CFG桩复合地基在某工程实例中的设计与研究

单益军

(杭州市建筑设计研究院有限公司,杭州 310001)

单益军

(杭州市建筑设计研究院有限公司,杭州 310001)

结合周口地区工程对CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)复合地基进行了设计,对比计算结果与现场观测的数据,对规范中沉降计算公式进行了优化。通过数值模拟计算,分析了影响沉降变形的因素及影响规律。

CFG桩; 复合地基; 沉降; 模拟计算

1 工程概况

该工程拟建建筑物位于周口市,地形较为平坦,三侧均临城市主干道,平面上基本呈矩形,南北长544.0 m,东西宽180.0 m。拟建高层住宅楼共17栋,地上层数为19～32,地下1层,均为剪力墙形式,筏板基础。列出部分拟建建筑物具体情况见表1。

表1 建筑物部分子项工程一览表

拟建场地位于黄淮河冲积平原上,建筑场地类别属于Ⅲ类,地下水稳定水位在地表下4.3 m,绝对高程约42 m,地下水为潜水,在建筑物设计使用周期内最高水位埋深为0.0 m。地基不具液化性,无不良地质作用及不利堆积物,地基土均匀。进行了高压固结试验获得预计桩端以下土层实际受荷段相应参数,结合工程数据确定场地各层地基土的承载力特征值及压缩性。根据拟建建筑物的剖面资料及场地工程情况,若采用天然地基筏板基础,以第②层粉质粘土或者第③层粉土作为持力层,经计算知持力层强度不满足要求。

2 CFG桩复合地基设计计算

根据勘测资料,将勘探深度范围内的地层分为10层。采用CFG复合地基方案[1],以承载力相对较高、压缩呈中性的第⑥层粉土作为桩端持力层,基底位于第②层粉质粘土层。由于最高、基地反力最大的楼层是16、17两栋,因此取该两栋楼为代表进行CFG桩复合地基设计计算。场地相关土层物理力学指标总结数据见表2[2]。

表2 场地土层物理力学指标

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)[3]计算得:勘探孔单桩、桩体强度均满足要求;考虑到地下车库采用独立基础,因此仅从地下室内标高对计算出的地基承载力进行修正,得到CFG复合地基承载力能够满足设计要求;主楼整体沉降量、沉降差、倾斜及局部倾斜均在规范允许范围内。列出代表楼层CFG桩复合地基最终参数见表3。

表3 代表楼层地基最终参数

通过周口区地基的高层建筑实践经验知,主楼封顶后通常沉降量在40 mm左右。因此可认为该工程采用CFG桩复合地基方案是合理的。

3 现场试验与沉降观测

3.1 单桩复合地基荷载试验

现场选取3个单桩复合地基荷载试点。采用压重平台反力装置分8个等级逐级加载,最大加载量不少于2倍的设计压力值,分级加载情况见表4。

表4 静载荷试验加载分级表

每次加载完成须待1小时内的沉降量小于0.1 mm方可进行下一步加载,且在加载后1 min内读取沉降量,随后读取频率降为0.5 h一次。当出现最终沉降量大于承压板的宽度或直径的6%,或出现沉降明显异常时,终止试验。卸载时保持每次卸载的压力值大致相等,且每半小时记录一次变形量,待卸载完成后每3 h记录一次变形量。得到3个试点的单桩复合地基荷载试验数据见表5。

表5 各试点试验概况表

得出3个试点复合地基承载力特征值均为461 k Pa,满足最大值与最小值之差小于平均值30%,故本工程复合地基承载力特征值取三者平均值461 kPa。

3.2 长期沉降观测

施工过程中结构上部荷载变化较大,选取了10个沉降观测点于6个月内每月进行一次观测,部分观测结果见表6。

表6 部分观测结果

由表6可见尽管各观测点沉降有所差异,但差异不大,大小均随上部结构的完善而增大,平均沉降量均满足规范要求。根据周口地区经验,主楼完工后沉降大致达到总沉降的80%,由此推出总沉降值约为30.4 mm,小于计算值。综上分析,采用CFG桩复合地基能有效地控制沉降[4]。

4 沉降计算公式的优化

目前工程上主要用复合模量法计算沉降,见式(1)

式(1)前半部分是加固区变形量,后半部分是下卧层变形量,此方法存在不足之处有两点:1)计算经验系数是以沉降计算值为依据,该值由变形比法确定,若计算沉降时采用应力比法,此经验系数可能不适用;2)土层加固区复合模量根据面积加权法得到,无法反映桩土之间各种因素影响。因此,复合地基模量放大系数ε与沉降经验修正系数ψs应根据不同情况进行修正。对比项目观测沉降值30.4 mm与规范计算沉降值39 mm知,计算结果相对偏大,可以对沉降经验修正系数进行0.8～0.9的折减。通过式(1)计算得出该工程沉降经验修正系数为0.3,根据实际观测情况,对复合模量放大系数放大1.05倍,沉降经验修正系数缩小至0.85倍。优化后计算得到的沉降值为31.76 mm,更接近项目实际沉降值,因此优化后的沉降计算公式更符合实际情况。

