回填土地基上独立基础的CFG桩复合地基设计

2024-04-20高美玲郑祺恺孙少游张红涛闫佐菲

城市地质 2024年1期

高美玲郑祺恺孙少游张红涛闫佐菲

摘要：CFG桩复合地基主要用于多层及高层建筑物，以往的研究和应用主要是针对基础埋深相对较深的情况。对于回填土地基的独立基础，采用桩基础相对较多，采用CFG桩复合地基较少。文章从受力机理、变形特性和工程造价等角度对桩基础和CFG桩复合地基进行对比分析，探讨了CFG桩复合地基的优势。同时，依托具体工程实例，依据不同规范，对回填土地基上独立基础的CFG桩复合地基沉降计算进行对比分析。结论如下：对于承载力要求不高的独立基础，相比桩基础，CFG桩复合地基在满足承载力和变形控制的前提下，能够大幅度节约工程造价；位于回填土地基上的独立基础CFG桩复合地基设计以沉降控制为主，承载力计算和沉降计算均需考虑填土的不利影响，沉降计算需按照整体进行协同计算。

关键词：桩基础；回填土地基；独立基础；CFG桩复合地基

CFG pile design of independent foundation on backfill soil foundation

GAO Meiling1， ZHENG Qikai2， SUN Shaoyou1， ZHANG Hongtao1， YAN Zuofei1

（1.Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100082， China；

2.Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100120， China）

Abstract： CFG pile composite foundation is mainly used for multi-storey and high-rise buildings. In the past， researches and applications were mainly for the relatively deep foundation. For the independent foundation of backfill foundation， in general there is more pile foundation and less CFG pile composite foundations. This paper compares and analyzes the pile foundation and CFG pile composite foundation from the perspectives of stress mechanism， deformation characteristics and engineering cost. It also discusses the advantages of CFG pile composite foundation. Besides， relying on specific engineering examples， the settlement calculation of CFG pile composite foundation on the independent foundation of backfill foundation is compared and analyzed under different specification conditions. The following conclusions are drawn： for the independent foundation with low bearing capacity， compared with the pile foundation， CFG pile composite foundation can greatly save the engineering cost under the premise of meeting the bearing capacity and deformation control. The design of CFG pile composite foundation on the independent foundation of backfill foundation is mainly based on settlement control. The bearing capacity calculation and settlement calculation should consider the adverse effect of filling soil， and the settlement calculation should be calculated in accordance with the overall collaborative calculation.

Keywords： pile foundation; backfill soil foundation; independent foundation; CFG pile

隨着工程建设的迅速发展，复合地基以其特有的优势得到了越来越广泛的应用（韩煊等，2002；牛志荣等，2000；任贵生，2023）。复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体，由原土和增强体共同承担从基础传来的建筑物荷载的一种人工地基（闫明礼等，2001）。增强体是由强度和模量相对高于原土的材料组成，习惯上将纵向增强体称作桩。其中CFG桩复合地基应用最为广泛，随着行业发展，其从最初的由碎石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和而成的水泥粉煤灰碎石桩，逐渐演变成现在的由商品混凝土浇筑而成的强度等级为C20-C35的素混凝土桩（王帅等，2021）。CFG桩复合地基主要用于多层及高层建筑物（俞竞伟等，2003），基础埋深相对较深，而对于回填土地基上的厂房应用相对较少（孙华波等，2020）。对于回填土地基的独立基础，采用桩基础相对较多。本文从受力机理、变形特性和工程造价等角度对桩基础和CFG桩复合地基进行对比，探讨采用CFG桩复合地基的优势，同时依托具体工程实例对此类型的CFG桩复合地基设计进行探索、总结，为后期类似项目提供借鉴和参考。

1 工程概况

某项目位于北京市大兴区，建设内容以工业厂房为主，其中某厂房天然地基承载力和沉降不满足设计要求，需要进行地基处理。厂房采用钢筋混凝土框排架结构，纵轴长66 m，横轴宽57.5 m，高度16 m，详见图1，主要设计条件及要求详见表1。

依据结构设计图纸，本项目采用独立基础+局部防水板，高度16 m，1F－2F/1D。基础高于现状地面0.35/0.45 m，基础直接持力层为素填土①层、黏粉—砂粉②层，黏粉—砂粉②层的天然地基承载力标准值为110 kPa，处理后地基承载力标准值不小于180 kPa，最大沉降量不大于80 mm，整体倾斜不大于2‰柱距。

2 方案比选

2.1 方案选型

项目区内工业厂房所需承载力仅为180 kPa，场地内土质均为承载力较低的黏性土。地基处理方案的选择有两大类：桩基础和地基处理。采用桩基础能够满足厂房的承载力和沉降要求，但其造价高，需要进行方案比选。

