CFG桩复合地基设计对比设计方法探讨

杨庭森

明达海洋工程有限公司

CFG 桩复合地基因其技术成熟，造价较经济，质量易保证，因此在建筑地基处理中应用很广。做于一种常用的地基处理方法，经常会遇到国家标准、行业标准以及地方标准等要求不尽相同，如何把控这些规范，使方案能顺序通过相关审查，且尽量做到经验合理，做为一个岩土技术人员，就需要将自己的技术水平和经验做到有机结合，体现出自己的技术能力。

有时，我们会听到说：你们给出一个最好的设计。其实这一点很难做到，因为岩土这个专业的特殊性，在设计时不但要考虑到结构的要求，还有岩土的特点，以及地方的一些要求等，很多参数取值不是固定的，是与设计人员的思路、地方经验、地方及行业规程等的规定密切相关的。我们在进行设计时，要充分理解委托方以及结构设计的要求，在保证一定的安全性的前提下，做到经济合理、安全可靠、施工方便等，这也是在考量技术人员的技术水平。

在进行CFG桩复合地基设计时考虑的主要因素主要有：（1）桩径的确定；（2）桩端持力层的选择和桩长的确定；（3）单桩承载力的取值；（4）计算桩面积置换率时各相关系数的取值等；（5）桩的布置方式等；（6）复合地基变形等，每一项内容均对安全性、经济性、合理性、施工等都有较大的影响。下面我们以河北省石家庄市某工程为例，来谈一下CFG桩设计时思路、要求和建议。

2 工程概况

2.1 建筑物概况

本工程位于河北省石家庄市某住宅小区，包括多栋高层住宅楼，为了叙述方便，我们以6号楼为例进行论述。该住宅楼地上19层，地下2层，长74.95m，宽16.75 m，采用剪力墙结构，筏形基础，基础埋深-7.80m。基底土质为（3）层粉土，建议采用CFG桩复合地基处理，处理后的复合地基承载力特征值不小于400kPa。桩端持力层可采用（5）层中砂或（7）中粗砂，变形满足规范要求。建筑物周边均为地下车库，基底标高为-7.60m。

2.2 工程地质条件

根据本工程岩土工程勘察报告，本场地工程地质条件如下：

2.2.1 主要地层情况

（1）层耕土：褐黄色，以粉土为主，稍湿～湿，稍密。层厚：0.50m，层底深度：0.50m。

（2）层粉土：褐黄色～黄褐色，稍湿～湿，稍密状态。土质不均匀，局部夹粉质粘土薄层，含云母，底部含砂质成分较高。层厚：4.80m～6.00m，层底深度：5.20m～6.50m。

（3）粉土：黄褐色～褐黄色，稍湿，稍密状态。土质不均匀，局部夹粉质粘土薄层，局部夹粉砂透镜体。层厚：5.40m～7.40m，层底深度：11.20m～13.00m。

（4）层细砂：浅黄色～灰白色，稍湿，稍密～中密状态，以稍密为主。矿物成分以长石石英为主，砂质较纯净。层厚：3.50m～4.70m；层底深度：14.20m～16.20m。

（5）层中粗砂：灰黄色～灰白色，稍湿，以中密为主，矿物成分以长石、石英为主，含云母。局部见薄层钙质胶结层，揭露厚度最大者22cm。砂质纯净，分选性一般。层厚：3.80m～6.30m，层底深度：19.80m～22.20m。

（6）层粉土：褐黄色，稍湿，稍密，土质不均匀，含粉质粘土团块较多，可见少量姜石。层厚：0.50m～2.80m，层底深度：21.00m～23.60m。

（7）层中粗砂：浅黄色～灰白色，稍湿，中密～密实，砂质纯净。最大揭露深度12.80m。

2.2.2 各层地基土强度参数

表1 地基土力学性质采用值表

2.2.3 地表水及地下水情况

本区无地表水，地下水埋深超过40m。

3 CFG桩复合地基设计地区规定及设计总体思路

3.1 工程所在地区的一些规定

在进行设计之前，我们应该先了解工程所在地区对CFG 桩设计的一般要求。根据我们调查，在本地区进行CFG 桩设计要求同时满足以下几个规范：

JBJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》（以下简称地基处理规范）。

DB13（J）T 123—2011《长螺旋钻孔泵压混凝土桩复合地基技术规程》（以下简称长螺旋规程）。

GB 50202—2018《建筑地基基础工程施工质量验收标准》（以下简称验收标准）。

DB13（J）T 148—2012《建筑地基基础检测技术规程》（以下简称检测规程）等。

在这些规范、规程或者标准中，对CFG桩设计有关的要求中有的条款是相同的，有的则差别较大，而在施工图审查时，一般要求我们同时满足以上各个规范的要求，但是，有些条款施工图审查机构不做硬性要求比如在一些条件下的桩质量检测数量上，而当地的质检监督部门却有不同的要求。

