溶巖強(qiáng)發(fā)育場地剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)
——以韶關(guān)奧林匹克花園為例

陳積奮 （廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510010）

1 概述

CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，由樁、樁間土和褥墊層一起構(gòu)成的復(fù)合地基，目前大量用于高層和超高層建筑地基的加固。由于其樁徑小、成樁速度快、工期短、質(zhì)量容易控制、工程造價(jià)低廉的特點(diǎn)，該技術(shù)已在全國各地區(qū)高層地基處理中得到廣泛應(yīng)用，絕大多數(shù)為高層建筑，也不乏超高層建筑。CFG樁的加固機(jī)理為：當(dāng)基礎(chǔ)承受垂直荷載時(shí)，樁和樁間土均會發(fā)生沉降變形，樁的變形量（Es）遠(yuǎn)比土的變形模量大，也就是樁的變形比土小，樁在受力后向上移，刺入基礎(chǔ)下部設(shè)置的一定厚度的褥墊層中，墊層被不斷調(diào)整并與樁間土良好接觸，從而基礎(chǔ)通過褥墊層也與樁間土保持良好接觸，由此，樁間土與樁協(xié)同工作形成了一個(gè)復(fù)合地基的受力整體，共同承擔(dān)上部基礎(chǔ)傳來的荷載。由于樁的作用使復(fù)合地基承載力提高，變形減小，再加上CFG樁不配筋，樁體采用工業(yè)廢料粉煤灰作摻和料，大大降低了工程造價(jià)。CFG樁地基通過改變樁長、樁距、褥墊層厚度和樁體混合料配比，可使復(fù)合地基承載力幅度的提高有很大的可調(diào)性。

2 工程概況

擬建奧林匹克花園二期位于韶關(guān)市新豐縣府前大道與豐寧路交接處。二期位于奧林匹克花園整體規(guī)劃的南部，北部為一期。奧林匹克花園二期擬建10#-1、10#-2、11#-1、11#-2、13#-1、13#-2 等 6 棟為地上17層住宅樓，12#-1、12#-2、14#等 3棟為地上15層住宅樓，15#、16#等2棟為地上13層住宅樓，17#-1、17#-2等2棟為地上12層住宅樓，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，均設(shè)置一層地下室。擬建建筑規(guī)劃凈用地面積為66871m2。

3 場地工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭露，本場地地層結(jié)構(gòu)按其成因類型自上而下可分為：人工填土（Qml）、第四系沖積層（Qal）、第四系殘積層（Qel）、石炭系（C）基巖等四大層。各巖土層特征分述如下。

3.1 人工填土（Qml）

①雜填土層：該層在本場地均有分布。該層厚050m～4.00m，平均厚度 1.55m，層頂高程 160.98m～162.23m。土性：灰褐色、深灰色，松散狀，主要由粘性土、砂和碎石組成，局部位置底部為薄層耕植土，為新近堆填，經(jīng)過機(jī)械簡單碾壓平整，欠固結(jié)。

3.2 第四系沖積層（Qal）

②-1含卵石礫砂層：灰褐色，褐黃色，中密～密實(shí)，主要成分為石英顆粒，局部夾碎石、粘土和卵石。整個(gè)場地除ZK174外其他92個(gè)鉆孔均有揭露到，揭露厚度2.10m～24.30m，平均厚度4.82m，層頂埋深0.50m～4.00m，層頂標(biāo)高157.56m～160.85m。地基承載力特征值為200kPa。

②-2含礫粉質(zhì)粘土層：該層在整個(gè)場地基本有揭露，分布較為連續(xù)，共計(jì)86個(gè)孔揭露到該層。該層厚1.30m～32.70m，平均厚度 12.32m，層頂埋深 3.20m～25.00m，層頂高程136.35m～158.17m。土性：褐黃色、褐紅色、灰褐色，可塑為主，局部硬塑，主要由粘粒、粉粒組成，局部含角礫及卵石。地基承載力特征值為180kPa。

②-2-1淤泥質(zhì)土層：該層在整個(gè)場地呈透鏡體分布，該層厚2.30m～16.50m，平均厚度5.98m，層頂埋深2.50m～16.50m，層頂高程 144.73m～158.82m。土性：灰黑色，軟塑，以粘粒為主，含較多有機(jī)質(zhì)，局部含腐木。地基承載力特征值為60kPa。

