近年来, 随着城市化进程的逐渐加快, 城市中高层建筑层出不穷, 这对地基基础的承载力、变形和稳定性提出了很高的要求。应根据场地的工程地质条件, 合理地选择建筑物的地基基础形式, 以提高其适应性和经济性。CFG桩加固软土地基的方法在我国东部沿海地区被广泛应用。CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和褥垫层共同构成的半刚性桩复合地基^[1]。其中褥垫层在保证桩土共同承担上部荷载、减小基础底面应力集中、保证桩在水平荷载下的正常工作方面发挥着重要作用^[2]。CFG桩复合地基良好的经济和社会效益, 促使众多学者和工程技术人员对其进行研究^[3,4], 但对于桩端位于软岩上的CFG桩复合地基的工程特性和方案优化的研究较少。青岛地区作为我国风化岩分布区之一, 其风化岩具有埋深较浅、完整性好、承载力大、压缩模量高等特点。本文介绍青岛地区某高层建筑的CFG桩加固处理方案, 并对此方案进行优化, 然后通过静载荷试验验证新方案的可行性, 并对静载荷试验结果进行分析, 研究其承载性状和变形特性。

　　 工程为青岛胶州市某拟建3栋高层住宅楼, 建筑物结构、基础形式及参数汇总于表1。场区主要地貌为冲洪积平原, 地形较平坦, 地面高程为6.25～7.69m。地层结构相对简单, 主要为第四系杂填土、粉质黏土、砂土和风化泥岩。

　　 场区岩土层的剖面图如图1所示, 土层的物理力学指标见表2。

　　 场区水文地质条件:第四系孔隙潜水, 地下水流向虽然表现出多向性, 但含水层透水性较差, 地下水总径流量不大。在基岩中地下水量较小、径流和透水条件差。地下水的补给主要来自大气降水, 在接受补给后, 部分沿地表径流, 少量被蒸发排泄, 部分下渗转化为地下水, 再渗流到基岩含水岩组。土和地下水的腐蚀等级为微、弱腐蚀性。

　　 本工程3栋建筑物原地基处理方案均为CFG桩复合地基, CFG桩参数如表3所示。该复合地基采用正方形布桩, 长螺旋超流态灌注成桩, 桩端嵌入强风化泥岩, 嵌入强风化泥岩中的深度为0.8m。

　　 笔者在原地基处理方案的设计中发现, ④₁粉质黏土层与④₂中砂层的地基承载力特征值为180kPa, 认为上述两土层的地基承载力特征值取值太保守, 于是对场区的勘察报告进行了详细分析, 根据勘察资料提供的表4, 采用线性插值计算得出④₁粉质黏土层与④₂中砂层的地基承载力特征值分别为262kPa和365.5kPa, 取两者的较小值 (262kPa) 作为地基承载力特征值。触探试验中触探杆长会对土层的锤击数产生影响, 而锤击数直接影响到土层的承载力特征值。本次触探试验杆长为7m, 再按照表5采用线性插值法求出触探杆长度修正系数α=0.9, 进而利用0.9×262kPa得到该层土的地基承载力特征值为235.8kPa。

　　 最后对得到的地基承载力特征值进行修正。根据《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) ^[5] (简称地基基础规范) 条文说明5.2.4条的规定:对于主裙楼一体的结构, 当超载宽度大于基础宽度的两倍时, 可将超载折算成土层厚度作为基础埋深, 基础两侧超载不等时, 取小值。将地下1层车库的自重荷载40kN/m² (上部土层的加权容重为10.2kN/m³) 作为超载, 经计算等效成的土层厚度为3.9m。因为地下车库的基础埋深与主楼的基础埋深相差0.8m, 所以将基础埋深取为4.7m。按照地基基础规范5.2.4条的公式 (5.2.4) 对地基承载力特征值进行修正:

　　 $f{}_{\text{a}}=f{}_{\text{a}\text{k}}+\eta {}_{\text{b}}\gamma (b-3)+\eta {}_{\text{d}}\gamma {}_m(d-0.5)(1)$

