CFG樁復(fù)合地基在某工程實例中的設(shè)計與研究

單益軍

(杭州市建筑設(shè)計研究院有限公司,杭州 310001)

單益軍

(杭州市建筑設(shè)計研究院有限公司,杭州 310001)

結(jié)合周口地區(qū)工程對CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)復(fù)合地基進行了設(shè)計,對比計算結(jié)果與現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù),對規(guī)范中沉降計算公式進行了優(yōu)化。通過數(shù)值模擬計算,分析了影響沉降變形的因素及影響規(guī)律。

CFG樁; 復(fù)合地基; 沉降; 模擬計算

1 工程概況

該工程擬建建筑物位于周口市,地形較為平坦,三側(cè)均臨城市主干道,平面上基本呈矩形,南北長544.0 m,東西寬180.0 m。擬建高層住宅樓共17棟,地上層數(shù)為19～32,地下1層,均為剪力墻形式,筏板基礎(chǔ)。列出部分?jǐn)M建建筑物具體情況見表1。

表1 建筑物部分子項工程一覽表

擬建場地位于黃淮河沖積平原上,建筑場地類別屬于Ⅲ類,地下水穩(wěn)定水位在地表下4.3 m,絕對高程約42 m,地下水為潛水,在建筑物設(shè)計使用周期內(nèi)最高水位埋深為0.0 m。地基不具液化性,無不良地質(zhì)作用及不利堆積物,地基土均勻。進行了高壓固結(jié)試驗獲得預(yù)計樁端以下土層實際受荷段相應(yīng)參數(shù),結(jié)合工程數(shù)據(jù)確定場地各層地基土的承載力特征值及壓縮性。根據(jù)擬建建筑物的剖面資料及場地工程情況,若采用天然地基筏板基礎(chǔ),以第②層粉質(zhì)粘土或者第③層粉土作為持力層,經(jīng)計算知持力層強度不滿足要求。

2 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計計算

根據(jù)勘測資料,將勘探深度范圍內(nèi)的地層分為10層。采用CFG復(fù)合地基方案[1],以承載力相對較高、壓縮呈中性的第⑥層粉土作為樁端持力層,基底位于第②層粉質(zhì)粘土層。由于最高、基地反力最大的樓層是16、17兩棟,因此取該兩棟樓為代表進行CFG樁復(fù)合地基設(shè)計計算。場地相關(guān)土層物理力學(xué)指標(biāo)總結(jié)數(shù)據(jù)見表2[2]。

表2 場地土層物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)[3]計算得:勘探孔單樁、樁體強度均滿足要求;考慮到地下車庫采用獨立基礎(chǔ),因此僅從地下室內(nèi)標(biāo)高對計算出的地基承載力進行修正,得到CFG復(fù)合地基承載力能夠滿足設(shè)計要求;主樓整體沉降量、沉降差、傾斜及局部傾斜均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。列出代表樓層CFG樁復(fù)合地基最終參數(shù)見表3。

表3 代表樓層地基最終參數(shù)

通過周口區(qū)地基的高層建筑實踐經(jīng)驗知,主樓封頂后通常沉降量在40 mm左右。因此可認(rèn)為該工程采用CFG樁復(fù)合地基方案是合理的。

3 現(xiàn)場試驗與沉降觀測

3.1 單樁復(fù)合地基荷載試驗

現(xiàn)場選取3個單樁復(fù)合地基荷載試點。采用壓重平臺反力裝置分8個等級逐級加載,最大加載量不少于2倍的設(shè)計壓力值,分級加載情況見表4。

表4 靜載荷試驗加載分級表

每次加載完成須待1小時內(nèi)的沉降量小于0.1 mm方可進行下一步加載,且在加載后1 min內(nèi)讀取沉降量,隨后讀取頻率降為0.5 h一次。當(dāng)出現(xiàn)最終沉降量大于承壓板的寬度或直徑的6%,或出現(xiàn)沉降明顯異常時,終止試驗。卸載時保持每次卸載的壓力值大致相等,且每半小時記錄一次變形量,待卸載完成后每3 h記錄一次變形量。得到3個試點的單樁復(fù)合地基荷載試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 各試點試驗概況表

