多桩型复合地基在高层建筑中的应用及分析

彭 辉

(山西五建集团有限公司，山西 太原 030013)

多桩型复合地基在高层建筑中的应用及分析

彭 辉

(山西五建集团有限公司，山西 太原 030013)

分析了CFG桩+碎石桩组合型复合地基的作用机理，结合工程实例介绍了初步设计估算方法，论述了组合型复合地基的施工工艺和控制措施，指出这种地基处理方法提高了承载力，消除了液化作用。

复合地基，加固机理，CFG桩，碎石桩

近年来，太原地区建筑市场飞速发展，特别是汾河两岸黄金地段的房地产地位愈发凸显。随着该区域工程地质资料的逐步积累，标示出该区域地质土层多为饱和土，其中存在着大量的可液化砂土及粉土层，成为地基基础设计中需重点处理的地质问题。同时由于土地作为稀缺资源，使得能充分利用立体空间的高层建筑得以广泛应用，对地基承载力也提出了较高要求。如何在有效处理液化土层和提高地基承载力两方面取得最佳组合效应成为了主要的研究发展方向。

碎石桩在工程领域处理液化土层的有效性已被广泛证实，在太原地区是市场上主要的液化土层处理工艺。然而经碎石桩处理的地基土虽可有效消除地基液化和提高地基承载力(工程实践表明一般可提高15 kPa～35 kPa)，但处理后的地基土以散体材料桩为主，如果设计要求的地基承载力较高时，仅采用此项工艺对地基土的承载力提高幅度有限。为了有效增加地基承载力，采用增加另一桩型，与碎石桩组成多桩型复合地基以提供设计要求的较高程度的地基承载力成为了地基设计的主要处理方式。当前，CFG桩法——工程上称为水泥粉煤灰碎石桩法，作为有粘结性的桩体材料，多采用商品混凝土的原料制备工艺，可显著提高桩体承载力。并且CFG桩具有工序简易、机械化程度高、桩土共同作用效应明确等诸多优势，在高层建筑中采用CFG桩作为增型桩。充分结合上述两种桩型的技术特点，组合使用构成多桩型复合地基以使地基承载力有效提高并消除液化成为了该类地基处理设计中可行的应用方法。

1 加固机理

1.1 碎石桩

太原地区采用碎石桩法作为处理可液化砂土，粉土地基加固方法。常采用振动沉管工艺进行施工，通过专业桩机设备在软弱地基成孔后，将碎石填入已成孔中，形成散体材料为主的密实桩体。通过桩机设备的振动锤产生的激振力，对土体形成振密作用，同时通过成孔过程中桩管对土体的挤压作用起到挤密效果，从而提高地基承载力，减小土体变形和消除土体液化。其作用体现在下列几个方面：

1)对土体的挤密作用，振动沉管法在成孔过程中不进行土层置换，而是通过桩管将周边土体挤开成孔，同时通过桩锤振动协同桩管对土体起到挤压作用，使得桩间土受到扰动，土粒重新排列，减小砂土层孔隙比，提高土体密实度。其有效挤密范围可达3倍～4倍桩直径。

2)改善土体排水情况。对于可液化的砂土及粉土来说，液化机理已经明确，采用碎石桩振动成桩工艺，通过对土层的振动扰动和填充碎石材料，对液化土层进行一定程度的重构，同时利用土体中加入的填充碎石材料，形成反滤性、渗透性良好的人工排水渗透通道，可显著消除土体中的孔隙和促使原土当中的孔隙水排出，使得原土孔隙水压力快速消散，避免地震时孔隙水压力增高，有效应力降低造成砂土液化。后期还可以起到加快地基排水固结的作用。

3)改善土体抗震性能。对于液化土层，经碎石桩进行地基加固后，地震波产生的剪应力由碎石桩和桩间土共同承担。由于桩体相对于桩间土的剪切模量要大，桩体的抗剪刚度要大于桩间土，会促使地震应力向桩体集中，由刚度较大的桩体承担较多的应力，减小桩间土分配的应力，改善土体抗震性能。