针对本项目的基础型式、地层条件和周边环境，可选用的地基处理方法主要有换填垫层、夯实地基和复合地基3种方法：

换填垫层：由于基底以下10多米才能到达分层地基承载力满足使用要求的地层，而换填垫层一般处理深度为0.5～3.0 m，因此无法采用此方法。

夯实地基：该项目地处北京市大兴区，虽然地处郊区，但是周边存在住户，如果采用夯实方法，势必产生巨大噪声及震动，对周边居民产生环境污染，因此也无法使用此方法。

复合地基：复合地基主要包括散体材料桩和有黏结强度的桩。散体材料桩需在基础范围以外一定区域内布置，这是基于基础的压力向基础外扩散，需要侧向约束条件保证。对于软土地层处理后得到的承载力一般为160 kPa左右，无法满足本项目的承载力要求，因此不能采用散体材料桩。有黏结强度的桩主要有水泥土搅拌桩、旋喷桩、夯实水泥土桩、CFG桩复合地基等，对于此类桩，均能满足本项目的承载力和沉降要求。但是依据北京地区多项工程实例，其中CFG桩复合地基施工质量易于保证、适用地层范围广，可以适用于目前所有的基础型式，适用的工程为多层建筑、工业厂房及高层建筑。故本项目的地基处理选择CFG桩复合地基。

因此，适用本项目的地基处理方案为桩基础和CFG桩复合地基。

2.2 桩基础和CFG桩复合地基对比

1）受力机理对比

桩基础直接与桩和桩间土接触，桩与承台一般为刚性连接，在一定荷载作用下，桩承受较多荷载，随时间的推移，桩产生的沉降大于承台产生的沉降，桩承担的荷载逐渐减少而承台下土承担的荷载逐渐增大，而桩间土基本不承担荷载（党昱敬，2016）。

CFG桩复合地基由于在桩顶和基础之间设置了褥垫层，能保证桩土共同承担荷载，减少基础底面应力集中。通过改变褥垫层的厚度能够调整桩土的荷载分担比例，通常褥垫层越薄桩承载的荷载占总荷载的百分比越高（党昱敬，2019）。褥垫层的设置可使桩间土承载力得到充分发挥，作用在桩间土表面的荷载在桩侧的土单元体产生竖向和水平向附加应力，水平向附加应力作用在桩表面具有增大侧阻的作用，在桩端产生的竖向附加应力对提高单桩承载力是有益的（龚晓南等，2019）。

综上可知，CFG桩复合地基可使桩土共同承担荷载，充分发挥桩间土的作用，在荷载不大的同等条件下，能够承受更大的荷载。

2）变形特性对比

桩基沉降计算主要分为3种类型：桩中心距不大于6倍桩径的桩基，单桩、单排桩、疏桩基础，软土地基减沉复合疏桩基础。针对本项目的独立基础且天然地基无法满足承载力要求的情况，桩基沉降计算应采用疏桩基础进行计算。

依据JGJ 94－2008《建筑桩基技术规范》的相关计算原理，桩基础沉降计算由考虑桩径影响的Mindlin解计算得到基桩的附加应力确定桩底土层沉降量、承台底土压力按照Boussinesq解计算附加应力的桩底土层沉降量及桩身压缩3部分組成。计算精细，但参数众多，繁冗复杂。

CFG桩复合地基是按照Boussinesq解进行计算，复合土层的压缩模量按照fspk /fak取值。原理清晰，计算简单，而且根据多年积累的经验，依据此方法得到的变形值能够满足实际使用需求。

综上，桩基础沉降计算和CFG桩复合地基沉降计算虽然计算原理不同，但都能满足实际使用需求。从计算角度，CFG桩复合地基变形计算相对简洁，更便于实操。

3）工程造价对比

CFG桩复合地基由最初的由碎石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和而成的水泥粉煤灰碎石桩，演变成现在由商品混凝土浇筑而成的强度等级为C20-C35的素混凝土桩。而桩基础除了采用商品混凝土外还需要设置一定数量的钢筋（吕国等，2017）。首先在同等条件下，由于不设置钢筋，CFG桩复合地基就可节约工程造价（唐维国等，2001）；其次从受力机理可知，CFG桩复合地基设置的褥垫层能够充分发挥桩间土的作用（刘杰等，2001），而桩基础则完全利用桩自身的承载力，因此在满足相同承载力条件下，可以减少CFG桩复合地基的数量或者桩长，进而大幅度节约工程造价。

综上可知，对于承载力要求不高的独立基础，采用CFG桩复合地基比桩基础更有优势，因此本项目选用CFG桩复合地基。

3 CFG桩复合地基设计

室内地坪±0.00=24.45 m，基底标高21.35/21.45 m（绝对标高），同现状地表基本持平，基底附加应力取基底平均应力。根据结构专业提供的柱底荷载N（作用点标高-2.3 m，相对标高22.15），基础自重Gk，计算基础底面平均压应力Pk1=（N+G k）/A。

基础及上部结构施工完成后，基础周围回填土至设计标高，为大面积填土，回填土高度约3.0 m。填土增加的自重应力Pz =19×3=57 kPa。周围填土对基础底面的附加应力系数P0=0.25×4=1.00。基础周围填土对基础底面的附加应力P k2 =57×1.0=57.0 kPa。