鉴于以上四个主要规范、规程或标准，我们对在设计阶段主要要求进行了统计，如下：（1）地基处理规范:桩端土折减系数:1.0；桩间土承载力发挥系数:0.9～1.0；单桩承载力发挥系数：0.8～0.9.（2）长螺旋规程：桩间土承载力发挥系数:0.75～0.9；单桩承载力发挥系数：0.7～1.0；复合地基承载力：当复合地基设计等级为甲级时按0.9的系数折减。（3）当地图审机构要求：桩间土承载力发挥系数:≤0.9；单桩承载力发挥系数：≤0.9;复合地基承载力：当复合地基设计等级为甲级时按0.9的系数折减。

不同规范、规程和标准对CFG 桩复合地基检测要求如下：（1）地基验收标准:单桩承载力数量:检测数量不小于总桩数的0.5%，，且不少于3根;复合地基承载力数量:检测数量不小于总桩数的0.5%，且不少于3点;桩体完整性检测数量:检测数量不小于总桩数的20%.（2）地基处理规范:单桩承载力数量:单桩和复合地基检测数量不小于总桩数的1.0%，且每个单体复合地基承载力检测数量不小于3点；桩体完整性检测数量：检测数量不小于总桩数的10%.（3）地基检测规程：单桩和单桩复合地基检测数量各不小于桩总数的0.5%～1.0%，且各不少于3点。当地基基础设计等级为甲级或复合地基承载力特征值超过500kPa时，检测数量均不少于1%，且均不得少于3 点;桩体完整性检测数量：检测数量不小于总桩数的20%，对于设计等级为甲级的不少于桩总数的30%。（4）长螺旋规程：单桩和单桩复合地基检测数量各不小于桩总数的0.5%～1.0%，且各不少于3点。当地基基础设计等级为甲级时，检测数量均不少于1%，且均不得少于3点；桩体完整性检测数量：检测数量不小于总桩数的10%，对于设计等级为甲级的不少于桩总数的30%。（5）当地质监部门：视不同监管单位要求而不同，一般按长螺旋规程，个别按地基检测规程。

根据调查，本项目CFG桩设计要求按施工图审查要求即可，质监部门无特殊要求。因此，我们以此为依据进行了CFG 桩复合地基的设计。

3.2 建设单位的设计要求

建设单位要求通，在对CFG桩复合地基设计时，在满足设计要求的承载力值，并有一定的安全度的前提下，尽量工作量减小，以减小工程造价。并且委托了多家专业单位进行了该小区的CFG 桩复合地基设计，各单位提供图纸后委托部分专家对方案进行咨询，并选出优选图纸和单位施工。我们也据此做了技术沟通和交流，并组织了专业技术人员开展了该小区的CFG 桩复合地基设计工作。

3.3 CFG桩复合地基设计总体思路

根据以上要求确定设计的原则，既要避免在施工图审查和质量验收中出现问题，又要尽可能做到技术上可行，经济上合理，施工方便。因此，需要我们在设计时，做多个对比设计，并对桩平面布置、变形验算等方面做出合理安排，以此从中选择符合要求的优秀设计方案。

4 CFG桩复合地基的设计

岩土工程既然一个依据理论和公式计算的，也是一个依靠丰富的实践经验来实施的工程。特别对于我们岩土工程技术人员，在处于技术竞争环境下，更需要用自己的知识、技能和经验来在市场上争得一席之地。做CFG 桩复合地基设计时，其实每一个步骤都是一个多选题，而最终结果，就是由这些多选中的集合的结果，每一步的选择都对设计结果有或大或小的影响。我们这里就按上述工程做个简要的设计计算。

4.1 CFG桩径取值

一般情况下我们要根据地方的通常设备确定我们设计的桩径，即适应当地设备的要求。比如通常采用的桩径为400mm 和600mm，较少使用500mm 的。因此，我们在选择时，桩径尽量采用400mm或600mm。另外，在确定采用的桩径时，还要满足当地要求的长径比不大于50的要求。因此，此时，要求我们事先对持力层的选择进行预确定并初步估算最大桩长，以确定长径比满足要求。此时，再确定桩径。比如本工程，当选择(7)层中粗砂做为桩端持力层时，我们以ZK01号钻孔资料为例。