得出3個試點復(fù)合地基承載力特征值均為461 k Pa,滿足最大值與最小值之差小于平均值30%,故本工程復(fù)合地基承載力特征值取三者平均值461 kPa。

3.2 長期沉降觀測

施工過程中結(jié)構(gòu)上部荷載變化較大,選取了10個沉降觀測點于6個月內(nèi)每月進行一次觀測,部分觀測結(jié)果見表6。

表6 部分觀測結(jié)果

由表6可見盡管各觀測點沉降有所差異,但差異不大,大小均隨上部結(jié)構(gòu)的完善而增大,平均沉降量均滿足規(guī)范要求。根據(jù)周口地區(qū)經(jīng)驗,主樓完工后沉降大致達(dá)到總沉降的80%,由此推出總沉降值約為30.4 mm,小于計算值。綜上分析,采用CFG樁復(fù)合地基能有效地控制沉降[4]。

4 沉降計算公式的優(yōu)化

目前工程上主要用復(fù)合模量法計算沉降,見式(1)

式(1)前半部分是加固區(qū)變形量,后半部分是下臥層變形量,此方法存在不足之處有兩點:1)計算經(jīng)驗系數(shù)是以沉降計算值為依據(jù),該值由變形比法確定,若計算沉降時采用應(yīng)力比法,此經(jīng)驗系數(shù)可能不適用;2)土層加固區(qū)復(fù)合模量根據(jù)面積加權(quán)法得到,無法反映樁土之間各種因素影響。因此,復(fù)合地基模量放大系數(shù)ε與沉降經(jīng)驗修正系數(shù)ψs應(yīng)根據(jù)不同情況進行修正。對比項目觀測沉降值30.4 mm與規(guī)范計算沉降值39 mm知,計算結(jié)果相對偏大,可以對沉降經(jīng)驗修正系數(shù)進行0.8～0.9的折減。通過式(1)計算得出該工程沉降經(jīng)驗修正系數(shù)為0.3,根據(jù)實際觀測情況,對復(fù)合模量放大系數(shù)放大1.05倍,沉降經(jīng)驗修正系數(shù)縮小至0.85倍。優(yōu)化后計算得到的沉降值為31.76 mm,更接近項目實際沉降值,因此優(yōu)化后的沉降計算公式更符合實際情況。

5 CFG樁復(fù)合地基數(shù)值模擬分析

5.1 PKPM模擬分析

以17號樓為代表,采用JCCAD計算模塊模擬,步驟如下:1)將土層根據(jù)土體參數(shù)編號,輸入土參數(shù);2)輸入孔點相對位置;3)有限元計算。該工程采用彈性地基梁板模型,假定樁與其周圍土體為互不相關(guān)的彈簧?？紤]大面積筏板基礎(chǔ)在上部結(jié)構(gòu)荷載不均勻作用下容易產(chǎn)生變形,將上部建筑物的剛度與筏板基礎(chǔ)組合在一起減小變形差,讓所得結(jié)果更接近實際情況。

計算所得沉降圖見圖1。

計算結(jié)果顯示,4條等值曲線沉降值分別為35 mm、40 mm、45 mm、50 mm,平均沉降量為40 mm,與計算沉降值39 mm十分接近,滿足規(guī)范設(shè)計要求。

5.2 ANSYS模擬分析

考慮到工程的實際情況,對模型作出以下假定[5]:1)所有部分均為各向同性且均質(zhì)材料;2)土體、褥墊層均為DP材料;3)CFG樁與筏板均滿足廣義胡克定律;4)土體與樁、筏板與褥墊層始終相互接觸且不發(fā)生相對滑動;5)土體頂面無約束,側(cè)面為桿單元約束,底部采用固定約束;6)樁身與土體均可采用SOLID65單元。選取單樁模型進行模擬分析,筏板厚度為1.5 m,褥墊層厚度為0.2 m,選取的放樁邊長為0.35 m長度為19 m,土體水平長度為一個樁間距,豎向土體深度為30 m。對單樁上部施加以50 k N為等差逐級遞增的均布荷載,直至350 kPa,模擬樓層上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載,得到單樁沉降圖見圖2,復(fù)合地基p-s曲線見圖3。