碎石桩作为散体材料桩虽能提高地基承载力，但在垂直荷载较大时，桩顶易发生压胀变形，不易达到承载力要求。因此在对地基承载力要求较高的高层建筑中无法单独使用。

1.2 CFG桩

CFG桩桩体材料采用碎石、水泥、粉煤灰、中砂(石屑)和水按一定配合比搅拌配制而成(现多采用商品混凝土制备方法)，通过特定施工工艺制成一种刚度介于碎石桩和素混凝土桩之间的半刚性桩。在桩体受力未超过材料强度破坏前，桩身受力等同于刚性桩，承载能力由桩周摩阻力和桩端支承力决定，在复合地基中发挥桩的作用。由于其压缩性较桩间土低，在基础传递的附加压力下，随地层变形，应力逐渐集中于桩身，桩间土应力相应减小，桩与桩间土的桩土应力比较碎石桩法显著增加。CFG桩法提高地基承载力的途径是发挥桩的桩体作用，通过桩体承载力提升地基承载能力。

1.3 共同作用机理

鉴于以上两种桩的受力特点，将两种方法结合处理地基，可最大限度地发挥两种方法的优点，既可提升复合地基承载力，又可降低和控制地基变形并消除地基土层液化。碎石桩作为散体材料桩工作时，由于其散体特性，仅靠周边土体对桩的约束作用承受上部荷载，桩体易在水平向发生鼓胀，同时在竖直方向由于荷载原因压密。CFG桩的插入使土体的侧向约束作用得到增强，从而减少桩顶部分的水平鼓胀。避免碎石桩产生鼓胀破坏的可能。土体通过碎石桩处理提升了地基承载力，增加了地基深层抗滑和固结排水能力。同时挤密碎石桩有效提高土体抗剪强度，并兼有改善地基排水条件作用。通过提升土沿着桩身的极限抗剪强度来增强桩周表面摩擦力，从而增强CFG桩的极限承载力。

2 实例分析

2.1 工程地质条件

太原某商品房工程，建设场地地貌单元为汾河西岸一级阶地，场地类别为Ⅲ类，土层分布见表1。本工程地质为中等液化场地，地下水埋深2.7 m～3.6 m，各层地基土承载力特征值，见表1。

表1 各层地基土承载力标准值

2.2 工程概况及地基设计

本工程结构设计为剪力墙结构，地上16层，地下1层，筏板基础，基础尺寸为14.7 m×73.5 m，基础埋深4.5 m。经设计计算，要求提供的地基承载力约340 kPa。根据勘察报告：本工程地基持力层范围内粉土的承载力较低，且为中等液化场地，主要液化土层为第③层细砂，须作地基处理。本工程地基处理采用碎石桩和CFG桩多桩型组合复合地基，碎石桩伸至第④层粗砂层。设计桩径、桩长为：D=400 mm，L=10.5 m(有效桩长10 m)，桩距：1 200 m，正方形布置；CFG桩：设计桩径、桩长：D=400 mm，L=10.5 m(有效桩长10 m)，正方形布桩，桩距：1 200 m，CFG桩混凝土标号C20，褥垫层厚400 mm。

2.3 复合地基承载力估算

根据规范要求，多桩型复合地基承载力特征值，应采用多桩复合地基静载荷试验确定，初步设计时，根据本案例复合地基两种桩型特点，可采用具有粘结强度的桩与散体材料桩组合形成的复合地基承载力特征值公式，计算依据为《建筑地基处理技术规范》7．9．6-2公式：

其中，β为仅由散体材料桩加固处理形成的复合地基承载力发挥系数；n为仅由散体材料桩加固处理形成的复合地基的桩土应力比；fsk为仅由散体材料桩加固处理后桩间土承载力特征值，kPa；Ra1为桩1的单桩承载力特征值，kN；Ap1，Ap2分别为桩1、桩2的截面面积，m2；S1，S2分别为桩1、桩2的纵横向桩间距，m；λ1为桩1的单桩承载力发挥系数。

本工程按照正方形布桩，根据《建筑地基处理技术规范》，采用矩形布桩时：

根据地区经验取λ1=0.8,β=0.85，n=3，取fsk=fak=110 kPa(第②层粉土)。

其中单桩竖向承载力(CFG桩)计算：计算依据为《建筑地基处理技术规范》公式7．1．5-3：

其中，up为工程桩的周长；n为工程桩长范围内土层数；qsi,qp分别为桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值；li为第i层土的厚度；αp为桩端端阻力发挥系数，取0.96。

计算单桩竖向承载力为：

最终根据《建筑地基处理技术规范》公式7．1．5-1计算得出的多桩型复合地基承载力特征值为：

满足设计要求。

验算桩身强度：

4λRa/Ap=4×0.8×484.89/0.125 6=12 353.89 kN/m2=12.35 N/mm2

根据相关规范，经处理后的地基，对地基承载力特征值进行基础埋深和宽度修正时，基础埋深的地基承载力修正系数应取1.0，基础宽的地基承载力修正系数应取0。

fspa=fspk+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)=370.19+8×(4.5-0.5)=402.19 kPa>340 kPa。

