CFG桩在某工程地基基础设计选型中的应用

杨鹏鹏

(山西建筑工程集团有限公司，山西 太原 030002)

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩复合地基的简称，由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，桩、桩间土和褥垫层（宜采用中砂、粗砂、级配砂石和碎石等，厚度宜为桩径的0.4～0.6倍）一起构成复合地基，桩土应力比约为20～50%，桩间土承载力得到充分发挥，共同承担基底压力。按桩身材料，CFG桩可视作半刚性桩，实际上类似于低强度的素混凝土桩。常规情况下，CFG桩可仅布置在基底范围内，因为基础荷载主要通过桩向下传递，而基础外土层中的应力不高。其不受场地的地下水位影响，适用于处理的地基土类型有粘性土、粉土、砂土和自重固结已完成的素填土地基，对于淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性（文献1认为，CFG桩可处理桩端有硬土层且承载力特征值不低于70kPa的淤泥质土）。

经CFG桩处理的复合地基，具有地基承载力提高幅度大、地基变形小、施工速度快、工程造价低等优点，在工业及民用建筑中都有广泛应用。就适用的基础形式而言，不仅适用于独立基础、条形基础，也可适用于筏形基础（平板式、梁板式）、箱形基础等。不仅可以处理承载力较低的地基，也可以处理虽然承载力较高但沉降变形较大（天然地基变形不满足规范要求） 的地基。

1 工程概况

1.1 地质情况

依据地勘报告，本工程地基土层分布如下：第1层杂填土：杂色，稍湿，稍密，粉质粘土回填为主，含砖块、碎石块等；第2层粉质粘土：黄褐色，可塑，中等压缩性，位于第1层土之下，主要分布在场地西侧；第2层淤泥质粉质粘土：灰褐色～灰黑色，流塑状，高压缩性，局部含砂量较多，亦位于第1层土之下，主要分布在场地东侧；第3层圆砾：杂色，稍密，卵石成分主要以石英砂岩与灰岩为主，局部夹薄层粉质粘土，充填物为粉质粘土与中砂，位于第2、2层土之下；再往下第4～7层均为粉质粘土：黄褐色～红褐色，可塑～硬塑，中等压缩性，各土层分布比较均匀，其中第7层土未揭穿。勘察期间地下水位稳定在自然地面下3.70～4.20m之间，属第四纪孔隙潜水，补给主要为大气降水，排泄主要为蒸发与地下径流，每年的7月中旬至10月上旬为丰水期，12月至来年2月为枯水期，抗浮设计水位为自然地面下1.5m。

场地内未发现影响工程稳定的危岩、崩塌、采空区和活动断裂等不良地质作用；本工程局部处位于古河道内，该区域普遍为第2层淤泥质粉质粘土，其力学性质与河道外土层有明显差异，应对其进行针对性处理后，方可认为拟建场地位于地质构造相对稳定地段。建筑场地类别为Ⅱ类（土的类型为中软土），场地土无湿陷性，可不考虑地震液化的影响。因位于古河道上，故将建筑场地划分为对建筑抗震不利地段，本工程典型的岩土剖面详见图1。

图1 典型的岩土剖面

1.2 结构形式

本工程为某中学的学生宿舍楼，无地下室，平面轮廓、层数及房屋高度详见图2。因建筑平面呈“U”字型，平面不规则，层数及房屋高度也不同，故通过在适当部位设置变形缝的方式，将建筑平面划分为规则的结构单元。具体来说，设置变形缝（缝宽100mm，满足建筑抗震缝的宽度要求）将建筑平面分成三部分（两栋宿舍楼+一栋浴室），两栋宿舍楼（结构布置相同）采用抗震性能良好的钢筋混凝土剪力墙结构，浴室采用钢筋混凝土框架结构。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组。依据现行建筑工程抗震设防分类标准，本工程的抗震设防类别为重点设防类（乙类），应按抗震设防烈度提高一度的要求采取抗震措施。

图2 工程概况(室内外高差0.25m)

