CFG桩属于高粘结强度桩, 与素混凝土桩的区别仅在于桩体材料的构成不同, 而其受力和变形特性方面没有区别^[1]。随着商品混凝土大规模的商业化生产、罐装运送及泵送工艺浇筑, CFG桩桩体材料采用素混凝土, 其施工速度更快, 桩身质量更容易保证。

　　 CFG桩加固技术已在北方地区的高层建筑地基处理中得到应用, 仅就北京和河北地区的不完全统计, 已有近千栋高层建筑地基处理采用了CFG桩加固技术, 其中绝大多数为20~35层的高层建筑^[2]。

　　 随着近年来房地产产业的发展, 二、三线城市也逐步出现用地紧张, 多层建筑逐步被高层建筑代替, 有些地区的天然地基已经不能满足结构承载力及变形设计的要求, 具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低廉等特点的CFG桩复合地基技术有了更广泛应用的空间。

　　 但在济宁地区的20~30层高层建筑, 特别是30层以上的高层建筑, 较少采用CFG桩复合地基。本文结合济宁地区已竣工并交付业主使用的某高层住宅小区, 详细介绍CFG桩复合地基的设计过程, 并对实际沉降观测数据与设计计算沉降量进行了分析对比。

　　 某住宅工程位于济宁市, 总建筑面积21万m², 由7栋小高层和高层住宅楼和相邻地下车库共同组成, 其中1#楼、3#楼和8#楼是高层建筑, 2#楼、5#楼、6#楼和7#楼是小高层建筑。住宅楼地下均3层, 地上11~30层, 其中1#~3#楼地上分别为30层、18层、27层, 5#~8#楼地上分别为14层、11层、19层、25层。建筑位置平面图见图1。

　　 住宅楼上部结构为剪力墙结构, 基础采用筏板基础, 地基采用CFG桩加固技术处理。地下车库采用框架结构, 基础采用独立基础加防水板。

　　 场区凹陷体内的第四系 (Q) 松散岩类分布甚广, 厚度变化较大, 最大揭露厚度达338m。主要为黄河、汶泗河冲洪积物组成, 岩性变化较复杂, 其中砂层分布不均匀。场区地形平坦, 自然地面绝对标高约在36.38~38.11m。地面以下至基岩顶板之间的沉积土层以黏性土、粉质黏土与砂土交互层为主。主要地层岩性及其物理力学指标见表1。勘察期间场地内静止水埋深约在7.7~9.5m, 标高在28.60m左右。

　　 本小区住宅楼层数11~30层不等, 其基础底面均坐落在 (5) 层黏土层, 地基承载力特征值f_ak=170k Pa, 采用天然地基不能满足承载力和地基变形要求, 需采用CFG桩 (水泥粉煤灰碎石桩) 进行加固处理形成复合地基。

　　 本文仅以1#住宅楼为例介绍CFG桩复合地基设计过程, 1#楼建筑平面长为57.82m、宽为12.4m, 建筑总高度为92m。上部结构采用剪力墙结构, 基础采用筏板基础, 板厚为1.55m。建筑物室内地面标高±0.000m所对应的绝对标高为38.05m, 基础底面绝对标高为27.3m, 抗浮设计水位绝对标高为32.0m。

　　 经计算, 用于验算地基承载力的基底压力标准值为510k Pa, 用于变形验算的基底压力准永久值为434k Pa, 基底平均附加应力为289k Pa。

　　 复合地基承载力特征值计算公式^[1]如下:

　　 式中:f_spk为复合地基承载力特征值, k Pa;m为面积置换率;R_a为单桩竖向承载力特征值, k N;A_p为单桩的截面积, m²;β为桩间土承载力折减系数;f_sk为处理后桩间土承载力特征值, k Pa。

　　 分析公式 (1) 可以得出, 当面积置换率m、处理后桩间土特征值f_sk及单桩竖向承载力特征值R_a为固定值时, 复合地基承载力特征值f_spk与单桩的截面积A_p为反比关系, 即桩截面面积越小, 也就是桩径越小, 复合地基承载力越大;反之, 复合地基承载力越小。

　　 CFG桩单桩竖向承载力特征值按下式^[1]计算:

　　 式中:u为桩周长, m;q_sia为桩周i层土的侧阻力特征值, k Pa;l_i为i层土的厚度, m;q_pa为桩端端阻力特征值, k Pa;A_p为桩截面积, m²。

　　 桩周长按下式计算:

　　 桩体积按下式计算:

　　 式中:D为桩直径, m;L为桩总长度, m。

　　 由公式 (2) ~ (4) 可以近似得出:

　　 其中:

　　 由于CFG桩桩径范围在300~600mm之间, 桩径较小, 对于CFG桩桩侧阻力主要控制作用, 桩端阻力影响很小。从表1可以看出, 基本变化不大, 近似认为其为定值。分析公式 (5) 可以得出, 在桩体积V不变时, 桩径D与单桩竖向承载力特征值R_a近似成反比关系, 即桩径越小, 单桩竖向承载力越高;反之, 单桩竖向承载力越小。

　　 从以上分析可以得出, 在桩体积不变即桩混凝土量不变的情况下, 桩径越小, 桩长越长, 所获得的复合地基承载力特征值越大。也就是说, 在一定范围内, CFG桩桩径越小, 桩长越长, CFG桩复合地基造价越低。另外, 桩长越长, 加固土层厚度越大, 其基础沉降量就越小。

