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CFG桩复合地基在南阳高层建筑地基处理中的应用

作 者：白 华 民
（河南华兴地质工程有限公司，河南 南阳473000）

一、前言
CFG桩复合地基以其承载力提高幅度大、沉降量小、适用范围广、施工速度快、质量容易控制、对环境无污染及工程造价低等特点，已被全国各地广泛推广应用，现已成为应用最普遍的地基加固处理技术之一。近年来随着我国工程建设的快速发展，高层和超高层建筑不断增多，天然地基持力层承载力特征值很难满足上部荷载要求，CFG桩以其自身优势被广泛应用于高层和超高层建筑的地基加固处理中。现以南阳市大昌房地产开发有限公司开发的“金昌国际公寓”应用CFG桩地基加固处理技术为例，介绍CFG桩在南阳高层建筑中的应用效果和推广价值。
二、工程概况和工程地质条件
该拟建建筑场地位于南阳市长江路与伏牛路交叉口东南角，北距长江路道缘50.0米，东距被单厂12.0米，南距南阳电台10.0米，西距伏牛路道缘35.0米，拟建的金昌国际公寓主楼楼高33层，裙楼楼高2层，均设一层地下室，框架剪力墙结构，基础埋深为5.7米。该场地工程地质条件见表1。
　　　场地工程地质条件 表1
土层
岩性
层厚
(m)
平均
层厚
(m)
承载力
特征值fak
(KPa)
压缩模量
ES值
(MPa)
桩侧土的侧阻力特征值
qsia（kPa）
桩的端阻力
特征值
qPa（kPa）
①粉质粘土
1.1¬1.6
1.4
140
5.21
25

②细砂
3.9¬4.3
4.1
100
4.17
10

③中粗砂
3.2¬3.4
3.3
150
8.34
20

④砾砂
4.7¬5.0
4.8
180
15.78
50

⑤粉质粘土
1.7¬2.4
2.0
160
6.34
30

⑥砾砂
2.4¬3.2
2.9
200
16.67
55
1600
⑦含卵砾砂
8.4¬9.5
9.1
240
19.17
60
2000
⑧粉质粘土
4.3-4.9
4.6
190
15.58

⑨砾砂
3.1-3.9
3.5
230
18.61

⑩粘土
未揭穿

290
19.05

三、地基处理方案
1、地基处理方案的选择
根据该场地的工程地质条件，若采用预应力管桩，桩端应进入⑦含卵砾砂层中，由于该场地④砾砂、⑥砾砂分布较厚，且较密实，桩侧阻力特征值和桩端阻力特征值都较大，施工难度大，故桩端难以进入⑦含卵砾砂层中，质量难以保证；若采用钻孔灌注桩，工期长，造价高，且对环境有污染。经多种方案的技术和经济分析对比，结合本地区的工程实践经验，决定采用CFG桩复合地基进行地基加固处理。
2、CFG桩复合地基设计
该工程设计要求处理后的复合地基承载力特征值不小于530Kpa，单桩承载力特征值不小于850Kpa。
（1）桩径
CFG桩桩径宜取350-600mm，桩径过小，施工质量不宜控制；桩径过大，需加大褥垫层厚度才能保证桩土共同承担上部结构传来的荷载。根据本地区工程施工经验，确定本工程桩径为400mm。
（2）桩长
根据该场地的工程地质条件，第⑦层含卵砾砂工程性质良好，承载力高，分布稳定，厚度大，埋深适宜，可做为桩端持力层，有效桩长为13.7米。
（3）桩距
根据设计要求的复合地基承载力、场地地基土的性质和施工工艺，综合确定桩间距为1.4米。
（4）褥垫层
桩顶和基础之间应设置褥垫层，厚度为300mm，材料宜用3：7级配砂石，碎石粒径最大不大于30mm。
（5）单桩竖向承载力特征值Ra
根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002），当无单桩载荷试验资料时，可按下式计算：
Ra=upqsili+qpAp
式中 up—桩的周长（1.256m）；
n—桩长范围内所划分的土层数；
qsi、qp—桩周第i层土的侧阻力、端阻力特征值（kPa）见表1；
li—第i层土的厚度（m）;
Ap—桩横截面积（0.1256m2）；
该工程以ZK2为例进行计算，结果为Ra=977.8KN。
（6）复合地基的承载力特征值fspk
复合地基的承载力特征值根据以下公式计算：
fspk=m（Ra/Ap）+β（1-m）fsk
式中 fspk—复合地基承载力特征值（kPa）；
m—面积置换率，m=d2/de2=0.42/(1.13×1.4）2=0.064；
Ra—单桩竖向承载力特征值（KN）；
Ap—桩的截面积（0.1256m2）;
β—桩间土承载力折减系数，取0.8；
fsk—处理后桩间土承载力特征值（取天然地基承载力特征值150kPa）。
经计算fspk=610.6kPa
（7）桩体设计强度
桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求
fcu≥3 Ra/ Ap=23.4MPa
故桩的设计抗压强度应不小于25MPa。
4、CFG桩复合地基的变形验算
CFG桩复合地基若只按承载力控制进行设计，将会出现变形过大或严重不均匀，发生建筑物倾斜、开裂等事故，影响建筑物正常使用。因此CFG桩设计时应进行地基变形验算。
复合地基的分层与天然地基分层相同，各复合土层的压缩模量可按该层天然地基压缩模量的ξ倍计算，即ESP=ξ. ES
ξ= fspk/ fak=4.07
fak——天然地基承载力特征值（150kPa）。
计算结果见表2
CFG桩复合土层压缩模量表 表2
层号
③
④
⑤
⑥
⑦
压缩模量ESP（MPa）
33.94
64.22
25.80
67.84
78.02
地基处理后的变形计算应按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中的有关规定计算，即：

