CFG桩复合地基设计及其在高层建筑中的应用

陈 志 军

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

1 概述

随着民用建筑、轨道交通等领域的快速发展，复合地基以其力学、经济成本等方面独特的优势得到越来越广泛的应用。CFG桩(即水泥粉煤灰碎石桩)复合地基[1]是一种由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水搅拌然后用各种成桩机械在地基中制成的高粘结强度(强度等级一般为C10～C30)桩，它和桩间土、褥垫层共同工作形成复合地基。CFG桩复合地基属于地基处理的一种，由于它能充分发挥桩间土的承载作用，将上部结构荷载传递到地基深处，有效地提高地基承载力和控制地基变形[2]。因此，在房屋建筑、高速路基等领域，CFG桩复合地基常用于填土、黏性土、松散砂土等软弱或相对软弱的地段以期达到提高地基承载力、控制路基变形的目的，这也是目前岩土工程界研究比较活跃的领域。

2 CFG桩复合地基工作机理和破坏形态

2.1 工作机理

与一般的桩基明显不同，CFG桩复合地基由桩体、桩间土和褥垫层三部分构成(见图1)，为保证桩、桩间土能一起受力，在桩顶浇筑一定厚度的褥垫层，以利于桩顶向上刺入。CFG桩复合地基主要通过桩体的置换和排水作用、褥垫层的均化作用以及土体的挤密加强作用四方面来达到提高地基承载力和减小沉降的目的。

经处理后的CFG桩复合地基，上部结构的基础通过褥垫层与复合地基连接，共同工作。在竖向荷载作用下，由于桩体和桩间土在刚度、弹模上的差异较大，当刚性基础变形量相等时，地基中的应力按材料模量进行分配，则桩顶产生的应力大于桩间土表面的应力，桩体承担了大部分的荷载，同时桩将承受的荷载向深层土传递又进一步减小了桩间土表面的应力。由于桩的作用，使得复合地基承载力高于原有地基，地基沉降量比原有地基小，当桩体刚度或桩长逐渐增大时，此种效应更为显著，但当桩体混凝土强度等级过大时对提高复合地基承载力效率会降低，因此在设计复合地基时，桩体混凝土等级不宜取得过高。

CFG桩复合地基设计中，褥垫层的设计尤为关键，因为它决定了复合地基承载力能否充分发挥及沉降控制的效果。复合地基在受荷后桩体可在褥垫层内上、下刺入，由于垫层材料的流动补偿性，确保了在任一荷载作用下桩间土、桩体均能协同工作且两者承担的荷载始终处在一个近似平衡状态，地基中的接触应力和竖向应力也得到了调整，这既改善了地基的变形状况，又大大提高了复合地基的承载力。此外，褥垫层的重要性还体现在：基础底面的局部应力集中现象可通过设置合适的褥垫层厚度加以弱化；可不断调整桩、桩间土共同工作过程中承担荷载的比例，使其能最大程度的发挥作用。工程经验表明，在合理的技术条件下，褥垫层厚度取15 cm～30 cm时地基处理可取得较好的效果，较大桩体直径或桩距对应较大的褥垫层厚度。

在砂土、饱和粉土中进行CFG桩施工时，由于施工机械的振动效应，土体会产生超孔隙水压力，已浇筑成型的CFG桩可作为一个竖向排水通道，孔隙水沿该通道向上排至地面，此过程一直持续到桩体结硬为止。桩体的排水作用不仅不会影响桩体的强度，反而大大提高了桩间土的密实度。

CFG桩复合地基土体的挤密效应主要表现为在成桩过程中，桩体的水泥、粉煤灰发生水化反应时会不断吸收周围土体内的水分，同时释放的热量使土体发热、膨胀，达到挤密的效果。土体的挤密作用不仅提高了地基承载力，对土体的抗剪强度也有很大的改善作用。

2.2 破坏形态

复合地基的破坏形式与多种因素有关，如上部结构的基础形式、受荷方式、增强体材料的特性、复合地基自身结构类型等。CFG桩复合地基属于刚性桩复合地基，在竖向荷载作用下，由于桩体刚度较大，根据受力特性，破坏形态主要包含刺入式破坏、桩体鼓胀破坏、整体剪切破坏和沿滑动面破坏四种(见图2)。