表2 ZK01号钻孔地层情况表

假定采用桩径400mm，按长径比要求最大桩长为50 时，有效桩长为20.0m，此时桩端进入（7）层中砂持力层深度4.94m，单桩承载力特征值为909kN，根据经验，完全可以满足设计时的要求，因此，可以确定本工程桩径取400mm。

4.2 桩端持力层的确定

对于桩长，我们有二个选择，一个是（5）层中砂和（7）层中粗砂。当变形均能满足规范要求时，对于本工程桩长大使单桩承载力值变大，使总桩数减少，相对的会使总工程量减少，使总造价相对减少，同时又使桩距则相对较大，后期清理桩头方便，这是其优点。但是，有的地区如果有当Ra 大于500kN 时，要求增加检测数量的话，却有可能会使造价相对增大。因此，我们在选择持力层时，在可能的情况下可以二个持力层均进行试计算，每个持力层至少选择二个桩长并试布置桩，以分析选择那个持力层和桩长更节约，施工也最方便。为了简化对比计算，这里我们仅就二个持力层且各选择二个桩长进行对比计算。

4.3 有效桩长的确定及单桩承载力特征值的计算

当初步确定持力层后，可以初步确定有效桩长，当桩端以下有软弱下卧层时，桩端距下卧层顶面距离不得小于3d（d 为桩径）。

单桩承载力特征值采用以下公式计算：

式中：

α——桩端土发挥系数;

qp——桩端阻力特征值（kPa）;Ap——桩体截面面积（m2）;

Up——桩身周长（m）;

qsi——桩侧i层土侧摩阻力特征值（kPa）;

Li——按土层划分的各段桩长（m）。

暂时按（5）层中砂和（7）层中粗砂做为桩端持力层的二个对比方案进行计算。

第1 方案：取（5）层中砂为桩端持力层时，有效桩长取12.0m，计算结果Ra=512kN。

第2 方案：取（7）层中粗砂为桩端持力层时，有效桩长取16.0m，计算结果Ra=687kN。4.4 CFG桩面积置换率和桩距、工作量

根据计算的结果，按下列公式估算：

式中：

α——单桩承载力发挥系数，本工程取0.9;

β——桩间土强度发挥系数，本工程取0.9。

fk-——天然地基承载力特征值，本工程取140kPa。

根据初步计算，采用二个桩长分别计算的CFG 桩面积置换率见表3。

表3 单桩承载力值、面积置换率、桩间距及工作量表

4.5 二种方案经济对比

表4 二种设计方案经济对比表

通过以上方案对比可以得出，当选择一个桩端阻力相对较高的持力层时且桩长较大时，若不考虑检测费用的影响，总工作量是相对减少的，本工程第二方案较第一方案工作量减少了约3%，总造价减少了约3.8%，且由于桩距较大，桩数较少，更有利于后期的施工。特别对于在对二个以上桩端持力层选择时，当一个持力层的桩端阻力明显较大时，结果会更影响。这里也可以看出，我们在进行设计时，不仅仅是直接确定持力层和桩长就直接计算布置桩了，而一个互动式取值计算，通过多个对比，选取一个相对更合理的设计方案。

4.6 其他影响CFG桩工作量及设计质量的因素

以上对比计算是基于复合地基变形全部满足规范及设计要求之上而做出的。在实际设计计算时，还有一些其他影响工作的影响及考虑的因素。简单总结如下。

（1）不同桩间距的影响：我们在布置桩时，在满足桩的面积置换率的情况下，桩的布置方式有很多种，在不同桩距布置的情况下，布置桩的数量也有一定的区别，还有还比较大，特别是对于独立基础、平面形状较复杂的基础等更明显。这时，也需要我们技术人员多选择几种布置方式进行试布置，必要时，可调整单桩承载力值、面积置换率值，达到最佳效果。

（2）不同布桩方式的影响：通常的桩布置方式有正方形、矩形、三角形等。对于不同的基础形式以及置换率等影响，有不同的布置方式，且不同的地区有不同的要求。可以根据基础形式选择合适的桩布置方式，满足面积置换率、桩与基础边的相对距离关系等的情况下，以期做到合理、适用等。