　　 式中各字符的含义参见地基基础规范。

　　 计算时按基底下土的类别 (本试验基底下土为细砂土) 查阅地基基础规范表5.2.4, 得承载力修正系数η_b=0.3, η_d=1.6, 其他参数:基础地面以下土的重度γ=19.3kN/m³, 基础底面以上土的加权平均重度γ_m=13.8kN/m³, 基础底面宽度b=6m。计算得到修正后的地基承载力特征值 f_a=332kPa。

　　 综上, 修正后的地基承载力特征值 f_a=332kPa大于表1中基底压力330kPa, 小于表1中基底压力550kPa, 故1#, 2#楼采用天然地基就能满足承载力要求, 而3#楼采用天然地基则不能满足要求, 仍需CFG桩处理地基。

　　 根据《建筑地基处理技术规范》 (JGJ 79—2012) ^[6] (简称地基处理规范) 的公式 (7.1.5-2) , (7.1.5-3) , (7.1.6-1) 计算3#楼CFG桩复合地基承载力:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{s}\text{p}\text{k}}=\lambda m\frac{R{}_{\text{a}}}{A{}_{\text{p}}}+\beta (1-m)f{}_{\text{s}\text{k}}(2)\\ R{}_{\text{a}}=u{}_{\text{p}}{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}q}{}_{\text{s}i}l{}_{\text{p}i}+\alpha {}_{\text{p}}q{}_{\text{p}}A{}_{\text{p}}(3)\\ f{}_{\text{c}\text{u}}\ge 4\frac{\lambda R{}_{\text{a}}}{A{}_{\text{p}}}(4)\end{array}$

　　 式中各字符的含义参见地基处理规范。

　　 将单桩截面面积A_p=0.125 6m²、桩间土地基承载力特征值f_sk=235.8kPa及勘察报告中提供的相关参数代入公式 (2) ～ (4) , 计算得出3#楼的CFG桩复合地基承载力特征值为593.5kPa, 大于表1中基底压力550kPa, 说明CFG桩复合地基承载力满足要求。

　　 本工程采用最直接、最可靠的现场静载荷试验方法, 验证优化后的地基处理方案的可行性, 分析强风化泥岩地基中CFG桩复合地基的承载性状及变形特性。对于天然地基和CFG桩复合地基的静载荷试验, 分别按照地基基础规范附录C浅层平板载荷试验要点的规定和地基处理规范附录B复合地基静载荷试验要点中的规定进行了3栋楼9个点的静载荷试验 (每栋楼选取3个点) , 每栋楼选点的原则是在基础长边方向中心线上三分点处。

　　 场地平整后的试坑如图2所示。试验采用某公司生产的RS-JYB静载荷试验成套设备, 即500kN的千斤顶和尺寸为0.707m×0.707m的方形载荷板。采取堆载施加反力, 加载方式为慢速维持荷载法, 分8级以上加载, 每级加载60kPa, 当沉降急剧增大或沉降量大于等于0.06b₁≈42mm (b₁为承载荷板边长) 时停止试验。

　　 以1#楼的3个试验点为例, 静载试验结果见图3, 其他两栋楼的试验结果及曲线分布形态与1#楼相似。由图3可知, 天然地基3个试验点的荷载-沉降曲线均不存在明显的比例界限。因此, 在确定地基承载力时, 按照地基基础规范要求, 取沉降s=0.012b₁=8.2mm对应的荷载作为地基承载力特征值。1号、2号、3号试验点沉降为8.2mm时所对应的荷载分别为442, 337, 332kN, 分别大于最大加载量的一半 (360, 330, 330kPa) , 3个值 (442, 337, 332kN) 的极差没有超过它们平均值的30%^[5], 根据地基处理规范可判断1#楼的地基承载力特征值为340kPa。