式中 n1、 n2—加固区范围内土层的分层数、沉降计算深度范围内土层的分层数；
P0—对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力（kPa）；
Esi、、Esp—加固区以下第i层土的压缩模量（MPa）、复合土层的压缩模量（MPa）；
Zi、Zi-1—基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；
αi、αi-1—基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数，按《建筑地基基础设计规范》附录K取值；
ψs—沉降计算经验系数，可采用《建筑地基基础设计规范》表5.3.5数值。
计算深度应大于复合土层的厚度，并满足△Sn′≤0.025△Si′
△Si′—在计算深度范围内，第i层土的计算变形值；
△Sn′—在由计算深度向上取厚度为△Z的土层计算变形值。
计算结果最大值为16.36 mm，小于沉降量允许值200mm，整体倾斜均小于允许值0.0025，满足《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）第5.3.4条允许值的要求。
四、CFG桩的施工与质量控制措施
根据该场地地基土的性质、地下水位埋深及场地周边环境条件等因素，选用长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩施工工艺。
1、施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验，施工时严格按配合比配制混合料。石料粒径一般为0.5-2.0cm，针、片状颗粒含量不超过10%，坍落度控制在18-22 cm之间。
2、成桩施工应准确掌握提拔钻杆时间，钻孔进入土层预定标高后，开始泵送混合料，待钻杆内管及输送软、硬管内混合料连续提钻。若提钻时间较晚，在泵送压力下钻头处的水泥浆液被挤出，容易造成管路堵塞。杜绝在泵送混合料前提钻，以免造成桩端处存在虚土或桩端混合料离析、端阻力减小。
3、提拔钻杆中应连续泵料，不得停泵待料，避免造成混合料离析、桩身缩径和断桩。
4、泵料应高出桩顶设计标高0.5m，作为保护桩长，以确保桩头砼强度满足设计要求。
5、由于该场地多为砂质地层，且含较多卵砾石，钻进中钻头磨损较快，因此每施工20-30根桩，需对钻头直径进行校核，以保证桩径满足设计要求。
6、由于施工时弃土较多，找到已定桩位的标志比较困难，故采用远距离参照定位，即在弃土外找到与施工桩位在同一直线上的两个定位点，来确定桩位，认真对照桩位布置图，确定施工桩的位置及编号，做好施工记录。
7、采用人工开挖桩间土，钢锯或电钻截桩头，成桩后在桩体尚未达到一定强度时，尽量避免桩体附近的机械行走，以防止浅部桩体裂缝和断桩。
五、CFG桩的质量检验和检测
1、质量检验
①施工原始记录：详细、完善、准确。
②开挖检验：经开挖检验，桩体混凝土密实均匀，无包砂裹土“结核”现象，桩径控制在400mm之间，桩位偏差在5-16cm范围之内，桩顶标高同设计标高相符，符合规范要求。
2、CFG桩的检测及沉降结果
该工程施工结束28天后，建设单位委托具备相应资质的专业检测单位进行了单桩竖向静载荷试验4个点、单桩复合地基静载荷试验4个点和低应变动力测试255根。其检测结果见表3：
CFG桩复合地基检测结果 表3
单桩竖向承载力特征值（KN）
最大
沉降量
（mm）
单桩复合地基承载力特征值（KN）
最大
沉降量
（mm）
低应变动力检测
850
18.42
530
21.95
Ⅰ类桩246根桩，占96%
Ⅱ类桩9根桩，占4%
从以上检测结果可知，单桩竖向承载力特征值和单桩复合地基承载力特征值均满足设计要求；沉降量和低应变动力检测结果，均满足工程要求。
六、结语
工程实践证明，CFG桩通过改变桩长、桩径、桩距等设计参数可使承载力在较大范围内调整，承载力提高幅度在250%~400%；且沉降量小，变形稳定快；操作简便，工艺性好；成桩速度快，缩短工期；特别是CFG桩中由于粉煤灰的使用，使桩体材料具有良好的流动性与和易性，灌筑方便，施工质量容易控制，可以节约水泥，废物利用保护生态环境，降低工程成本，经比较分析与灌注桩相比可以节约投资40%左右。CFG桩不仅适用于多层建筑，还适用于高层和超高层建筑，且适用的地层范围广，如：填土、粉土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粘土、砂土等地基加固处理。
综上所述，CFG桩具有可靠的技术性能和经济效果，在高层和超高层地基处理中具有广阔的应用前景和推广价值。
二OO九年五月
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