基础底面处Pk=Pk1+Pk2，基础底面最大压应力P k = 216 kPa，即复合地基承载力标准值 f a ≥ P k = 216 kPa。结构专业要求复合地基承载力标准值f a ≥ 180 kPa。取两者最大值进行设计，取复合地基承载力值f spk ≥ 220 kPa计算。

桩间土为①黏质粉土—砂质粉土素填土及②黏质粉土—砂质粉土层，对桩间填土进行灰土换填，故桩间土综合承载力标准值取110 kPa。

因场地范围内大面积填土，桩周土层沉降超过基桩沉降，需考虑桩周土层负摩阻力。桩端持力层为黏性土和粉土，中性点深度比l s / l 0 = 0.5。根据场地地层情况，桩后软弱土层为②层，下限深度l0位于4.7～6.3 m之间，取l 0=6.0 m计算。中性点深度l s=6.0×0.5=3.0 m，中性点以上土层侧阻力为零，有效桩顶标高为18.00 m/18.10 m。

经计算，有效桩长为14.0 m时可满足f spk≥220 kPa的要求，同时桩身强度等级为C25满足桩身强度验算。

4 地基沉降量

4.1 确定沉降计算深度

依据JGJ 79－2012《建筑地基处理技术规范》和DBJ 11－501－2009《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》（2016版），针对沉降计算深度有不同的计算准则，分别依据沉降比法和应力比法，计算得出的沉降计算深度略有差别，详见表2。

4.2 计算结果与讨论

对于CFG桩复合地基沉降计算，一般先考虑按照承载力控制原则进行计算（张钦喜等，2009）。依据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范（2016年版）》的相关计算原则，计算得到最终沉降量s=122.5 mm，大于80 mm，不满足要求。因此需要考虑采用沉降控制原则进行最终沉降量控制。考虑负摩阻力的前提下，按照满足最终沉降量的要求反算得到复合地基承载力标准值为325 kPa。由于本项目为独立基础，彼此距离较近，相互之间会产生附加应力影响，因此应该按照整体考虑进行协同计算（刘俊飞等，2012）。3种计算方法的对比见表3。

因基础四周大面积回填土高度约为3.0 m，沉降量计算需考虑周围填土的影响。为考虑填土荷载，计算模型中，于基底处布置筏板，筏板厚度取10 mm，以减少筏板刚度对沉降量计算的影响。填土荷载Pz =19×3=57 kPa。计算模型简图见图 2。

对比表3可知，按照沉降控制时f spk取值比按承载力控制大，致使CFG桩复合地基加固区内Es同比增大。计算得到的最终沉降量同比减小很多。由于CFG桩复合地基加固区内Es增大也使得压缩模量当量值同比增大，因而使得沉降经验系数同比减小。因此，对于单个独立基础而言，按照沉降控制计算得到的最大沉降量比同条件按照承载力控制计算得到的小。因整体协同计算时，考虑相邻基础的附加压力影响，致使同条件下计算得到的最大沉降量相比单个基础沉降控制要大。具体详见图3。

通过整体协同计算得出各个独立基础的沉降量，利用修正后的沉降量进行倾斜计算，得到基础倾斜计算表，详见表4。由表4可知，本项目最大倾斜为0.112%，小于20%，满足要求。

5 结论

1）对于承载力要求不高的独立基础，因CFG桩复合地基设置了褥垫层，能够使桩土共同发挥作用，在同等条件下，相比桩基础，CFG桩复合地基在满足承载力和变形控制的前提下，能够大幅度节约工程造价。

2）地基处理的目的是增加地基土的承载力和减小地基的变形。对于采用独立基础的厂房或者多层建筑而言，其要求的承载力一般相对较低，采用CFG桩复合地基能满足承载力要求，重点需要关注沉降及倾斜是否满足要求。此类型的CFG桩复合地基设计以沉降控制为主。

3）位于回填土地基的独立基础，在CFG桩复合地基单桩承载力计算时需要考虑填土负摩阻力的不利影响，在沉降计算时同时要考虑回填土附加应力的不利影响，一般按照附加应力不扩散进行考虑。

4）对于独立基础的沉降计算而言，因相互距离较近，按现行规范工具箱计算沉降量，无法考虑临近独立基础产生的附加应力影响，致使计算的沉降量相对较小。对于此类型沉降计算，建议按照整体进行协同计算。

5）对于回填土地基上的独立基础，应考虑大面积填土的附加应力影响，当桩端为黏粉—砂粉及粉土时，沉降计算深度建议依据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》应力比准则确定。

参考文献

党昱敬，2016.CFG桩复合地基与钢筋混凝土筏板基础设计［J］.建筑结构，46（8）：53-60.

党昱敬，2019.复合地基与基础设计若干问题浅析［J］.地基處理，1（2）：33-43.

龚晓南，杨仲轩，2019.地基处理新技术、新进展［M］.北京：中国建筑工业出版社：1～11.

韩煊，王玉娥，2002.对复合地基设计方法的几点探讨［J］.工程勘察4：10-13