②-3角礫層：灰褐色，中密，尖棱狀，主要成分為石英顆粒，局部含粘土及卵石。整個(gè)場地呈透鏡體分布，平均厚度6.72m，層頂埋深7.50m～24.30m，層頂標(biāo)高137.28m～153.62m。地基承載力特征值為200kPa。

3.3 第四系殘積層（Qel）

③粉質(zhì)粘土層：該層局部地段分布，該層厚0.80m～32.30m， 平 均 厚 度 6.50m， 層 頂 埋 深12.80m～39.50m，層頂高程 122.08m～149.15m。土性：褐紅色、褐黃色，可塑為主，ZK120局部軟塑，可見風(fēng)化殘余結(jié)構(gòu)外貌，殘積成因，浸水易軟化，局部含強(qiáng)～中風(fēng)化巖碎塊。地基承載力特征值為160kPa。

3.4 下伏基巖層

在勘察深度范圍內(nèi)按風(fēng)化程度可分為以下2個(gè)風(fēng)化巖層：④-1中風(fēng)化灰?guī)r和④-2微風(fēng)化灰?guī)r。

④-1中風(fēng)化灰?guī)r：該層在鉆孔深度控制范圍內(nèi)局部有揭露。揭露厚度為0.10m～2.10m，平均0.74m，層頂埋深7.80m～37.80m，層頂高程為130.48m～154.04m?；疑[晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，溶蝕強(qiáng)烈，巖石破碎，巖芯呈碎塊狀。本層工程特性差異很大，強(qiáng)弱不均。本層屬軟～較軟巖，巖體完整程度分類為極其破碎，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅴ類，由于巖芯呈碎塊狀，未采取巖樣進(jìn)行試驗(yàn)。地基承載力特征值為1200kPa，但具有不穩(wěn)定性。

④-2微風(fēng)化灰?guī)r：在鉆孔深度控制范圍內(nèi)，均揭露到該層z質(zhì)335。揭露厚度為0.11m～6.92m，層頂埋深8.00m～61.30m，層頂高程為100.05m～154.12m。灰白色、灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，裂隙稍發(fā)育，巖質(zhì)新鮮較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬，較完整，錘擊聲脆，巖芯呈短柱狀、柱狀為主，節(jié)長5～50cm，RQD=50%～96%。地基承載力特征值為4000kPa。

4 水文地質(zhì)條件

場地地下水主要為②-1含卵石礫砂層、②-3角礫層中的孔隙水和及基巖裂隙、巖溶水，②-1含卵石礫砂層、②-3角礫層和基巖裂隙、溶洞為主要富水層。地下水年變化幅度預(yù)計(jì)約2.00m～3.00m。

地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋有弱腐蝕性。

場地土對混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有微腐蝕性。

5 地基處理方案選擇

巖溶地區(qū)的基礎(chǔ)方案選擇,需結(jié)合擬建建筑物高度、溶洞發(fā)育程度、上覆土層厚度以及溶洞內(nèi)填充物性狀等綜合考慮，本工程根據(jù)地勘報(bào)告及補(bǔ)充勘察報(bào)告,判定場地巖溶地質(zhì)具有如下兩個(gè)特點(diǎn)。

①根據(jù)本工程補(bǔ)勘柱狀圖對溶洞填充物的描述:“溶洞，全充填，充填物為中密狀角礫夾可塑狀粘性土，性質(zhì)較穩(wěn)定，鉆進(jìn)速度較快，但不漏水。”本場地溶洞性狀應(yīng)以巖層裂隙為主,而非空洞。裂隙分布形態(tài)為S形曲線，較宜作為樁端持力層。

若溶洞內(nèi)填充物存在巖土分層，一般為溶洞塌陷形成，此時(shí)應(yīng)查明填充物標(biāo)貫，若標(biāo)貫較高 (N≥10擊)，可不處理，否則應(yīng)先處理填充物再打樁。

②對溶洞內(nèi)填充物成分，可結(jié)合填充物標(biāo)貫判斷。每米標(biāo)貫一次，若標(biāo)貫結(jié)果離散性較大，說明土內(nèi)夾雜石塊，表明填充物強(qiáng)度較高，此類填充物較安全，可不做處理。若標(biāo)貫值較低且每米標(biāo)貫值波動幅度不大，說明填充物軟弱，需處理。

