CFG桩复合地基和预应力混凝土管桩桩基方案比较研究

2015-08-12周春雷丁永刚刘永超

河南科技 2015年1期

张波周春雷丁永刚刘永超

（1.郑州市建筑设计院，河南郑州 450052；2.河南工业大学土木建筑学院，河南郑州 450001；3.黄河科技大学工学院，河南郑州 450064）

1 工程概况

拟建工程主楼地上33 层，地下2 层为立体车库，总层数为35 层，地上主体高度97.40m。经计算，单位面积基底平均反力（筏板外扩1 米，标准组合值）为520kN/m2。主楼基底埋深11.75m，其中基础加垫层1.7m。

建设场地位于郑州市金水区，该场地地貌单元属黄河冲积平原，地形相对平坦，最大高差为1.05m。由《郑州市某城中村改造项目岩土工程勘察报告》（详细勘察）（以下简称《地勘报告》）可知，该地区正常年份地下水变幅为2.0～3.0m 左右，属潜水类型，主要为大气降水补给，近3～5年最高水位埋深为1.0m 左右。场地土自上而下各土层的主要工程地质特征如表1 所示。

表1 各层场地土的工程地质特征

2 桩基和基础方案分析

本工程可采用CFG 桩复合地基上的筏形基础、预应力混凝土管桩桩基上的筏形基础、钻孔灌注桩桩基上的筏形基础。以安全、经济为原则，并结合地域经验深入研究，认真计算，对各种桩型进行分析比较。由于郑州地区钻孔灌注桩综合造价比CGF 桩和预应力混凝土管桩均要高很多，本工程暂不考虑钻孔灌注桩方案。

2.1 CGF 桩

CGF 桩又称水泥粉煤灰碎石桩，属于有粘结强度增强体复合地基，这种桩刚度较大，不仅可以充分发挥桩的侧阻，若桩端落至较好的持力土层，还可以较好地发挥桩端承载力的作用。与其他类型的复合地基相比，CFG桩复合地基能够大幅度提高地基承载力，因此CGF 桩复合地基技术近几年在全国及郑州市当地的高层建筑中得到了广泛的应用，现已成为应用最为普遍的地基处理技术之一[1]。

2.2 预应力混凝土管桩

预应力混凝土管桩是以预应力混凝土钢棒为材料应用先张法产生预应力，并采用离心法生产的混凝土桩，无论什么形状，其性质是一样的，都是中空的离心混凝土桩，具有“管”的属性，成管形，泛称为先张法预应力混凝土管桩，简称“管桩”[2]。预应力混凝土管桩适用于抗震设防烈度小于或等于7 度地区的工业与民用建筑，预应力混凝土管桩具有强度高、耐打性好、工期短、造价低、对工程地质变化适应性强等优点，得到了广泛的应用。管桩宜以较厚、较均匀的强风化或全风化岩层、坚硬的粘土层、密实的砂层等为桩端持力层。如果地质条件好，桩端持力层较为理想，能够有较高的单桩承载力，在保证安全的情况下获得良好的经济效益[3]。

3 结合实际工程分析比较CGF 桩和预应力混凝土管桩桩基方案

桩基和基础方案的确定应综合考虑安全适用与经济合理性、技术先进性、地区经验、施工难易度、成桩质量、保护环境、施工工期等因素。下面针对以上几方面因素，结合实际工程对CGF 桩和预应力混凝土管桩两种方案进行比较分析。

3.1 安全与经济性分析

拟建建筑的基础持力层为第3 层粉质黏土（场地土的地基承载力特征值为120kPa），天然地基方案不满足承载力要求，需要进行地基处理。

方案一：CFG 桩复合地基

根据《地勘报告》，CFG 桩复合地基设计参数如表2所示。

表2 CFG 桩复合地基设计参数

以《地勘报告》2# 孔为例进行计算，取桩径D=400mm、桩长L=19 米、桩端端阻力发挥系数ap=1.0、单桩承载力发挥系数λ=0.85、桩间土承载力发挥系数β=0.95。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）[4]式7.1.5-3，单桩竖向承载力特征值：

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）[4]式7.1.6-1，应满足桩身强度而

因此，桩身强度应不小于20.8×103kPa。

取单桩竖向承载力特征值Ra=770kN，取桩身强度fcu=25Mpa。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）[4]式7.5.1-2，CFG 桩复合地基承载力特征值：