满足承载力要求。

其中，γ为基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；γm为基础底面以上土的加权平均重度，kN/m2，地下水位以下取浮重度；ηb，ηd分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数；b为基础底面宽度，m；d为基础埋置深度，m。

进行基础埋深深度修正桩身强度：

2.4 复合地基变形计算

复合地基承载力特征值为370.19kPa，复合地基加固区土层压缩模量提高系数采用《建筑地基处理技术规范》式7．9．8-4计算，由于本工程两种桩型桩长一致，复合地基处理范围内提高系数取计算值ζ1，其他取1。

复合地基沉降计算深度按照《建筑地基基础设计规范》方法确定，本工程计算深度取自然地面以下31m，计算参数见表2。

表2 计算参数表

采用《建筑地基基础设计规范》变形计算方法：

取地区经验系数ψs=0.2计算，预测得出地基最终沉降量：

s=ψsΔs=33.2 mm。

本文计算中未考虑桩间土密实度增大而引起CFG桩侧摩阻力增加带来的良性影响。

3 施工工艺控制

碎石桩和CFG桩的成桩工艺控制要点已有许多研究人员进行详细总结，这里不再赘述。但需结合加固机理谈一下组合型复合地基施工时应着重注意的一些问题。

通常该类地基处理方法施工时按先碎石桩后CFG桩的施工顺序进行，这样可以避免振动成桩对CFG桩体的剪切破坏。由于目前碎石桩主要采用振动沉管工艺进行施工，对天然土体有强烈的扰动功效，较强的激振力使得土体颗粒、水分子间形成的平衡体系受到破坏。土层渗透性较差时，饱和土地基在桩周围一定范围内的孔隙水压力初期会上升，经过一段时间后，压力通过桩体形成的竖向排水通道逐步消散，由于土体有效应力增长较慢，施工初期表现为土体强度降低，压缩性增大，扰动后的土体需重新固结以恢复承载力，这就需要有一定的固结沉伏期，同时由于桩顶上覆土层压力较小，振动沉管工艺中桩管反复插入土体填料，使得土层上部土体扰动更为强烈，因而对桩体的约束力较小，形成一个松散层，沉伏期相应延长。砂土由于孔隙水压力消散较快，沉伏期较短。

对饱和土而言，此时若过早进行CFG桩施工，对尚未固结的土体进行二次扰动，不仅会造成土体的侧向约束力下降(特别是桩体上部1 m～3 m范围内的松散层)，使得CFG桩施工时极易发生窜孔、缩径、断桩现象。而且CFG桩施工时常采用隔行跳打的方式，每排桩施工完毕后需装载机搬运弃土并平整场地，桩工机械以及运输机械在未固结的上部松散层土体上往复移动和施工极易引起上部软塑状的土层侧向挤压从而对刚施工完毕的CFG桩体产生水平向剪力，同样会引起断桩现象。结合以往积累的工程经验，对渗透性相对较好的细砂层固结沉伏期宜为7 d以上；对饱和的粉质黏土层，因渗透性较差，沉伏期宜为28 d以上。

4 结语

通过分析多桩型复合地基的加固机理并结合工程实例及设计计算可以看出，该种地基处理方法能起到良好的提高承载力和消除液化作用。同时在施工过程中应重视成桩过程对天然土体的扰动现象，给予扰动土体充分的固结沉伏期，避免抢工期带来不必要的质量隐患。

[1] 赵明华.土力学与基础工程.武汉：武汉工业大学出版社，2002.

[2] JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规范.

[3] 龚晓南.地基处理技术发展展望.地基处理，2000(3):3-8.

[4] GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范.

Application and analysis of multi-type-pile composite foundation in high-rise building

Peng Hui

(Shanxi5thConstructionGroupCo.,Ltd,Taiyuan030013,China)

The paper analyzes the action mechanism of CFG pile+crushed-stone-pile composite foundation. Combining with engineering examples, it introduces preliminary estimation methods, discusses construction technologies and control measures of combined composite foundation, and finally points out: the above-mentioned foundation treatment both improves the bearing capacity and eliminates liquefaction.

composite foundation, reinforcement mechanism, CFG pile, crushed-stone-pile

2015-09-20

彭 辉(1980- )，男，工程师，一级建造师

1009-6825(2015)33-0070-04

TU470

A