷载分别按P/4、P/2、3P/4和P（ 全部荷载）四种情况考虑。
7.3计算模型
力学模型中的复合地基塑性模型采用Drucker-Prager准则，单元类型采用三维八节点等参单元，考虑到基础基本为矩形，荷载一次性及边界条件的对称，取其中1/2进行计算。为避免边界条件对计算结果的影响，计算范围水平方向每边按1倍基础长计算，垂直方向计算至第9层土体层底（为计算方便8层和9层合二为一），即假定9层层底位移为0。
7.4计算参数
计算参数根据3D-σ有限元程序的要求分别确定，主要输入弹性模量、泊松比和土体重度。
7.5 模拟方案及结果
简单起见，本次分析了结构荷载分别按P/4、P/2、3P/4和P（ 全部荷载）四种情况下的沉降特征：
图5、6、7、8为4种情况载荷下的沉降等直线图。由图可知，加荷至P/4时，最大沉降量为11mm，加荷至P/2时，最大沉降量为21mm，加荷至3P/4时，最大沉降量为32mm，加荷至P时，最大沉降量为43mm，模拟结果显示沉降量与荷载的增加呈线性关系，总沉降量与分层总和法的最终沉降基本一致。沉降等值线反映了结构底板和复合地基变形与地基基础上弹性板理论变形形状相似，最大沉降出现在基础中心部位。
八、复合地基施工参数
1、钻孔夯扩挤密素混凝土桩1#、3#楼施工桩长4.7m，有效桩长4.3m、2#、4#楼施工桩长4.4m，有效桩长4.0m(桩端进入砂层约50cm)，基坑开挖时，需预留40cm的施工保护层，桩径450mm，桩体材料为素混凝土，桩体强度满足C15；
2、钻孔高压灌注素混凝土桩施工桩长16.9m,有效桩长16.5m,桩径400mm,桩土材料为素混凝土（加适量粉煤灰）,桩土强度满足C25；
3、桩顶满铺100mm的砂石褥垫层，（体积比：碎石：砂=2：1），碎石最大粒径小于40mm，砂为中粗砂，用平板振动器夯实。

九、复合地基施工质量检测
在地基处理施工结束后，应对复合地基施工质量进行全面检测评价，并为结构设计提供可靠依据。可按置换面积A进行多桩复合地基的静载荷试验或根据单桩载荷试验结果计算两元桩复合地基的承载力标准值。对长桩进行低应变动力测试。检测手段和具体检测数量与位置由甲方、设计和监理最终确定。
建议进行建筑物长期沉降观测。
十、施工注意事项及验收准则
1、施工过程中若地质条件与勘察报告不符应通知设计人员及时进行设计变更。
2、施工前应进行试桩，各项施工参数应和设计及试桩参数相符合。
3、为保证桩头质量，基槽开挖至设计桩顶标高以上400mm。
4、施工记录、质量检查记录齐全，执行《地基处理施工工艺和检验、试验规程》（北京中航勘地基基础工程总队，HKZZ10-302-2000）各项要求，确保成桩质量；
钻孔压灌CFG桩应重点控制混凝土制备、混凝土灌注量和提钻速度；
钻孔夯扩挤密桩应重点控制混凝土制备、分层填料夯实。
5、截桩头、清桩间土时严禁扰动基槽原状土。
6、所截出桩头应尽量平整，对出现斜截面的桩头应截成直角，桩头清理干净后用高标号（强度等级C30）混凝土补齐。
7、铺设褥垫层应用平板振动器夯实，适当洒水，先虚铺125mm，然后压实至100mm。
8、处理后复合地基承载力满足设计要求，应进行桩和褥垫层隐检验收。