CFG桩复合地基承载性状的研究

韩永强，朱雪珂

(西安工业大学 建筑工程学院， 陕西 西安 710021)

随着国家经济建设的大力快速发展，高层、超高层建筑在人们的生活中越来越普遍。由于高层建筑基础荷载重、面积大、埋置深，天然地基难以满足建筑物对地基承载力(变形)的要求，因此在高层、超高层的建筑工程中，CFG桩复合地基被广泛应用，还被列入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)CFG桩由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘结强度桩，又称为水泥粉煤灰碎石桩(Cement Fly-Ash Gravel，Pile)。常用于和桩间土、褥垫层形成新型复合地基，共同承担建筑物荷载，如图1所示。20世纪80年代末，中国建筑科学研究院研发了这种地基处理的新技术，不但可以大幅度提高地基承载力、有效减少地基施工后沉降等特点，并且具有良好地消除地基的不均匀变形的适应性[1-3]。

CFG桩、桩间土以及褥垫层共同组成刚性复合地基。由于CFG桩桩体自身刚度大，可以使荷载从桩顶向桩底部传递过程中有很大的可调性，所以与一般柔性桩复合地基相比，地基承载力大幅度提高。此外，CFG桩复合地基在充分发挥桩承载力的同时，桩可以沿着整个桩长发挥侧摩阻力和端摩阻力，使得桩间土一起参与受荷工作，能够大幅增加承载力并减少沉降。CFG桩复合地基广泛应用于处理各种地基加固中[4-5]，包括黏性土、粉土、砂土和自重固结已完成的素填土等地基的处理。

1 工程概况

某高层住宅楼采用剪力墙结构、筏板基础。地基处理采用C20的CFG桩提高地基承载力，CFG桩桩径500 mm，桩长24 m，桩间距1.6 m，按正三角形梅花形满堂布置，总桩数660根，复合地基承载力特征值不小于450 kPa。场地工程地质条件如表1所示。

图1 CFG桩复合地基示意图

现场CFG单桩及单桩复合地基静载试验结果表明，最大加载压力已达到设计要求压力值的2倍(即900 kPa)，可满足住宅楼复合地基承载力的设计要求。

1.1 CFG桩复合地基承载力计算

CFG桩复合地基承载力计算结果见表2。

(1) 复合地基承载力验算[6-8]。由JCCAD计算得出：基底压力标准值Pk=450 kPa；计算车库等效覆土深度d=1.25 m，深度修正的基础埋深d=3.75 m，有效重度取值15 kN/m3。

最终得到复合地基承载力为490 kPa≤fspk。

(2) 桩身强度验算：当复合地基承载力进行基础埋深的深度修正时，增强体桩身强度应满足：

(1)

(2)

桩身强度取C25，满足要求。

1.2 CFG桩复合地基沉降计算

选取桩径为500 mm，桩长为24 m的CFG桩进行沉降计算。计算场地平面长度27 m，宽度14 m，计算荷载为满堂450 kPa，计算简图见图2所示，基底应力计算结果如表3所示。

表2 承载力计算表

图2 沉降计算简图

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002)，复合地基最终沉降量S，按下式计算：

(3)

沉降计算点(x=0.000 m，y=0.000 m)各层土的压缩情况如表4所示。

表4 沉降计算点各层土的压缩表

对计算简图中1#、2#、3#、4#、5#进行沉降计算，计算结果如表5所示。

由计算结果可知，工程中所选取的参数(桩径、桩间距等)，其复合地基的最大沉降量满足设计沉降要求[9]。

表5 复合地基沉降计算表

2 数值模拟分析

复合地基的桩土应力比和沉降之间联系密切，对CFG桩复合地基的承载力性能有较大的影响[10-11]。数值分析采用MIDAS/GTS NX有限元计算软件，建立有限元分析模型，分析桩土应力比和沉降之间的关系。模型建立如图3所示。

图3 CFG桩分析模型

模型选取半径为2.4 m的圆柱体为土体范围，结构尺寸、材料属性的选取参照设计图纸与地质勘探资料。通过利用MIDAS有限元法，能够计算得出CFG桩复合地基的不同褥垫层厚度、不同置换率对复合地基的影响。有限元计算简图如图4所示。

图4 CFG桩复合地基有限元计算简图

3 数值模拟结果分析

3.1 不同褥垫层厚度对复合地基承载力的影响

桩顶和基础之间应设置褥垫层[12-14]，通常褥垫层厚度宜为桩径的40%～60%[15]。褥垫一般选用最大粒径不大于30 mm的中砂、粗砂、级配砂石和碎石等材料，采用静力压实法，夯填度不应大于0.90。当其他条件一定时，从图5可以看出桩土应力比随褥垫层厚度的增大而减小。当褥垫层厚度大于300 mm时，桩土应力比趋于稳定，充分发挥了桩间土的承载力。由于桩间土表面的荷载作用，会产生水平向和竖向附加应力在桩侧土单元体，水平向附加应力增大了侧阻力作用在桩表面上；竖向附加应力则大大提高了单桩承载力，褥垫层的作用得到充分地发挥。

调整合理褥垫层的厚度不但可以减小地基沉降，还可以消除地基不均匀沉降。从图6可以看出，当褥垫层厚度大于300 mm时地基沉降反而增大，这是由于桩间土分担的荷载过多。因此合理的褥垫层厚度可以调节复合地基中的桩、桩间土的荷载分担，确保桩与土能够共同承担荷载。本工程的褥垫层合理厚度为300 mm左右。

图5 褥垫层厚度对桩土应力比的影响

图6褥垫层厚度对地基沉降的影响

3.2 不同置换率对复合地基承载力的影响

由图7和图8可以说明，随置换率[16](桩的端面积与土体面积之比)的增大，桩土应力比减少，达到0.08时趋于稳定；由于复合地基中桩的面积占比增大，所以复合地基的桩体会承担更多的荷载，不但达到提高整个复合地基的承载力的设计目的，而且基础沉降也会产生明显的减小。因此，在实际工程中可以通过采取增大置换率的方法来提高复合地基承载力和降低地基沉降量。

图7 置换率对桩土应力比的影响

图8置换率对地基沉降的影响

4 结 论

本文以理论计算和数值模拟相结合的方法，得出CFG桩复合地基的公式计算沉降量和有限元分析结果相符。首先对CFG桩复合地基的承载性状进行了理论研究，再利用MIDAS有限元软件，分析了褥垫层厚度、置换率对桩复合地基的承载特性的影响。主要结论如下：

(1) 桩土应力比与地基变形沉降量随着褥垫层厚度的增大而逐渐减小。当褥垫层厚度超过某一限值时，桩的优点得不到发挥，沉降量反而会增加；太薄时，复合地基应力过于集中在桩体，土很难发挥作用。在实际工程设计过程中，褥垫层能够确保桩土共同工作，为更好地协调桩、桩间土间的荷载分担，褥垫层厚度的取值尤为重要，一般为桩径40%～60%。

(2) 随着置换率的增大，桩土应力比和沉降量逐渐减小，桩土应力比趋于稳定。

(3) 通过桩复合地基的工程设计实例，并与MIDAS有限元结果进行了比较，验证了CFG桩复合地基的承载力和沉降的可靠性。