模擬得出單樁位移最大值為20 mm,與計算結(jié)果和實際觀測結(jié)果均較接近,說明模型建立合理。由圖3可見在荷載在一定范圍內(nèi),地基沉降大致以線性增加,當(dāng)荷載繼續(xù)增大,沉降呈現(xiàn)非線性增加。

在該模型基礎(chǔ)上,通過改變?nèi)靿|層厚度、彈性模量及樁身長度,研究影響CFG樁復(fù)合地基沉降變形的主要因素[6],得出各因素對總體沉降值影響規(guī)律如下:1)當(dāng)褥墊層厚度小于500 mm時,總體沉降變形隨著厚度的增加而明顯增大;當(dāng)褥墊層的厚度大于500 mm時,總體沉降值隨著厚度的增加幾乎不變?？梢缘贸霎?dāng)褥墊層厚度在100 mm到500 mm之間時既能明顯地對沉降起到控制作用又較為經(jīng)濟。2)當(dāng)褥墊層彈性模量增加時,樁承受的荷載增大而土體承受的荷載減小,引起沉降變形減小。3)樁徑一定時,樁體長度越大,其支撐作用及正摩阻區(qū)增大,導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降值減小,但當(dāng)樁長度過大時繼續(xù)增加樁長對其控制沉降作用反而不明顯。綜上所述,實際工程中若出現(xiàn)沉降變形過大,可通過適當(dāng)減小褥墊層厚度、增大褥墊層模量、適當(dāng)增加樁長等方法進行控制。

6 結(jié) 論

a.結(jié)合周口地區(qū)實際情況對CFG樁復(fù)合地基進行了設(shè)計與計算,同時對規(guī)范中的復(fù)合模量法計算沉降公式提出了優(yōu)化思想,對今后工程計算起到一定參考作用。

b.分別用PKPM于ANSYS對此工程進行了單樁模擬分析。通過改變?nèi)靿|層厚度、彈性模量和樁長研究各因素對CFG樁復(fù)合地基沉降變形的影響規(guī)律,對今后工程中控制沉降起到一定參考作用。

c.文中提出的優(yōu)化思想尚缺乏大量的工程實例進行驗證,公式中相應(yīng)系數(shù)的修改需根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況進行修正;對非筏板基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基及其它基礎(chǔ)類型有待進一步研究。

[1] 韓敬連.CFG樁復(fù)合地基探討[J].建筑與預(yù)算,2015(3):54-57.

[2] 王秋義.CFG樁與夯實水泥土樁多樁型復(fù)合地基在工程中的應(yīng)用[J].建設(shè)科技,2015(8):106-107.

[3] JGJ 79—2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 張慧芳.CFG樁在地基處理工程中的應(yīng)用[J].山西科技,2015,30(2):156-157.

[5] 余 旭,吳 瑤,CFG樁復(fù)合地基力學(xué)性能的有限元分析[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,22(2):62 -65.

[6] 史 俊,王小勇.水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)復(fù)合地基在高層建筑地基處理中的應(yīng)用[J].安徽地質(zhì),2015,25(1):57 -60.

Design and Research of CFG Pile Composite Foundation in Projects

SH AN Yi-jun
(Hangzhou Architectural Design&Research Institute Co,Ltd,Hangzhou 310001,China)

CFG pile composite foundation was designed based on the engineering in Zhoukou.Comparing the calculation data with the field observations,an optimal strategy for the settlement formula in specification was proposed. The factors and influencing laws of the settlement deformation were analyzed by numerical simulations.

CFG pile; composite foundation; settlement;simulation

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.014

2015-08-12.

單益軍(1968-),高級工程師.E-mail:W430070@163.com