CFG桩复合地基在高层建筑地基处理中的应用

刘君，侯学周

（中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710054）

0 引言

近些年，随着基础设施建设和城市化进程的快速发展（尹丽军等，2021）。城市中出现了较多大型、高层地标性建筑。许多高层建筑受城市用地的限制不得不建造在承载力低、土质较差的软弱土层中，因此城市高层建筑的地基往往需要进行处理（马震等，2019；林良俊等，2020；阎浩等，2020）。CFG桩复合地基技术开始受到重视。CFG桩复合地基技术是由中国建筑科学研究院地基研究所20世纪80年代末研制成的新型天然地基加固手段（莫学芬等，2020）。其于1994年被列为建设部的全国重点发展项目，1997年被列为国家级工法，并制定了中国建筑科学研究院企业标准。为使CFG桩的施工技术得以改善，1997年由国家投资立项研制开发了长螺旋钻机施工工艺（辛军霞等，2016；林智勇，2021），并被列入“九五”全国重点攻关项目。CFG桩复合地基技术凭借适用范围广、造价低及可大幅度提高地基承载力等优点在众多的地理处理方法中被广泛应用（罗友弟，2019；牟洋洋等，2019）。本文结合某高层建筑工程实例，利用CFG复合地基处理该高层建筑的地基，有助于解决高层地基的加固功能，CFG 桩可以有效提高高层建筑地基的承载能力，减小了地基沉降（付士峰和戎贤，2019），并且对土体有一定挤密作用，在消除湿陷性上起到良好的效果，本文的研究方法可类似项目提供借鉴意义。

1 工程概况

某四星级酒店主楼高度为106 m，共计26层，其中地下2层、地上24层，主体建筑为剪力墙结构，基础为筏板基础。建筑底面尺寸为45 m×20 m，基础埋深为140 m，基底压力为480 kPa。根据地质勘探报告可知，其地层分布及物理力学参数如表1所示。

表1 地层分布及物理力学参数

其中结构持力层7层和8层的承载力分别为210 kPa、160 kPa。对其地基持力层进行强度验算可知，其基底压力大于承载力修正值（JGJ 106-2014，中华人民共和国住房和城乡建设部，2014），天然地基无法满足建筑稳定性要求，需对其进行处理。根据现场设计方案和现场施工组织设计，充分考虑环保、造价和工期等条件，拟采用CFG桩复合地基的处理方案。

CFG桩是一种新型桩体，与桩基础相比，由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力（罗云海，2019；刘伍，2019），工程造价一般为桩基的1/3～1/2。CFG桩复合地基施工工艺简单，可全桩长发挥侧阻力，桩越长承载力提高幅度越大，并具有良好的端阻效应。施工周期短，按两台设备计算，一般两周即可完成，检测一周完成。其经济效益和社会效益非常显著。

2 CFG桩复合地基设计

CFG桩是一种高粘结强度的刚性桩，桩身强度等级一般为C15～C30。通过砂石褥垫层、桩等的作用，复合地基随之形成，以置换作用作为加固机理（韩永强和朱雪珂，2018；胡瑾等，2019）。进行复合地基方案设计时，需确定其预估地基沉降、桩身强度、群桩和验算承载力等计算（张树明等，2019）。

设定CFG桩采用满堂铺设的方式，其桩间距为1.35 m，入土深度为28.0 m，直径d为40 cm。桩端端阻力发挥系数αp、桩间土承载力发挥系数β和单桩承载力发挥系数λ分别为1.0、0.9和0.85。CFG桩进入第12层粉质粘土的深度大于0.50 m。根据文献（邓日海和肖玉明，2016），单桩竖向承载力特征值Ra可由公式（1）求得

公式（1）中：Ap和up分别是桩的横截面积和周长，单位分别是平方米（m2）和米（m）。以20号桩为例，其有效桩长为19.8 m。qsi是各土层的桩侧阻力的特征值，单位为kPa，lsi是各土层的平均厚度，单位为米（m），αp是桩端阻力发挥系数，单位无量纲。Qp是桩端阻力特征值，单位为kPa。

根据文献（葛忻声和甄正，2017），面积置换率m可由式（2）求得，

公式（2）中，d和de分别为桩径和单根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，d和de的单位为米（m）。本工程CFG桩的布桩方式为正方形，其桩中心距为s=1.35 m，可知其de=1.13s。

