對(duì)高層住宅建筑CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的探討

■焦學(xué)林 ■煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230041

現(xiàn)階段，隨著城市建設(shè)不斷發(fā)展，高層住宅建筑日益增加，在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是重中之重，建筑物的地基只有在滿足變形與受力條件的前提下，才能確保建筑結(jié)構(gòu)體系的安全。而CFG樁復(fù)合地基具備較強(qiáng)的承載力與變形小的特點(diǎn)，且造價(jià)相對(duì)較低，施工工藝成熟和施工質(zhì)量可靠，滿足了現(xiàn)階段高層建筑地基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條件。由此可見，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，對(duì)CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 CFG的概述

復(fù)合地基是指在天然地基在地基處理過程中，在天然地基中設(shè)置加筋體，由天然地基土體和增強(qiáng)體及鋪設(shè)在增強(qiáng)體頂部的褥墊層部分組成共同承擔(dān)荷載的人工地基。所謂地基處理中的CFG樁，是指由粉煤灰、水泥以及碎石的混合物等加水?dāng)嚢韬驮谕林泄嘧亩纬韶Q向的增強(qiáng)體。與其他的復(fù)合地基相比，CFG樁復(fù)合地基具有地基變形小、較高承載力以及使用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。目前，在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中，CFG樁復(fù)合地基不但適用于獨(dú)立基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ)，而且還適用于伐基與箱基。針對(duì)CFG樁的特性來講，其主要適用于粉土、粘性土、砂土以及正常固結(jié)的素填土等地基，對(duì)于淤泥質(zhì)的地基采用CFG樁處理地基，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)并確定其適用性。高層建筑結(jié)構(gòu)的地基采用CFG復(fù)合地基，不僅能夠提高地基的承載力，減少結(jié)構(gòu)的沉降，同時(shí)對(duì)高層建筑與裙房之間的結(jié)構(gòu)不均勻沉降也能夠進(jìn)行有效的控制。此外，CFG樁復(fù)合地基具備造價(jià)低、施工工藝簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)，能夠提高施工單位的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益。

2 高層住宅建筑CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的原則與處理方法

2.1 高層住宅建筑CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的原則

針對(duì)高層住宅建筑，在運(yùn)用CFG樁復(fù)合地基對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該遵守以下原則:(1)CFG復(fù)合地基設(shè)計(jì)前，應(yīng)具備場(chǎng)地巖土工程的勘察、上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和場(chǎng)地環(huán)境等有關(guān)資料。(2)CFG復(fù)合地基設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)地基處理的要求、工程和水文地質(zhì)、工期、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和環(huán)保等要求，選用技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理的方案。(3)CFG樁復(fù)合地基的地基承載設(shè)計(jì)必須滿足上部結(jié)構(gòu)能夠承受地基的壓力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)依據(jù)上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算對(duì)地基承載力的要求，并依據(jù)建筑場(chǎng)地巖土工程的勘察報(bào)告對(duì)CFG樁的樁徑、持力層、計(jì)算樁的承載力、樁體強(qiáng)度以及有效樁長(zhǎng)進(jìn)行確定設(shè)計(jì);滿足其復(fù)合地基承載力的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)合理選擇上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式，明確基礎(chǔ)的受力范圍。確定基礎(chǔ)的平面尺寸，滿足CFG樁的布置要求;(4)針對(duì)高層建筑形態(tài)復(fù)雜以及裙房不設(shè)沉降縫的建筑，應(yīng)該對(duì)地基以及基礎(chǔ)進(jìn)行協(xié)調(diào)變形驗(yàn)算。如CFG樁端以下仍然存在較軟弱的土層時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算下臥層的地基強(qiáng)度。(5)應(yīng)根據(jù)復(fù)合地基的荷載轉(zhuǎn)遞特性，設(shè)置合理厚度的褥墊層，保證復(fù)合地基中樁體和樁間土共同承擔(dān)荷載。(6)CFG樁復(fù)合地基應(yīng)按上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基共同作用的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 高層住宅建筑CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的處理方法

2.2.1 高層建筑CFG樁復(fù)合地基作用機(jī)理

復(fù)合地基簡(jiǎn)單講就是指經(jīng)過人工處理過的地基，CFG樁復(fù)合地基是用各種成樁地基中制成的強(qiáng)度等級(jí)≥C25的樁，其樁間土、樁土以及褥墊層共用構(gòu)成剛性樁復(fù)合地基。CFG樁增強(qiáng)體對(duì)提高地基承載力和減小變形起著非常重要的作用。CFG樁的作用效應(yīng)表現(xiàn)為:墊層效應(yīng)、樁體效應(yīng)、對(duì)周邊土體的擠密或擾動(dòng)效應(yīng)、排水效應(yīng)和加筋效應(yīng)。