　　 按照上述方法计算统计得到:2#楼和3#楼天然地基的承载力的特征值分别为340, 320kPa。

　　 综上, 1#, 2#楼地基承载力特征值为340kPa大于表1中基底压力330kPa, 3#楼地基承载力特征值320kPa小于表1中相应的基底压力550kPa;所以, 优化后的1#, 2#楼采用天然地基就可以满足地基承载力的要求;只需要对3#楼地基进行加固处理即可。

　　 如图3所示, 3条荷载-沉降曲线变化规律大致相同, 以具有代表性的1号试验点的荷载-沉降曲线为例, 分析天然地基的承载性状和变形特性。②细砂层为低压缩性土, 荷载-沉降曲线总体上呈缓变型, 荷载-沉降曲线变化过程大致划分为三个阶段^[7,8]:弹性压密阶段 (不明显) 、弹塑性变形阶段、破坏阶段。弹性压密阶段:此阶段荷载小于①杂填土层的自重应力时, 承压板下土层发生弹性再压缩变形, 但此阶段变形不明显, 究其原因是在继续加载过程中因荷载板下①杂填土松散、②细砂较密实, 从而对土体压缩变形影响较小导致的。弹塑性变形阶段:此阶段荷载-沉降为曲线, 随着荷载的增加, 在承压板边缘②细砂变形逐渐增大, 首先发生剪切破坏, 随荷载继续增大, 应力向四周传递, 剪切破坏区滑动面继续延伸;在逐级荷载作用过程中, 荷载影响范围内的土体发生固结变形, 土体中自由水因渗流产生了较高的孔隙水压力, 从而使有效应力降低, 剪切滑动区土体抗剪强度降低, 加速了土体破坏。破坏阶段:当荷载超过660kPa, 荷载-沉降曲线斜率突增, 此时观察到承压板两侧土体部分隆起, 但承压板没有明显倾斜, 天然地基发生局部剪切破坏。试验现象与潘星^[9]、王士杰等^[10]研究一致。

　　 对3#楼进行了CFG桩复合地基静载试验。试验前需平整场地, 将桩头露出, 清理桩头表面并要求可清晰地按照桩布置图找到相应位置的桩, 现场试验场地如图4所示。采用某公司生产的RS-JYB静载荷试验成套设备, 即2 500kN的千斤顶和尺寸为1.2m×1.2m的方形载荷板, 采取堆载法施加反力, 加载方式为慢速维持荷载法, 分10级加载, 每级加载128kPa。

　　 静载试验结果如图5所示。由图5可知, 由于3根试验桩的荷载-沉降曲线均不存在明显的比例极限;因此, 按照地基处理规范, 取沉降s=0.01b=12mm对应的荷载 (当该荷载大于最大加载值的一半时, 取最大加载值的一半) 作为地基承载力特征值, 其中b为承压板宽度。由图5可知, 1号、2号、3号试验桩沉降12mm时所对应的荷载均超过768kPa, 均大于最大加载值 (1 280kPa) 的一半 (640kPa) , 最终确定该复合地基承载力特征值为640kPa, 大于表1中基底压力550kPa, 满足建筑物地基承载力要求。因此, 只对3#楼采用CFG桩复合地基处理的方案是合理的。

　　 如图5所示, CFG复合地基的3个单桩的荷载-沉降曲线大致呈线性的变化趋势, 总沉降量均较小, 表现出端承摩擦桩的性状。从图5的荷载-沉降曲线可以发现, 1号试验桩荷载-沉降曲线变化较2号、3号试验桩缓慢, 且总沉降量为2号、3号试验桩的一半。分析可能原因为:桩土共同承担荷载时, 桩与土相比刚度较大, CFG桩分担的荷载较多, 桩身压缩变形量较大^[11]。与1号试验桩相比, 相近桩体参数条件下2号试验桩在桩长方向上的④₁粉质黏土层和④₂中砂层中存在地下水, 水土相互作用削弱了土体的抗剪强度, 桩侧摩阻力发挥受限, 导致其总沉降较大。桩长及桩端埋深较小的3号试验桩桩端可能有少量沉渣存在导致其总沉降较大。在本试验条件下可将CFG复合地基单桩荷载-沉降曲线划分为四阶段, 即压密阶段、弹性压缩阶段、弹塑性压缩阶段、破坏阶段 (本试验条件下并未做到破坏, 所以荷载-沉降曲线上未得到体现) 。由图5中3条荷载-沉降曲线均没有明显的拐点可知, 该CFG复合地基的单桩承载力仍有发挥的余地, 可通过减小桩长或桩间距的方式来节省成本和降低造价。

