韓永強，朱雪珂

(西安工業(yè)大學 建筑工程學院， 陜西 西安 710021)

隨著國家經(jīng)濟建設的大力快速發(fā)展，高層、超高層建筑在人們的生活中越來越普遍。由于高層建筑基礎荷載重、面積大、埋置深，天然地基難以滿足建筑物對地基承載力(變形)的要求，因此在高層、超高層的建筑工程中，CFG樁復合地基被廣泛應用，還被列入國家行業(yè)標準《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79—2012)CFG樁由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘結強度樁，又稱為水泥粉煤灰碎石樁(Cement Fly-Ash Gravel，Pile)。常用于和樁間土、褥墊層形成新型復合地基，共同承擔建筑物荷載，如圖1所示。20世紀80年代末，中國建筑科學研究院研發(fā)了這種地基處理的新技術，不但可以大幅度提高地基承載力、有效減少地基施工后沉降等特點，并且具有良好地消除地基的不均勻變形的適應性[1-3]。

CFG樁、樁間土以及褥墊層共同組成剛性復合地基。由于CFG樁樁體自身剛度大，可以使荷載從樁頂向樁底部傳遞過程中有很大的可調性，所以與一般柔性樁復合地基相比，地基承載力大幅度提高。此外，CFG樁復合地基在充分發(fā)揮樁承載力的同時，樁可以沿著整個樁長發(fā)揮側摩阻力和端摩阻力，使得樁間土一起參與受荷工作，能夠大幅增加承載力并減少沉降。CFG樁復合地基廣泛應用于處理各種地基加固中[4-5]，包括黏性土、粉土、砂土和自重固結已完成的素填土等地基的處理。

1 工程概況

某高層住宅樓采用剪力墻結構、筏板基礎。地基處理采用C20的CFG樁提高地基承載力，CFG樁樁徑500 mm，樁長24 m，樁間距1.6 m，按正三角形梅花形滿堂布置，總樁數(shù)660根，復合地基承載力特征值不小于450 kPa。場地工程地質條件如表1所示。

圖1 CFG樁復合地基示意圖

現(xiàn)場CFG單樁及單樁復合地基靜載試驗結果表明，最大加載壓力已達到設計要求壓力值的2倍(即900 kPa)，可滿足住宅樓復合地基承載力的設計要求。

1.1 CFG樁復合地基承載力計算

CFG樁復合地基承載力計算結果見表2。

(1) 復合地基承載力驗算[6-8]。由JCCAD計算得出：基底壓力標準值Pk=450 kPa；計算車庫等效覆土深度d=1.25 m，深度修正的基礎埋深d=3.75 m，有效重度取值15 kN/m3。

最終得到復合地基承載力為490 kPa≤fspk。

(2) 樁身強度驗算：當復合地基承載力進行基礎埋深的深度修正時，增強體樁身強度應滿足：

(1)

(2)

樁身強度取C25，滿足要求。

1.2 CFG樁復合地基沉降計算

選取樁徑為500 mm，樁長為24 m的CFG樁進行沉降計算。計算場地平面長度27 m，寬度14 m，計算荷載為滿堂450 kPa，計算簡圖見圖2所示，基底應力計算結果如表3所示。

表2 承載力計算表

圖2 沉降計算簡圖

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2002)，復合地基最終沉降量S，按下式計算：

(3)

沉降計算點(x=0.000 m，y=0.000 m)各層土的壓縮情況如表4所示。

表4 沉降計算點各層土的壓縮表

對計算簡圖中1#、2#、3#、4#、5#進行沉降計算，計算結果如表5所示。

由計算結果可知，工程中所選取的參數(shù)(樁徑、樁間距等)，其復合地基的最大沉降量滿足設計沉降要求[9]。

表5 復合地基沉降計算表

2 數(shù)值模擬分析

復合地基的樁土應力比和沉降之間聯(lián)系密切，對CFG樁復合地基的承載力性能有較大的影響[10-11]。數(shù)值分析采用MIDAS/GTS NX有限元計算軟件，建立有限元分析模型，分析樁土應力比和沉降之間的關系。模型建立如圖3所示。