2.2.2 高層建筑CFG樁復(fù)合地基的加固機(jī)理

建筑的地基承受結(jié)構(gòu)上部的垂直荷載時(shí)，樁間土以及樁之間都會(huì)發(fā)生變形與沉降。在建筑剛性基礎(chǔ)下面設(shè)置褥墊層，樁可以向上刺入褥墊層，隨著這一變化，墊層中的墊層材料經(jīng)過不斷的調(diào)整補(bǔ)充到樁間土之上，進(jìn)而確保樁間土與荷載下樁一直參與工作。褥墊層的作用主要有:保證增強(qiáng)體與周邊土共同承擔(dān)荷載、減小上部基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中、褥墊層的厚度可以調(diào)整樁與土體的豎向和水平荷載分擔(dān)比。

3 高層住宅建筑CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)分析

3.1 CFG樁復(fù)合地基面積置換率

地基面積置換率與樁的平面布置方式(通常有:等邊三角形、正方形和矩形三種)有關(guān)，CFG樁復(fù)合地基的面積置換率是根據(jù)公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，其公式為:m=Ap/Aε(m為地基面積置換率、Ap為樁截面積、而Aε是單根樁的分擔(dān)處理的面積)。

3.2 CFG樁復(fù)合地基單樁承載力特征值計(jì)算

如巖土工程勘察中的報(bào)告提供了樁基的極限側(cè)阻力、極限端阻力的標(biāo)準(zhǔn)值qsik、qpk，單樁豎向承載力特征值計(jì)算公式為:

如報(bào)告提供樁的側(cè)阻力的特征值為qsi、而其端阻力的特征值為qp，其單樁豎向承載力的特征值為:

除對(duì)單樁豎向承載力進(jìn)行計(jì)算外，還應(yīng)同時(shí)考慮樁身的強(qiáng)度滿足單樁豎向承載力的要求。

3.3 CFG樁復(fù)合地基承載力特征值

CFG樁復(fù)合地基承載力的特征值，應(yīng)通過豎向抗壓載荷試驗(yàn)或綜合樁體豎向抗壓載荷試驗(yàn)和樁間土豎向抗壓載荷試驗(yàn)，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合確定。CFG樁復(fù)合地基承載力的特征值可按以下的公式對(duì)其進(jìn)行估算:fspk=βpmRa/Ap+βs(1－m)fsk，fsk為天然的地基承載力;βp為樁承載力折減系數(shù);βs為樁間土承載力折減系數(shù);

3.4 CFG樁復(fù)合地基變形驗(yàn)算

復(fù)合地基變形驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)依據(jù)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的土層分布情況，對(duì)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的土的壓縮模量進(jìn)行合理的提高，其中復(fù)合地基土層的壓縮模量是天然土層的壓縮模量的ξ倍。其地基壓縮模量提高系數(shù)的計(jì)算公式為:ξ=fspk/fsk。

4 高層住宅建筑CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

高層住宅建筑CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足樁土共同作用的原則，上部結(jié)構(gòu)的剛性基礎(chǔ)與復(fù)合地基間設(shè)置褥墊層等構(gòu)造措施來保證實(shí)施樁土的共同作用。主要應(yīng)該注意以下幾個(gè)內(nèi)容:(1)CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)前，要全面了解和掌握與工程有關(guān)工程和水文地質(zhì)、場(chǎng)地周邊環(huán)境資料、當(dāng)?shù)亟ㄖ┕すに嚰八?同時(shí)要了解上部結(jié)構(gòu)的信息及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式，提供合理的、經(jīng)濟(jì)的、安全可靠的地基處理方案與業(yè)主溝通。(2)合理確定復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)。(3)確定合理的CFG樁單樁承載力，采用合理經(jīng)濟(jì)的樁徑、樁長(zhǎng)及樁的平面布置方式。(4)建筑物長(zhǎng)期最大沉降量及沉降差的進(jìn)行合理控制。(5)復(fù)合地基處理施工過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師對(duì)地基處理的質(zhì)量跟蹤，發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)分析和提供處理方案。地基處理施工完成后要進(jìn)行樁體質(zhì)量檢測(cè)，同時(shí)對(duì)處理后的復(fù)合地基進(jìn)行豎向抗壓載荷試驗(yàn)。確保復(fù)合地基的承載力滿足上部結(jié)構(gòu)的承載要求，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。

5 結(jié)論

根據(jù)本文的論述可知，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們以及社會(huì)對(duì)高層建筑的需求日益增加，目前比較多的高層建筑采用CFG樁復(fù)合地基。采用CFG樁復(fù)合地基不僅能夠降低施工造價(jià)成本，提高施工質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，還提高了建設(shè)單位及施工單位的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)過程中必須嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)的原則和規(guī)范，采取合理地方法，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算、精心合理的設(shè)計(jì)，進(jìn)而保證高層建筑地基的穩(wěn)固性。

［1］李虎林，沈紅蕾.CFG樁復(fù)合地基在鄭州高層住宅中的應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2011(04).

［2］王開軍.CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)相關(guān)問題的探討［J］.山西建筑，2010(14).

［3］程宏生.CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2010.