高层建筑深基坑CFG桩设计及应用研究★

2012-11-06李治文

山西建筑 2012年9期

李治文

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春 130026;2.上海海洋地质勘察设计有限公司，上海 200120)

0 引言

CFG桩全称为水泥粉煤灰碎石桩，它主要由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等加水拌和后，再用于各种成桩机具制成的高粘结强度桩，桩体强度等级一般在C5～C20之间[1-3]。CFG桩用于加固复合地基不但有施工速度快、工期短、质量易控制等优点，而且由于桩体不用配筋，并可掺入工业废料粉煤灰，使得单桩承载力高，具有经济安全优势，因此CFG桩复合地基已广泛应用于我国地基处理技术[4，5]。本文拟在深基坑中应用CFG桩解决高层建筑地基承载力不足的难题，通过设计合理的CFG桩参数，并进行检测试验，分析其适用性和合理性。

1 工程概况及地质条件

拟建建筑地上共15层，剪力墙结构，筏板基础，设两层地下室，基础埋深－10.60m。本工程标高±0相当于绝对标高50.20m。基坑南北方向长100m左右，东西方向宽约60m。场地内表层为填土，其下为一般第四纪冲、洪积层，主要为粘性土和砂土交互沉积层。根据本次勘探现场勘探、原位测试及室内试验成果，按地层沉积年代、成因类型，将拟建场区内本次最大勘探深度50.00m内地层划分为9大层。场地地层按自上而下简述如下:

①层素填土:黄褐色，湿、局部饱和，稍密，以粘粉土为主，含少量砖渣、灰渣、碎石等。局部为杂填土，以建筑垃圾为主。层厚0.8m ～2.5m，层底标高 46.84m ～48.71m。②层砂质粉土、粘质粉土，②1层粘质粉土、粉质粘土:本层以②层砂质粉土、粘质粉土为主，上部为②1层粘质粉土、粉质粘土，总层厚2.80m～4.90m，层底标高43.10m～44.58m。③层粘质粉土:灰黄～褐灰色，可塑，饱和含有机质、姜石云母，局部夹粘质粉土薄层。本层呈中～中高压缩性，层厚1.70m ～4.00m，层底埋深7.50m ～9.50m，层底标高39.63m～41.78m。④层粉质粘土:褐黄～黄褐色，可塑，饱和，含有机质、姜石、云母，局部夹粘质粉土、重粉土粘土薄层或透镜体。本层呈中压缩性，层厚3.20m～5.70m，层底埋深11.50m ～14.20m，层底标高 35.20m ～ 37.78m。⑤层粉质粘土、粘质粉土，⑤1层砂质粉土:本层以⑤层粉质粘土、粘质粉土为主，局部夹⑤1层砂质粉土、粘质粉土薄层及透镜体。总层厚9.30m ～11.60m，层底埋深 22.60m ～ 23.50m，层底标高25.48m～26.58m。⑥层粉质粘土、⑥1层砂质粉土、粘质粉土:本层以⑥层粉质粘土为主，局部夹⑥1层砂质粉土、粉质粘土薄层及透镜体。总层厚10.3m ～14.20m，层底埋深33.50m ～37.00m，层底标高12.55m～15.66m。⑦层粉土，⑦1层粉质粘土:本层以⑦层细砂为主，下部为⑦1层粉质粘土。总层厚2.00m～2.50m，层底埋深36.70m ～37.40m，层底标高12.05m ～12.43m。⑧层卵石，⑧1层圆砾。总层厚3.00m ～3.30m，层底埋深 40.00m ～40.40m，层底标高9.05m ～9.13m。⑨层粉质粘土，⑨1层细砂，⑨2层圆砾:本层以⑨层粉质粘土为主，与⑨1层细砂、⑨2层圆砾交互沉积，本次勘查未穿透该层。

2 深基坑CFG桩设计

2.1 设计要求

1)基础以下均采用同一种复合地基，即CFG桩复合地基进行加固处理。2)地基处理后其复合承载力特征值应满足设计要求，复合地基承载力特征值不小于255kN/m2。3)地基变形应满足最终沉降量的相关规定，最大沉降控制在不大于50mm范围内。