圖3 CFG樁分析模型

模型選取半徑為2.4 m的圓柱體為土體范圍，結構尺寸、材料屬性的選取參照設計圖紙與地質勘探資料。通過利用MIDAS有限元法，能夠計算得出CFG樁復合地基的不同褥墊層厚度、不同置換率對復合地基的影響。有限元計算簡圖如圖4所示。

圖4 CFG樁復合地基有限元計算簡圖

3 數(shù)值模擬結果分析

3.1 不同褥墊層厚度對復合地基承載力的影響

樁頂和基礎之間應設置褥墊層[12-14]，通常褥墊層厚度宜為樁徑的40%～60%[15]。褥墊一般選用最大粒徑不大于30 mm的中砂、粗砂、級配砂石和碎石等材料，采用靜力壓實法，夯填度不應大于0.90。當其他條件一定時，從圖5可以看出樁土應力比隨褥墊層厚度的增大而減小。當褥墊層厚度大于300 mm時，樁土應力比趨于穩(wěn)定，充分發(fā)揮了樁間土的承載力。由于樁間土表面的荷載作用，會產(chǎn)生水平向和豎向附加應力在樁側土單元體，水平向附加應力增大了側阻力作用在樁表面上；豎向附加應力則大大提高了單樁承載力，褥墊層的作用得到充分地發(fā)揮。

調整合理褥墊層的厚度不但可以減小地基沉降，還可以消除地基不均勻沉降。從圖6可以看出，當褥墊層厚度大于300 mm時地基沉降反而增大，這是由于樁間土分擔的荷載過多。因此合理的褥墊層厚度可以調節(jié)復合地基中的樁、樁間土的荷載分擔，確保樁與土能夠共同承擔荷載。本工程的褥墊層合理厚度為300 mm左右。

圖5 褥墊層厚度對樁土應力比的影響

圖6褥墊層厚度對地基沉降的影響

3.2 不同置換率對復合地基承載力的影響

由圖7和圖8可以說明，隨置換率[16](樁的端面積與土體面積之比)的增大，樁土應力比減少，達到0.08時趨于穩(wěn)定；由于復合地基中樁的面積占比增大，所以復合地基的樁體會承擔更多的荷載，不但達到提高整個復合地基的承載力的設計目的，而且基礎沉降也會產(chǎn)生明顯的減小。因此，在實際工程中可以通過采取增大置換率的方法來提高復合地基承載力和降低地基沉降量。

圖7 置換率對樁土應力比的影響

圖8置換率對地基沉降的影響

4 結 論

本文以理論計算和數(shù)值模擬相結合的方法，得出CFG樁復合地基的公式計算沉降量和有限元分析結果相符。首先對CFG樁復合地基的承載性狀進行了理論研究，再利用MIDAS有限元軟件，分析了褥墊層厚度、置換率對樁復合地基的承載特性的影響。主要結論如下：

(1) 樁土應力比與地基變形沉降量隨著褥墊層厚度的增大而逐漸減小。當褥墊層厚度超過某一限值時，樁的優(yōu)點得不到發(fā)揮，沉降量反而會增加；太薄時，復合地基應力過于集中在樁體，土很難發(fā)揮作用。在實際工程設計過程中，褥墊層能夠確保樁土共同工作，為更好地協(xié)調樁、樁間土間的荷載分擔，褥墊層厚度的取值尤為重要，一般為樁徑40%～60%。

(2) 隨著置換率的增大，樁土應力比和沉降量逐漸減小，樁土應力比趨于穩(wěn)定。

(3) 通過樁復合地基的工程設計實例，并與MIDAS有限元結果進行了比較，驗證了CFG樁復合地基的承載力和沉降的可靠性。