根据本工程抗震不利地段的专家论证意见，应提高上部结构的抗震能力，需按水平地震影响系数最大值乘以增大系数的较大值（本工程采用1.4，抗震规范规定：应根据不利地段的具体情况在1.1～1.6范围内采用）进行抗震计算。经计算分析可知，两栋宿舍楼和浴室不存在薄弱部位，各项指标及配筋结果均满足规范要求；浴室为框架结构，在罕遇地震作用下的薄弱层验算（楼层屈服强度系数、弹塑性层间位移角）也满足规范要求。同时，两栋宿舍楼均采用钢筋混凝土墙下条形基础，浴室采用柱下钢筋混凝土独立基础并在首层地面的结构标高处设置双向拉梁，三个结构单元的基础之间可靠拉结形成整体，确保基础的刚度较大和整体性较好，以利于下部基础和上部结构协同受力，更加有效发挥结构的抗震性能。

2 基础选型

2.1 场地分析

由于地震造成建筑物的破坏，除地震动直接引起结构破坏外，还有场地条件的原因，比如：地震引起的地表错动与地裂，地基土的不均匀沉陷、滑坡和粉、砂土液化等。因此，选择有利于抗震的建筑场地，是减轻场地引起地震灾害的第一道工序。

选择建筑场地时，应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、一般、不利和危险地段做出综合评价。对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效的措施。对危险地段，严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。

因本工程位于抗震不利地段，故发函建议校方调整建筑场地，避开对建筑抗震不利地段。但校方回复，因工程整体规划、建筑物面积大、河道影响范围广、建设工期紧等原因，无法满足避开现有建筑场地的要求。为此，校方组织当地专家（岩土、结构）、勘察、设计对本工程召开了专题评审会，与会专家对相关资料仔细分析、认真讨论，并提出论证意见。

本工程基础持力层为第层杂填土（新近回填，土层成分复杂，物理力学性质较差，为不均匀地基），天然地基承载力特征值为90kPa。依据现有建筑场地，首先排除天然地基（基础持力层为杂填土）、换填垫层（淤泥质土的最大厚度4.1m，大于换填垫层厚度宜为0.5～3.0m的规范要求）的可行性，严格执行专家论证意见，重点对桩基（灌注桩、管桩）、CFG桩复合地基进行研究。

2.2 灌注桩

一般指钢筋混凝土灌注桩，直接在所设计的桩位处开孔，然后加放钢筋笼，再向孔内浇筑混凝土而成。施工工艺的关键在于，施工时应保证桩身成型和混凝土的浇筑质量。由于具有施工简单、噪声小、承载力高、桩径大、适应各类地质条件等优点，使得灌注桩基础在土木工程领域得到了越来越广泛的应用，成为各类基础类型中应用最多的基础形式之一。

由于该中学已处于正常使用阶段，本工程为因校方需要而增加的新建工程，因此建设场地和施工条件受周边环境影响较大。结合地勘岩土剖面，整个建筑场地大面积存在厚度约2m的圆砾土层（第层土），如采用灌注桩，施工至该土层范围将因塌孔导致桩身无法成型。若想桩身成型：1）采用泥浆护壁，此工艺的施工需在建设场地的附近设置泥浆池（会对周边环境造成一定的污染），由于建设场地受限，无设置泥浆池的空余场地，不具备灌注桩成型的施工条件；2）设置钢套筒，由于沿桩身设置长度较长、且桩数较多，将会增加施工工序及难度，进而导致施工工期和工程造价的增加。

还有，桩基计算一般不考虑桩间土受力，上部结构及基础荷载全部有桩身承担。按现有地勘报告，勘探孔点深度无法满足桩基承载力计算的要求，需要地勘单位二次进场进行补充勘察，一方面将延长建设周期，另一方面也将间接增加工程造价。

2.3 管桩

通常指预应力高强混凝土管桩（PHC），由于施工速度快、周期短，发展迅猛。管桩由专业厂家生产，桩身质量容易得到保证，施工过程中不存在缩颈、夹泥等质量问题。但也存在以下不足：1）限于运输条件，桩长一般不超过12m，需分节制作，然后在沉桩过程中加以接长，接桩处多是桩身的薄弱部位；2）沉桩过程中的挤土效应常常导致接头处断桩、桩端上浮、沉降增大，对周边建筑物和市政设施造成破坏等；3）管桩一般不能穿透硬夹层，往往使得桩长过短，桩端持力层不理想，导致沉降过大；4）管桩的桩径、桩长、单桩承载力可调范围小，不能或难于按变刚度调平原则优化设计。因此，管桩的使用需要因地、因工程对象制宜。