在竖向荷载作用下，当桩体与桩间土刚度存在明显差异时，桩体向上刺入且承担的荷载越来越大直至达到极限受压承载力而破坏，在此过程中内力不断进行重分布，荷载逐渐转移给桩间土，直至桩间土不能继续承担或发生过大的变形而造成地基全面破坏(如图2a)所示)；桩体鼓胀破坏主要发生在当桩间土不能对桩体提供足够的侧压时所形成的一种破坏形态(如图2b)所示)；沿竖向受荷时，复合地基易形成塑性流动区，当荷载较大时，桩体和桩间土易出现沿圆弧面的剪切破坏(如图2c)所示)；在水平、竖向荷载共同作用下，复合地基出现沿滑动面破坏(如图2d)所示)，此时桩体、桩间土均发生剪切破坏而使复合地基失去继续承载的能力。

3 CFG桩复合地基的优越性

与一般桩基础的噪声大、施工流程复杂等缺点不同，CFG桩复合地基施工工艺简单、环境污染小，此外尚有以下3点优越性：

1)可适用性强，承载力提高幅度大。CFG桩复合地基可用于粉土、砂土、黏性土等地质条件，根据各土层情况选用合适的桩径、桩长、施工方法，处理之后复合地基承载力可达原地基承载力的2倍～5倍。此外，有研究表明[3]，当地基土下有深、浅两个桩端持力层时，采用长短桩型结合的布桩形式，可确保复合地基安全、经济、合理。

2)复合地基变形量小。CFG桩复合地基由于桩端置于下部较好的土层，软弱土层处于桩端以上区域，加上桩体自身刚度及对周围土体的挤密作用使得复合地基有较高的模量，从而降低了建筑物的沉降。

3)施工工期短，降低投资成本。CFG桩由于没有配筋，施工简便，既减少了钢筋加工流程、降低了成桩时间，又缩短了工期。此外，CFG桩成桩原料一般可就地取材，其主要成桩原料中的粉煤灰、石屑等是火电厂产生的大量排出物，其合理的利用既减少了环境污染又充分利用了资源，综合而言降低了工程造价。

4 CFG桩复合地基设计

4.1 承载力计算

根据《建筑地基处理技术规范》[4]，单桩竖向承载力特征值应通过现场静载荷试验确定，初步设计可按式(1)估算：

(1)

其中，Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；up为桩的周长；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值,kPa，可按地区经验确定；lpi为桩长范围内第i层土的厚度，kPa；αp为桩端端阻力发挥系数，可取0.4～0.6，也可按地区经验确定；qp为桩端端阻力特征值，kPa，可按地区经验确定；Ap为桩的截面面积,m2。

复合地基承载力特征值按式(2)计算：

(2)

为保证桩身不早于土体破坏，则由桩身材料强度确定的单桩承载力(见式(3))应不小于按桩周岩土参数确定的单桩承载力(见式(1))。

Ra=ηfcuAp

(3)

其中，fcu为与CFG桩桩身配比相同的立方体(边长70.7 mm)90 d龄期抗压强度平均值，kPa；η为桩身强度折减系数，取值范围0.20～0.25，湿法取大值。

因复合地基仅在一定范围内进行，其基础的传力路径与天然地基有所不同。当需对复合地基进行深度和宽度修正时，偏于安全，宽度可不进行修正，深度修正系数取1.0，此时复合地基承载力按式(4)计算：

fspa=fspk+0+1.0×γm×(d-0.5)

(4)

其中，γm为基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下的土层取浮重度；fspa为深度修正后的复合地基承载力特征值；d为考虑修正的基础埋置深度。

复合地基增强体桩身强度应满足式(5)的要求；当按式(4)进行深度修正时，需满足式(6)的要求：

(5)

(6)

其中，fcu为28 d龄期时桩体立方体(边长150 mm)试块的抗压强度平均值，kPa。

4.2 沉降计算

CFG桩复合地基变形的计算应符合《建筑地基基础设计规范》[5]的相关规定，按式(7)进行变形计算。复合地基沉降计算时其土层划分方法可与天然地基沉降计算土层划分保持一致，两种地基的承载力特征值、压缩模量存在如式(8)所示的相互关系。

(7)

(8)

5 工程实例

5.1 工程概况

某居住小区位于河南省汝州市，项目由8栋高层住宅楼、大面积单层纯地下室车库组成，车库顶板覆土厚度为1.2 m。各栋住宅楼层数均为地上18层，地下2层(含1层夹层)，大屋面高度53.80 m，室内外高差0.3 m，住宅楼范围采用筏板基础，纯地下室为柱下独立基础，项目平面布置见图3，地下室外墙以外为大面积自然填土。