复合地基承载力特征值fspk可由式（3）求得

公式（3）中：fsk是地基承载力特征值，单位是kPa。m为面积置换率，单位无量纲。Ap是桩的横截面积，单位为平方米。β、λ为桩间土承载力发挥系数、单桩承载力发挥系数，单位无量纲。在对复合地基承载力进行基础埋深的深度修正时，桩身强度fcu应满足式（4）：

Ap是桩的横截面积，单位为平方米。λ为单桩承载力发挥系数，单位无量纲。Ra为单桩竖向承载力特征值，单位是kN。其中对应的为C30设计时桩身强度fcu按C30考虑，桩身混凝土强度可以满足规范要求。

3 CFG桩复合地基施工工艺

与其他类型的桩基相比，CFG桩的特点为利用工业废料粉煤灰代替了部分混凝土以提高混合料的技术性能（殷志强等，2018）。由于CFG桩水泥和混合料协调配合，因此粉煤灰可作为混凝土中的抑胀剂、密实剂、增塑剂、释水剂和减水剂等复合功能的基本材料（曾华健和潘忱，2020）。在进行CFG桩配合比设计时，可根据不同的工程类型选择不同等级的粉煤灰（张艳美等，2015；余旭和邹燕，2015；马永峰等，2016），表2为一般工程中常用到的3种等级的粉煤灰技术指标。

表2 不同等级的粉煤灰技术指标表/%

根据本工程特点选择I型、Ⅱ型粉煤灰。本项目CFG桩配合比材料具体如下：CFG桩混凝土塌落度为165～200 mm，水泥选用P·O 42.5普通硅盐水泥，细集料选用4.9～27.0 mm连续级配碎石，粉煤灰为某火电厂提供的Ⅱ级粉煤灰，水为饮用水。

CFG桩施工工艺流程如图1所示。

图1 CFG桩施工工艺

4 CFG桩复合地基施工检测

为了对施工质量进行检测，本工程对施工完成的CFG桩身质量进行了检测。静载试验方案图如图2所示，该静力载荷测试仪由堆载、次梁、主梁、支墩、钢板、位移传感器和千斤顶等装置组成。

图2 载荷试验布置图

其中沉降量和荷载分别由位移传感器和负荷传感器进行测量。在进行桩身检测时，需要将CFG桩桩头的浮浆凿除，并对桩头进行平整。选择桩中心处为激振点，位移传感器布置的位置为桩头上距桩中心1/3直径处，检测过程严格按照《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106-2014，中华人民共和国住房和城乡建设部，2014）。图3和图4分别为低应变法现场检测示意图和桩身完整性检测结果。

图3 低应变法现场检测示意图

图4 桩身完整性检测结果

本工程CFG桩共计540根，其中进行利用低应变法检测的CFG桩位110根，Ⅰ类桩和Ⅱ类桩的数量分别为25根和85根。以编号340号桩为例，通过对随机 CFG桩试验得出的结果，整理得出的桩的Q-s载荷曲线如图5(a)所示。其加载10级，最大加载量为1500 kN，卸载4级，累计时间为1700 min，最大沉降量为9.89 mm，最大回弹量为2.59 mm，其具体试验结果如图5所示。

图5 340号桩单桩检测曲线

综合分析本次加载试验结果可知，CFG桩复合加固地基效果较好，其沉降-压力曲线较为光滑平顺，场地复合地基承载力特征值为490 kPa，大于设计值，满足规范和设计要求。

5 结语

该四星级酒店主楼主体建筑为剪力墙结构，采用CFG桩复合地基进行了地基加固处理。本文详细介绍了CFG桩复合地基的设计方法、设计步骤和施工检测。目前该工程已施工完成，根据现场施工结果可知，CFG桩复合地基存在如下特点：CFG桩复合地基在保证施工质量的前提下，可令地基土体的强度潜能得到显著发挥，承载力随之得到明显提升；本项目地基处理面积较大，CFG桩共计540根，利用CFG桩无需钢筋笼骨架，而且粉煤灰可取代混凝土中一部分的抑胀剂、密实剂、增塑剂、释水剂和减水剂等复合功能的基本材料，可大幅度降低工程造价。