若采用管桩，当沉桩施工至圆砾土层时，将会遇到桩压不下去而无法达到设计桩长的施工问题。虽然可采用引孔工艺施工，但整个场地范围内大多数桩位都需引孔施工，引孔数量较多，势必会增加施工难度及工程造价，也会加长施工周期。管桩作为桩基础，同样面临现有地勘报告勘探孔点深度不满足桩基承载力计算的问题。

2.4 CFG桩

设计时将基底外扩2m的基槽范围内杂填土全部挖除至原状土层，原土碾压后，采用素土（如局部遇地下水，可在降水完成后，采用级配砂石换填至方便施工素土换填的标高处）分层压实至施工桩顶标高处（压实系数不小于0.94），然后采用CFG桩进行地基处理。

专家论证意见建议，采用CFG桩复合地基时：1）应对古河道内、外按不同参数分别计算，古河道内适当增加桩长，以第层粉质粘土作为桩端持力层；2）可参考现行建筑桩基技术规范中变刚度调平设计的设计理念，古河道内、外差异化的设计CFG桩；3）按各勘察孔点分别采用计算参数，计算地基变形并控制地基变形允许值；4）在古河道内，除基础范围内按计算布置CFG桩外，基础外侧各加一排桩，以增强建筑场地的整体性和抗震性能。

考虑到场地条件的特殊性，以及本工程为重点设防类，故将地基基础设计等级确定为甲级。确定古河道内、外的有效桩长时，采用承载力与沉降变形双指标控制。CFG桩采用正三角形布置，桩径0.4m，桩间距1.2m，古河道内有效桩长9.0m（桩端持力层为第层粉质粘土，承载力特征值为160kPa），古河道外有效桩长5.5m（桩端持力层为第层粉质粘土，承载力特征值为150kPa），桩端均穿透对抗震不利的第2层淤泥质粉质粘土（承载力特征值为90kPa，大于文献1要求的70kPa）。根据现场施工的试桩结果，选用合适的施工工艺和设计参数，桩体试块28d的强度标准值应不小于20.0N/mm，地基处理后要求古河道内、外的单桩承载力特征值达到170kN，复合地基承载力特征值达到180kPa。

按照专家论证提出的要求，对本工程地基进行了沉降变形的计算与分析，以合理控制地基变形的大小和沉降差。由计算结果得出，上侧宿舍楼古河道内最大沉降量为29.48mm，古河道外最大沉降量为39.26mm，沉降差为0.0014L；下侧宿舍楼古河道内最大沉降量为35.45mm，古河道外最大沉降量为26.60mm，沉降差为0.0013L；浴室柱基的最大沉降量为10.32mm，相邻柱基最大沉降差为0.0007L；上述沉降差计算中，L为相邻柱基的中心距离（mm）。各结构单元的沉降量较小，最大沉降量不超过40mm，且沉降差均小于0.002L，满足现行建筑地基基础设计规范的沉降变形要求。为控制浴室独基与两栋宿舍楼条基的沉降差，独基拉梁与宿舍楼连接部位，应在宿舍楼相应部位预留钢筋，待宿舍楼沉降稳定后再进行施工。

此外，对本工程位于古河道内、外区域的CFG桩分别进行试桩和验收；适当增加建筑物沉降观测点（古河道内、外均有）、施工及使用期间的观测频率和周期（基础施工完成进行一次，主体结构每施工一层做一次，施工完毕后一年内每隔三个月观测一次，以后每隔六个月观测一次，直至沉降稳定），严格按照现行建筑变形测量规范的要求进行沉降观测。

3 结语

建筑地基基础设计选型，是整个结构设计过程中的一个重要组成部分，直接关系到工程造价、施工难度和工期。一般来说，建筑地基基础选型的优先顺序为天然地基、换填垫层、复合地基、桩基等，相应的工程造价也依次由低到高。由于建筑场地具有地域性和特殊性，因此应认真研究地基的岩土性质、上部结构的特点和周边环境的实际情况，进行技术经济比较后方可确定。

本文结合工程实例，考虑各种不利因素，对比分析灌注桩、管桩、CFG桩在地基基础设计选型中的应用。研究得出，本工程选用CFG桩是合适的，不仅结构安全可靠，而且经济效益明显，更是得到了校方的认可；同时表明，即使不同时期、不同地域的同一工程，选用何种地基基础形式，都不是绝对的，而安全可靠、经济合理、因地制宜才是地基基础设计选型的标准。