根据现场勘察及实验室土工试验等成果报告，本工程在勘探深度范围内由顶层依次向下土层划分及各土层主要岩土工程参数如表1所示。

表1 各土层主要岩土工程参数

5.2 复合地基设计

由工程地质剖面图得知，各住宅楼基础设计时可不考虑水浮力作用，基础埋置深度约6.6 m，主楼筏板基础底标高所在土层为③粉质黏土，该土层为中压缩性土，承载力特征值不高，以③土层作为筏板基础持力层不能满足上部结构对基底压力375 kPa(标准值)的要求。地勘报告推荐基础形式为桩筏基础和刚性桩复合地基，桩径均为600 mm，因④～⑥土层承载力相对不高、土层分布不均匀，两种基础方案桩端持力层均为⑦粉质黏土，桩长均为13.5 m左右。根据经验，结合施工工期、经济性等指标综合分析，采用刚性桩复合地基方案最优。

以4号楼为例进行地基处理设计。4号楼筏板基础厚度为1.1 m，混凝土强度等级为C35，其四周临近地下室外墙一侧为天然填土、其余三侧为单层地下室车库，可考虑周围超载对地基承载力深度修正[6]，单层车库按等效土层厚度0.5 m考虑，则超载折算成土层厚度的基础埋深可取2.8 m，经CFG桩处理后复合地基承载力特征值为：

fspk=375-1.0×18×(2.8-0.5)=333.6 kPa。

根据本文4.1节式(1)～式(6)及复合地基理论，经计算确定4号楼地基处理所用CFG桩桩径为500 mm，单桩承载力特征值为800 kN，有效桩长为13.50 m。采用正方形布桩，桩距为1 800 mm，面积置换率为0.059，桩身混凝土强度等级为C25。CFG桩的布置如图4所示。

为使地基处理取得良好的效果，褥垫层厚度取300 mm，其选用的粗骨料最大粒径为25 mm～30 mm。经合理的CFG桩、筏板设计，处理后地基承载力约为处理前天然地基承载力的2.4倍，其承载力特征值达到380 kPa，满足了上部结构对基底压力的需求。通过沉降计算，复合地基最终变形量为16.58 mm，满足规范对变形控制的要求。

5.3 经济性对比

为研究CFG桩复合地基和桩筏基础在经济性、施工工期等方面的差异，对4号楼进行了桩筏基础的设计。同时为研究该项差异是否受灌注桩直径的影响，根据各勘孔土层分布及桩侧阻力、桩端阻力等参数，对桩筏基础分别采用直径600 mm,800 mm,1 000 mm三种方案的长螺旋钻孔灌注桩进行了设计，其中桩身、筏板混凝土强度等级均为C35，筏板厚度1 100 mm，CFG桩复合地基与各桩筏基础指标对比情况见表2。

表2 CFG桩复合地基与各桩筏基础指标对比

根据表2可知，采用CFG桩复合地基方案基础造价最低、施工工期最短；桩筏基础采用的灌注桩直径越小越有优势，桩径越大工效越低。与直径为600 mm，800 mm，1 000 mm的灌注桩方案相比，CFG桩复合地基方案可分别节约造价约12.6%，41.9%，54.1%，可分别缩短工期22.7%，34.6%，29.2%。

5.4 桩基检测及基础沉降结果

CFG桩施工完成后，桩基检测单位对4号楼的CFG桩采用低应变法进行了桩身完整性检测[7]，检测桩数为48根，占总桩数的20.5%。采用时域方法分析确定平均波速为3 778.8 m/s，结合实测信号曲线和时域信号特征判定Ⅰ类桩45根，占被检测桩的93.75%，Ⅱ类桩3根，占被检测桩的6.25%，未检测出Ⅲ类或Ⅳ类桩，因此4号楼CFG桩质量效果良好，达到了设计要求。

施工过程中对主体结构分两阶段进行沉降观测。第一阶段为当主体结构施工到第7层时，累计的最大沉降量为14 mm；第二阶段为当主体结构封顶时累计最大沉降量为18 mm，且两次最大沉降量均处于同一个观测点。根据经验，主体结构封顶时沉降量一般为结构最终沉降量的80%左右，由此预估主体结构稳定沉降量为22.5 mm，其值远小于规范限值200 mm，因此结构沉降符合规范要求。

6 结语

1)CFG桩复合地基在控制变形、改善地基承载力方面的原理主要体现在桩体的置换和排水作用、褥垫层的均化作用和土体的挤密加强四方面。其中，合理地设计褥垫层至关重要。

2)CFG桩复合地基适用性强，可应用于多种软弱或相对软弱土层中，同时能根据地质情况灵活选用桩型、桩长、桩径，拥有地基承载力提高幅度大、变形量小、工期短、工程投资成本低的优点。

3)CFG桩复合地基在高层建筑中的成功应用，既保证了工程质量又赢得了社会经济效益，为今后同类工程的设计提供了宝贵经验。