　　 CFG桩桩直径选择400mm, 正方形布桩, 桩中心距为1 200mm, 面积置换率为0.087。 (10) 层中砂作为桩端持力层, 有效桩长应不小于18.00m, 且要求桩端进入 (10) 层中砂不应小于0.80m。有效桩径比l/d=45, 对于第四纪土地基, 属于长桩。计算时不考虑桩端阻力, 经估算单桩竖向承载力特征值R_a取760k N。复合地基处理后的桩间土承载力特征值f_sk取 (5) 层天然地基承载力特征值170k Pa, 复合地基承载力特征值取f_spk=600k Pa。考虑到主楼周边为地下车库基础 (独立基础加防水板) , 且防水板下设置了硬质聚苯板垫层, 不宜对基础深度作修正。

　　 桩体强度按下式计算:

　　 式中f_cu桩体试块 (边长150mm立方体) 标准养护28d的立方体抗压强度平均值。

　　 经计算, f_cu=18.1N/mm², 桩身材料采用C20混凝土。

　　 基础的总沉降量s由桩长范围土层的压缩量s₁、下卧层的压缩量s₂、褥垫层的压缩量s₃这三部分组成^[2]。由于褥垫层的厚度不大, 压缩变形量很小, 通常可以忽略不计。

　　 复合地基最终变形量计算公式为:

　　 采用复合模量法计算复合地基变形, 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, E_{s P}=ξE_s, 其中ξ为压缩模量提高系数, ξ=f_spk/f_ak。CFG桩桩端以下土层的压缩模量取天然土的压缩模量。经计算ξ取3.5。

　　 复合地基最终变形量计算公式为:

　　 式中:s为地基最终变形量;ψ_s为沉降计算经验系数;n₁为加固范围土层分层数;n₂为变形计算深度范围土层总的分层数;p₀为对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力, k Pa;z_i为i层土层厚度;分别为基础底面计算点至i层、i-1层土底面范围平均附加应力系数, 按《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2002) 附录K采用。

　　 沉降计算结果汇总见表2。

　　 经计算, 变形计算深度范围内压缩模量的当量值, 根据《建筑地基处理技术规范》 (JGJ 79—2002) ^[1]中表9.2.8, 取经验系数ψ_s=0.2, 最终沉降量s=0.2×237.15=47.43mm。

　　 该工程采用长螺旋钻孔、管内泵压灌注成桩工艺, 该工艺有如下优点:低噪声、无泥浆污染;成孔制桩时不产生振动, 从而可避免新打桩对已打桩产生不良影响;成孔穿透能力强, 可穿透硬土层、砂层、粒径不大于8cm的卵石层;施工效率高等。

　　 CFG桩施工完毕后, 由检测单位依据相关技术规范和设计要求进行了单桩复合地基载荷试验和低应变动力测试。经测试, 复合地基承载力和桩身完整性均满足设计要求。

　　 自2011年9月24日对1#楼进行了首次沉降观测, 到主体封顶, 历时604d, 共进行了15次观测。在观测过程中, 共设置了8个沉降观测点, 主要分布在建筑角部和后浇带两侧, 见图2。其中第15次沉降数据汇总见表3。

　　 从表3中可以看出, 第15次最大累计沉降量为40.6mm, 出现在观测点S1-1处;最小累计沉降量为32.4mm, 出现在观测点S1-5处;平均累计沉降量为36.1mm, 最大沉降速率为0.038mm/d<0.04mm/d, 可见, 1#楼主体封顶后沉降基本稳定。

　　 从建筑封顶时 (第15次) 观测的累计沉降与设计计算沉降对比来看, 建筑封顶时观测的累计平均沉降量36.1mm约为设计计算的最终沉降量47.43mm的76%, 处于《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) 第5.3.3条条文说明规定的在50%~80%之间, 说明设计计算沉降量是合理的。

　　 7栋住宅楼建筑封顶时观测的累计沉降量与设计计算沉降量汇总见表4, 由表4可见, 两者比值范围为50%~76%, 设计计算沉降量是合理的。

　　 2014年7月该区工程已经全部交房。1#楼交付使用后现场照片见图3。

　　 本文阐述了济宁地区某小区11~30层高层住宅的CFG桩复合地基的设计过程, 并给出了高层住宅最终沉降观测数据, 得出如下结论:

　　 (1) 与本工程有类似地质条件的地区, 对于高层 (30层左右) 剪力墙结构住宅, 采用CFG桩复合地基是安全可靠的。

　　 (2) 在相同地质条件下, 优先选用小直径、大桩长的CFG桩, 这具有更好的性价比。

　　 (3) 建筑封顶时观测的累计平均沉降量与设计计算的最终沉降量的比值处于《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) 第5.3.3条条文说明规定的在50%~80%之间, 说明设计计算沉降量是合理的。

　　 建议所采用的CFG桩直径不宜小于400mm, 这样可减小因施工不当导致的CFG桩浅部断裂受损;同时建议加强对施工单位的要求:打桩弃土清运完毕后, 机械开挖面下50cm的保护土层宜采用人工开挖, 且清除保护土层时不得扰动基底土并保护好CFG桩头, 减小断桩率。