（3）边桩与基础连线的关系：由于结构设计对外墙外扩基础宽度的不同，会造成在CFG 桩平面布置时距离基础边线的距离受影响，一般会存在以下几种情况：①外墙轴线距基础边线距离不小于一倍桩径：这种情况可以直接按规程对边布置桩的要求布置。②外墙轴线距基础边线距离小于一倍桩径：这种情况下，当桩按相关规程要求的最小距离控制时，地基、基础及结构的受力将会受到一定的影响，是不尽合理的，在遇到这种情况下，一般要先和审查机构沟通，取得一致意见后进行。通常这种情况，边桩不受规程最小边距的控制，宜直接布置在墙下为宜。

（4）集水坑及电梯井等变标高处的处理：一般情况下要求这些变标高区在施工作业面与主体情况相同时，施工桩长要增加以保证有效桩长不变，这种情况下要对加长桩后桩端持力层是否发生变化，应该对各加深区的单桩承载力值进行复核性计算。

（5）变形计算深度：一般情况下我们依据规范要求进行确定变形计算深度，但是有时，根据理论计算与实际相关较大，比如在河北省的邢台东南部、衡水地区、沧州地区以及廊坊的部分地区等，由于地下水位较浅，地层条件较复杂，建筑物实际变形沉降较理论计算值要大，因此，在这类地区变形计算深度不能仅仅按规范要求来确定，需要结合当地经验。这种情况处理方法主要有：①以承载力来计算，根据经验调整有效桩长：在正常设计前提，桩端持力层不变的情况下，直接按当地经验增加桩有效长度，该项长度仅用来控制变形，不直接用于单桩承载力的计算和控制。至于增加长度，一般情况下，根据当地经验确定，根据几个地区的以往经验，一般均控制在1.5m～2.0m左右即可。②以变形来控制，反过来确定桩的参数：这种情况计算起来比较复杂，也不方便，但也有部分技术人员用此方法。这种方法的结果就是，在满足变形的条件下，单桩承载力特征值和复合地基承载力特征值的计算结果，均比设计要求大很多。

其实，以上二种方法从理论上归根结底是一样的，只不过第一种方法更偏重于经验性，设计时不计算加长部分的桩的侧阻力，在检测时也不进行验证检测。第二种，则计算了全桩长的侧阻力值，也将其反应在了复合地基承载力值的结果上。其目的都是为了控制变形，这种方法侧重于理论计算。根据多年以来以及多个项目的对比计算，建筑物变形结果是相近的。在有一定经验积累后，可以大致弄清在加长多少桩长的情况下在这个地区就可满足理论计算，就可以直接使用经验值，在实际设计时就更直观快捷。

（5）桩端距相对软弱下卧层厚度的控制：根据相关规程要求，桩端距相对软弱下卧层顶面的距离不得小于3倍桩径，这是指与本建筑物有关联的所有钻孔值，由于在勘察时也会存在一定的误差，在设计时，该值尽量多保留一定厚度值，避免地层的不均匀变化影响实际单桩承载力值。而在我们设计采用单桩承载力值预留的一定量的安全储备，也存在这方面的考虑。

（7）关于桩体材料强度检测问题：由于现在的CFG桩桩体材料已经非原本义上的水泥碎石粉煤灰组成，人们为了施工方便并且质量宜保证，大多采用了混凝土材料，或者添加了外加剂的混凝土。根据几个规范规程规定，桩体材料强度在评价时，是以其试块试验结果的平均抗压强度值为评价的，而非按结构混凝土标准来评价的，这二者的评价标准差别很大，不要弄混了。若采用结构混凝土强度评价标准，容易将合格的材料判断为不合格，增加了施工单位的风险。

（8）对单桩承载力值及复合地基承载力值检测值的要求：一般情况下在设计时对单桩承载力值及复合地基承载力值检测值一般是提出不小于设计值，原则上这个要求是没有问题的，但检测单位在实际操作时，可能出现不同的理解。现在大多检测单位在试验时，最大值就直接按设计值的2倍进行检测，这样，容易出现在个别数量未达到设计值时，评价就会造成平均值永远达不到设计值的问题，因此，对于这种情况，应该事先进行技术交底，实际检测时的最大值应该超过设计值一定值，以保证出现个别点检测值小于设计时可以按规程要求进行合理评定。

5 结束语

从以上工程实例有关问题的分析可以看出，我们对不同参数及安全系数的取值，都会对最终设计结果产生或大或小的影响，这种差别，不仅体现在安全性上，在市场竞争时，就能出现明显的优势。因此，在进行CFG桩复合地基设计时，要根据任务的要求，结合公司本身的技术管理水平、当地经验等，综合确定设计中的参数，并进行多个方案的对比分析，以期得到最优的设计方案，这样，才会使设计方案尽量做到经济合理、安全可靠、施工方便并且具有的竞争力等。