　　 以3#楼1号试验桩荷载-沉降曲线为例, 分析以强风化泥岩基为持力层的CFG桩复合地基的承载性状和变形特性。在静载荷试验加载初期, 即荷载不超过256kPa时, 桩-土体系处于压密阶段, 快速荷载作用使桩和桩间土来不及反应, 砂垫层承担了全部荷载, 砂垫层密实度和刚度增加, 桩顶向上刺入砂垫层, 此时CFG桩复合地基的沉降主要来自砂垫层被压密以及桩体被刺入所产生的变形;随荷载继续增大, 加载量在256～640kPa时, 体系处于弹性压缩阶段, 桩土共同承担上部荷载, 桩顶应力集中, 荷载主要由CFG桩承担, 桩身发生弹性压缩变形, 这与Zhang等^[12]研究结果相符。当荷载超过640kPa, 随着荷载继续增大, 荷载-沉降曲线斜率逐渐增大, 此时体系处于弹塑性压缩阶段, 桩土之间由共同变形转变为相对滑移, 桩侧摩阻力自桩顶逐渐向下发挥, 荷载经桩身传递到深部的强风化泥岩, 桩端承担的荷载逐渐增加, 持力层压缩变形较小, 可提供足够的桩端阻力, 使得该CFG桩复合地基总沉降量较小。

　　 1#楼和2#楼的平面尺寸分别为59.0m×15.4m和44.0m×15.1m, 占地面积分别为908.6m²和664.4m²。依据原地基处理方案, 1#楼和2#楼的CFG桩的桩间距设计为1.8m, 在地基中需成桩的总数分别为281根和205根。在原地基处理方案中, 1#, 2#楼的CFG桩的设计桩长分别为12.45, 12.65m, 设计桩径为400mm, 单桩的混凝土灌注量分别为1.55, 1.58m³。计算得到上述2栋楼CFG桩的总混凝土灌注量约为760m³, 桩的总设计长度约为6 044m。

　　 以青岛市本地建材行情为计量依据, 灌注桩所需混凝土的单价为450元/m³, 施工速度约为250m/台班, 因此, 1#, 2#楼用桩的总工程造价约合人民币34.5万元, 施工总工期约为24d。

　　 因此, 优化后的地基处理方案在保证满足地基承载力要求的前提下, 较原地基处理方案节约工程造价约为34.5万元, 节约工期约24d。

　　 (1) 原地基处理方案为3栋楼均采用CFG桩复合地基, 此方案地基承载力大且变形小, 但需额外增加约34.5万元的工程造价和大约延长24d工期, 性价比不高, 而且没能体现优先考虑天然地基的设计理念。因此, 选择建筑物地基基础形式时应考虑地基基础形式合理性和适应性, 不要盲目处理, 本文的分析方法可为后续类似工程提供经验。

　　 (2) 本试验条件下, 天然地基土发生局部剪切破坏, 荷载-沉降曲线呈缓变型, 荷载-沉降曲线变化过程大致划分为三个阶段:弹性压密阶段 (不明显) 、弹塑性阶段、破坏阶段。地基变形受土层的应力历史、外荷载、固结、土质等因素影响。

　　 (3) 在本试验条件下, 以强风化泥岩为持力层的CFG桩复合地基的单桩表现出端承摩擦桩的性状, 其荷载-位移曲线基本呈现线性变化趋势, 其变化过程可划分为4个阶段, 即压密阶段、弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、破坏阶段。