不同桩间距的复合地基承载力特征值如表3 所示。

表3 不同桩间距的复合地基承载力特征值

方案二：预应力混凝土管桩桩基

表4 不同单桩承载力折合单位面积的地基反力

由《地勘报告》可知，拟建工程场地地下水具有微腐蚀性，预应力混凝土管桩选用PHC-400-AB-95 型桩。根据郑州市地域经验，当管桩桩端持力层为砂层，有效桩长大于9 米时，单桩承载力特征值可达到1100kN，且建筑物的最终沉降量约为20～30mm 左右。不同单桩承载力折合单位面积的地基反力如表4 所示。

综合考虑施工挤土因素和群桩效应，本工程管桩按压入第5 层细砂层不小于1.0m 计算，预估有效桩长约为10m，单桩承载力特征值为1050kN。实际施工桩长应结合现场压桩力、进入持力层深度等确定。

根据以上计算分析结果：（1）拟建工程如采用CFG桩复合地基方案，应取桩径D=400mm，取有效桩长L=19m，单桩竖向承载力特征值Ra=770kN，桩间距D=1.25m，复合地基承载力特征值fspk=520kPa；（2）拟建工程如采用预应力混凝土管桩桩基方案，应取桩径为400mm的PHC-400-AB-95 型桩，取有效桩长L=10.0m，单桩承载力特征值为1050KN，桩间距D=1.40m。

3.2 经济指标分析

目前市场参考价，桩身强度fcu为25MPa 的CFG 桩为68 元/m，桩径为400mm 的PHC-400-AB-95 型预应力混凝土管桩为130 元/m。

单根CFG 桩价位：19×68=1292 元。

单根预应力混凝土管桩价位：10.0×130=1300 元。

工程单位面积折合的价位：

CFG 桩复合地基为1×1292/（1.25×1.25）=826.88 元；

预应力混凝土管桩桩基为1×1300/（1.4×1.4）=663.26元。

CFG 桩复合地基与400mm 桩径的预应力混凝土管桩桩基的造价比为1：0.802。

从经济指标上分析，10m 桩长的400mm 桩径的预应力混凝土管桩较19 米桩长的CFG 桩造价节约19.8%左右，该项目总节约造价为180 万元左右。

3.3 技术先进性分析

CFG 桩和预应力混凝土管桩均是近年来在人工挖孔桩、钻孔灌注桩、沉管灌注桩、方桩、钢管桩等众多桩种中脱颖而出的桩型，与其他桩型相比，具有单位承载力造价低、对地质条件适应性强、施工技术成熟等优势。

3.4 地区经验分析

CFG 桩和预应力混凝土管桩都可以作为本工程地基处理方案，在郑州市及周边地区均有大量的成功范例。

3.5 施工难易度、确保成桩质量、保护环境、施工工期分析

CFG 桩和预应力混凝土管桩两种桩型在施工难易度、确保成桩质量、保护环境、施工工期等方面各具优缺点。

CFG 桩的优点是施工技术成熟，单位长度桩长价位也较低。 CFG 桩的不足之处是CFG 桩是排土桩，在桩入土范围内存在第5 层细砂层，成孔时容易缩径，出现重复排土现象，成桩时如果提升过快、施工过程控制不好，容易造成缩径、夹芯、断桩，引起地面沉陷等，对周围建筑物、道路、管线等造成不利影响。另外CFG 桩在施工完成28 天后才能进行承载力检测。且根据河南省《豫建标（2008）第57 号文》规定，对于工程勘察等级和基础设计等级均为甲级的建筑，采用CFG 复合地基方案时需要进行CFG 复合地基专项审查，不利于缩短施工总工期。

预应力混凝土管桩施工技术也非常成熟，但是单位长度桩长价位较CFG 桩高，然而单位承载力造价低，且属于预制桩，成桩质量可靠，而且施工机械化程度较高、施工速度快，不用现场搅拌混凝土，堆放砂、石、水泥等原料，不会发生堆土和泥浆满地流淌等混乱现象，不污染环境。另外在施工10 天后即可进行承载力检测，大大缩短施工工期。预应力混凝土管桩的不足之处是对本工程砂层要求较高，群桩施工时，后施工的桩易出现有效桩长不能保障，桩顶高出设计标高的现象，造成浪费，且压桩力过大或施工不当会出现爆桩现象。另外由于静压桩机的吨位较重，若现场开挖后施工，遇有地下水时，可能会出现陷机的现象。