根據(jù)擬建建筑物特點(diǎn)，設(shè)計(jì)要求地基處理后復(fù)合地基承載力特征值大于300kPa，地層多為黏性土和粉土，在綜合考慮基礎(chǔ)類型、承載力要求、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、施工條件、施工環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益等條件的情況下，決定采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）復(fù)合地基對該項(xiàng)目的地基進(jìn)行處理。

6 CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)

6.1 剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本工程地下室筏板底土層為（2-5）含卵石礫砂，石質(zhì)堅(jiān)硬，鉆進(jìn)較困難，天然地基承載力特征值為280kPa，作為本工程天然地基，可滿足承載力要求。結(jié)合場地內(nèi)溶洞埋淺，剛性樁樁長大部分較短，承載力不高的特點(diǎn)，樁基礎(chǔ)按減沉疏樁設(shè)計(jì)，主要用來減小建筑物沉降。

因（2-5）層下較多鉆孔揭露有較厚軟弱下臥層，部分為流塑樁淤泥質(zhì)土，為保證剛性樁承載力，樁端持力層選擇（2-9）角礫層或微風(fēng)化巖面，同時(shí)加強(qiáng)施工監(jiān)控，樁長施工記錄，局部無把握位置可提高樁基承載力檢測值至3Ra。

結(jié)合本工程地質(zhì)特點(diǎn)及溶洞性狀，剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)及措施應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則。

①溶洞需處理及檢測

本工程溶洞以裂隙為主，可不處理，但考慮到巖溶地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜多變，仍在壓樁前采用灌漿處理溶洞，并在處理位置補(bǔ)充鉆孔以驗(yàn)證處理效果。處理的同時(shí)也是進(jìn)一步探明溶洞分布、大小的過程。

②局部鉆孔揭露筏板底為（2-2-1）層淤泥質(zhì)土，淤泥厚度≤1.5m時(shí)，清除淤泥；1.5m＜淤泥厚度≤5m時(shí)，在淤泥范圍補(bǔ)打木樁；淤泥厚度＞5m時(shí)，除了補(bǔ)打木樁，還需加密剛形狀間距，不考慮地基承載力。

③塔樓筏板應(yīng)驗(yàn)算沉降，應(yīng)按照中部沉降大，四周小的碟形沉降設(shè)計(jì)。可試算幾個(gè)鉆孔，對沉降大、樁端無角礫等硬持力層，樁長未到硬持力層或巖面的，應(yīng)局部補(bǔ)樁，相當(dāng)于從概念和構(gòu)造上保證復(fù)合地基承載力與模型中基床系數(shù)取值的一致，從而保證碟形沉降的設(shè)計(jì)意圖。

6.1 CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1）

土（巖）層承載力特征的經(jīng)驗(yàn)值等參數(shù)建議值表 表1

樁側(cè)摩阻力、端阻力建議值表 表2

6.2 樁端持力層選擇及樁長選擇

根據(jù)本場地地質(zhì)條件，選擇（4-1）中風(fēng)化巖和（4-2）微風(fēng)化巖為樁端持力層，以10#樓為例，有效樁長為6.0m～21.0m。

6.3 樁徑設(shè)計(jì)

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中9.2.1條要求，設(shè)計(jì)樁徑宜取350～600mm，樁徑過小，施工量不容易控制；樁徑過大，需加大褥墊層厚度才能保證樁土共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載。根據(jù)施工工藝及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取設(shè)計(jì)樁徑為500mm。經(jīng)后期計(jì)算可以滿足復(fù)合地基的承載力要求。

6.4 樁間距

按照規(guī)范，樁間距取3～5倍樁徑，具體樁間距根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定。

6.5 單樁豎向承載力特征值估算

up—樁的周長；

qsi—樁周第i層土的側(cè)摩阻力特征值（kPa），可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；

lpi—樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；

αp—樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；

qp—樁端阻力特征值（kPa），可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。

6.6 復(fù)合地基承載力特征值估算

式中：λ—單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值；

Ra—單樁豎向承載力特征值（kN）；

Ap—樁的截面積（m2）；

β—樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值；

fsk—處理后樁間天然土承載力特征值（kPa），可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。

本工程CFG樁復(fù)合地基的樁徑選取為500mm，有效樁長為6.0m。樁的周長up=π×0.5m=1.5708m。按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）有關(guān)規(guī)定qsi和qp的取值可按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值選取，代入數(shù)值經(jīng)計(jì)算Ra的值為631kN，取630kN進(jìn)行計(jì)算。