2.2 CFG桩参数设计

1)桩长(L)参数设计:设计桩时应尽量使桩端落在承载力相对较高的土层上。假如桩长设计不等时，应考虑建筑物对承载力和变形的要求、土质条件和设备能力等因素来确定桩端在持力土层的厚度，从而确定桩长。由地质剖面图和土的物理力学指标可以看出，场地标高12.4m以下存在密实的圆砾，层厚为3000mm～3 300mm，是较理想的桩端持力层，但该层埋深较深。若CFG桩桩端落在该层，桩长为28m，施工难度较大。另外通过计算也可以看出，若桩端落在该层。计算时的桩间距较大，超过桩间距的合理范围。若按合理桩间距布桩，布桩数必然增加，造成不必要浪费。场地⑥层为可塑，中密，低压缩性的粉质粘土层，该层土的承载力特征值为210kPa，压缩模量为16.5kPa，亦可作为持力层，初步确定桩端落在⑥层，桩长为18.5m。

2)桩径(d)设计:CFG桩桩径的确定取决于所采用的成桩设备。由于场地土强度较高，且存在粉土，粉砂层，不宜采用挤土的振动沉管工艺，拟采用非挤土的长螺旋钻孔管内泵压CFG桩施工工艺，确定桩径为400mm。

3)桩间距(s)设计:在桩长，桩径确定后，计算桩间距之前需确定天然地基承载力fak，计算出单桩承载力Ra和复合地基承载力特征值fspk。

确定天然地基承载力特征值fak:建筑物基础底面在粉质粘土④层，该层承载力特征值fak=170kPa。计算单桩承载力是根据规范确定各土层的CFG桩的侧阻力特征值为:④层粉质粘土32.5kPa;⑤层粘质粉土 32.5kPa;⑥层粉质粘土 32.5kPa。桩端落在粉质粘土⑥层，端阻力特征值取500kPa。

其中，up为桩的周长，m;qsi，qp分别为桩周第i层土的侧阻力，桩端端阻力特征值，kPa;li为第i层土的厚度，m。

计算得单桩承载力特征值Ra=840kPa。

4)计算置换率:条件给出复合地基承载力fspk≥255kPa。

在已知天然地基承载力特征值的基础上，单桩承载力特征值及复合地基承载力特征值可按式fspk=mRa/Ap+αβ(1－m)fak求得置换率m，计算时取桩间土折减系数β=0.95，桩间土强度提高系数

初步确定桩间距为2，此时复合地基承载力特征值fspk=366kPa。

6)验算变形是否满足要求:桩长，桩径和桩间距初步确定后，需验算是否满足复合地基承载力，按下式计算:

进行验算是否满足复合地基变形要求。

在变形计算时，由式p0=pk－r0d。

pk≤fa=fspk+rm(d－0.5)，fspk≥pk－ rm(d －0.5)确定基底平均附加应力p0=256.5kPa。

在计算模量提高系数时，复合地基承载力特征值应取试验值，在这里近似地取计算值，模量提高系数为:

计算得最大变形量为45mm，平均变形量为40mm，可见计算结果满足55mm的要求。

3 CFG桩的检测及数据分析

3.1 CFG桩的检测

试验采用慢速维持法[6，7]，本文在该楼S1号，S2号，S3号及S4号共计4个试点进行了复合地基载荷试验。当试验满足下列条件之一时终止加荷:1)在某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级加载下沉降量5倍时;2)在某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍;且经过24h尚未达到相对稳定。之后根据测试桩的荷载—沉降曲线来分析其加固效果。

S1号，S2号，S3号及S4号四根测试CFG桩的沉降量见图1，从图1可知设计比较合理。

3.2 CFG桩检测数据分析

按照规范 GJ 7-89地基土载荷试验规定，分析测试桩间土P—S的曲线，考虑地基土变化特征，桩间土承载力标准值取400kPa。再按规范JGJ 94-94单桩竖向抗压静载试验规定，分析测试桩P—S曲线特征，得到 PUK=715kN。根据《水泥、粉煤灰、碎石桩(CFG)复合地基技术规定》:单桩承载力标准值RK=ηPUK(η=0.57～0.67)。从单桩载荷试验P—S曲线中发现四个测试桩存在比例界限，平均值为512.5kN，最小值为450kN，因此从工程安全考虑η取0.57，单桩承载力标准值取407.6kN，符合设计要求。