5 CFG桩复合地基数值模拟分析

5.1 PKPM模拟分析

以17号楼为代表,采用JCCAD计算模块模拟,步骤如下:1)将土层根据土体参数编号,输入土参数;2)输入孔点相对位置;3)有限元计算。该工程采用弹性地基梁板模型,假定桩与其周围土体为互不相关的弹簧。考虑大面积筏板基础在上部结构荷载不均匀作用下容易产生变形,将上部建筑物的刚度与筏板基础组合在一起减小变形差,让所得结果更接近实际情况。

计算所得沉降图见图1。

计算结果显示,4条等值曲线沉降值分别为35 mm、40 mm、45 mm、50 mm,平均沉降量为40 mm,与计算沉降值39 mm十分接近,满足规范设计要求。

5.2 ANSYS模拟分析

考虑到工程的实际情况,对模型作出以下假定[5]:1)所有部分均为各向同性且均质材料;2)土体、褥垫层均为DP材料;3)CFG桩与筏板均满足广义胡克定律;4)土体与桩、筏板与褥垫层始终相互接触且不发生相对滑动;5)土体顶面无约束,侧面为杆单元约束,底部采用固定约束;6)桩身与土体均可采用SOLID65单元。选取单桩模型进行模拟分析,筏板厚度为1.5 m,褥垫层厚度为0.2 m,选取的放桩边长为0.35 m长度为19 m,土体水平长度为一个桩间距,竖向土体深度为30 m。对单桩上部施加以50 k N为等差逐级递增的均布荷载,直至350 kPa,模拟楼层上部结构传来的荷载,得到单桩沉降图见图2,复合地基p-s曲线见图3。

模拟得出单桩位移最大值为20 mm,与计算结果和实际观测结果均较接近,说明模型建立合理。由图3可见在荷载在一定范围内,地基沉降大致以线性增加,当荷载继续增大,沉降呈现非线性增加。

在该模型基础上,通过改变褥垫层厚度、弹性模量及桩身长度,研究影响CFG桩复合地基沉降变形的主要因素[6],得出各因素对总体沉降值影响规律如下:1)当褥垫层厚度小于500 mm时,总体沉降变形随着厚度的增加而明显增大;当褥垫层的厚度大于500 mm时,总体沉降值随着厚度的增加几乎不变。可以得出当褥垫层厚度在100 mm到500 mm之间时既能明显地对沉降起到控制作用又较为经济。2)当褥垫层弹性模量增加时,桩承受的荷载增大而土体承受的荷载减小,引起沉降变形减小。3)桩径一定时,桩体长度越大,其支撑作用及正摩阻区增大,导致基础沉降值减小,但当桩长度过大时继续增加桩长对其控制沉降作用反而不明显。综上所述,实际工程中若出现沉降变形过大,可通过适当减小褥垫层厚度、增大褥垫层模量、适当增加桩长等方法进行控制。

6 结 论

a.结合周口地区实际情况对CFG桩复合地基进行了设计与计算,同时对规范中的复合模量法计算沉降公式提出了优化思想,对今后工程计算起到一定参考作用。

b.分别用PKPM于ANSYS对此工程进行了单桩模拟分析。通过改变褥垫层厚度、弹性模量和桩长研究各因素对CFG桩复合地基沉降变形的影响规律,对今后工程中控制沉降起到一定参考作用。

c.文中提出的优化思想尚缺乏大量的工程实例进行验证,公式中相应系数的修改需根据当地实际情况进行修正;对非筏板基础下CFG桩复合地基及其它基础类型有待进一步研究。

[1] 韩敬连.CFG桩复合地基探讨[J].建筑与预算,2015(3):54-57.

[2] 王秋义.CFG桩与夯实水泥土桩多桩型复合地基在工程中的应用[J].建设科技,2015(8):106-107.

[3] JGJ 79—2012,建筑地基处理技术规范[S].

[4] 张慧芳.CFG桩在地基处理工程中的应用[J].山西科技,2015,30(2):156-157.

[5] 余 旭,吴 瑶,CFG桩复合地基力学性能的有限元分析[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2014,22(2):62 -65.

[6] 史 俊,王小勇.水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基在高层建筑地基处理中的应用[J].安徽地质,2015,25(1):57 -60.

Design and Research of CFG Pile Composite Foundation in Projects

SH AN Yi-jun
(Hangzhou Architectural Design&Research Institute Co,Ltd,Hangzhou 310001,China)

CFG pile composite foundation was designed based on the engineering in Zhoukou.Comparing the calculation data with the field observations,an optimal strategy for the settlement formula in specification was proposed. The factors and influencing laws of the settlement deformation were analyzed by numerical simulations.

CFG pile; composite foundation; settlement;simulation

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.014

2015-08-12.

单益军(1968-),高级工程师.E-mail:W430070@163.com