6.7 有粘結(jié)強(qiáng)度復(fù)合地基增強(qiáng)體樁身強(qiáng)度

fcu—樁體混合料試塊（邊長150mm立方體）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d立方體抗壓強(qiáng)度平均值(kPa)。

由上文知10#樓的Ra=630kPa，因而得=3×0.63÷0.1963=9.6（MPa）。所以材料強(qiáng)度可取為C20。

6.8 面積置換率

根據(jù)勘察結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)，工程場地內(nèi)CFG樁采用矩形布樁形式。根據(jù)公式：

令S1=1.95m，S2=1.55m，代入上式得面積置換率m=6.477%。

6.9 樁數(shù)

式中：A——基礎(chǔ)面積，A＝1454.00（m2），則

由于實(shí)際布樁存在個(gè)別差異，所以應(yīng)布樁464根。

6.10 沉降計(jì)算

6.10.1 沉降計(jì)算理論

CFG樁的復(fù)合地基變形S包括三部分，即加固土體的壓縮變形、下臥層變形、褥墊層變形。由于褥墊層變形小，一般忽略不計(jì)。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）5.3.5式計(jì)算最終變形量

式中，s——地基最終變形量（mm）；

s′——按分層總和法計(jì)算出的地基變形量（mm）；

ψs——沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，見如下表格。

沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)ψs

式中：Ai——附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值。

式中：n——地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)，其中1-n0位于復(fù)合土層內(nèi)i-n0+1位于下臥層內(nèi)，計(jì)算時(shí)將第⑨層作為下臥層計(jì)算；

Epsi——各土層的壓縮模量（MPa）；

p0——基底附加應(yīng)力（kPa）。

按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）表5.3.4建筑物的地基變形允許值的要求，本工程最終沉降量小于40mm，符合要求。

6.10.2 CFG樁復(fù)合土層壓縮模量

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）第9.2.8條，CFG樁復(fù)合土層的分層與天然地基相同，各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ倍，即：

復(fù)合土層壓縮模量一覽表

6.10.3 沉降計(jì)算示例

①本工程剛性樁持力層為中(微)風(fēng)化巖，按《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 6-38-2011）第5.4.3條計(jì)算沉降，以5棟為例。

pk=280kPa

b=15m

L/b=36/15=2.4

查表 5.4.4-1，Zm=12.45，ξ=0.51

查表 5.4.4-1，β=0.5

Zn=（Zm+ξb）β=10.05

查表 5.4.3，η=0.9

根據(jù)附錄C中表C，δ1=0.34

與靜載試驗(yàn)沉降結(jié)果相符。

②按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（廣東省標(biāo)準(zhǔn)）（DBJ 15-38-2005）第11.2.9條計(jì)算沉降，仍以5棟為例，結(jié)合本工程地質(zhì)特點(diǎn)，樁變形大于樁間土的變形，樁變形量計(jì)算如下。

可以看出，兩種計(jì)算方法結(jié)果基本接近，與靜載試驗(yàn)和后期的沉降觀測結(jié)果也基本一致，可用于剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)的沉降估算。

6.11 褥墊層的設(shè)計(jì)

褥墊在復(fù)合地基中有著很重要的作用。由級配砂石、粗砂、碎石等散體材料組成的褥墊，在復(fù)合地基中有如下幾種作用。

①保證樁、土共同承擔(dān)荷載。褥墊層的設(shè)置為CFG樁復(fù)合地基在受荷后提供了樁上、下刺入的條件，即使樁端落在好土層上，至少可以提供上刺入條件，以保證樁間土始終參與工作。

②減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中的作用。

③褥墊層厚度可以調(diào)整樁土垂直荷載分擔(dān)比。

④褥墊層厚度可以調(diào)整樁土水平荷載分擔(dān)比。

按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2002）第9.2.2條要求，該工程褥墊層厚度取300mm厚，采用級配碎石墊層，比例為碎石（1～2cm）：石屑∶中粗砂∶水=5∶3∶1∶1，應(yīng)分層夯實(shí)，夯填度不大于0.9。

7 結(jié)論

在目前城市用地緊張的情況下，在不良場地上建造構(gòu)筑物就在所難免，地基處理便顯得尤為重要。復(fù)雜的工程地質(zhì)條件、越來越大的建（構(gòu)）筑物規(guī)模都對地基提出了日益嚴(yán)格的要求。CFG樁復(fù)合地基由于發(fā)揮了樁間土的作用，因此得到了廣泛的應(yīng)用。