CFG復(fù)合地基在巖溶地區(qū)某高層建筑中的應(yīng)用

黃佳銘，張慶華，陳凌偉

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510000)

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目C1～C8組團(tuán)位于廣州芳村大道珠江大橋邊，建筑物包括8棟住宅樓，塔樓部分?jǐn)M建地上33層，地下2層，裙樓部分地下2層，地上無(wú)建筑，框剪結(jié)構(gòu)。其中C6、C7棟建筑原采用沖孔灌注樁作為基礎(chǔ)方案，樁徑為 1.0 m～2.4 m，樁端持力層為溶洞底面以下的微風(fēng)化泥巖或灰?guī)r，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)普遍超過 35.0 m，局部達(dá) 40.0 m以上，同時(shí)基巖以上覆蓋層分布有兩層砂層及局部土洞，導(dǎo)致原始基礎(chǔ)方案施工時(shí)頻繁發(fā)生塌孔與漏漿等情況，施工無(wú)法正常推進(jìn)。經(jīng)反復(fù)計(jì)算論證，將基礎(chǔ)方案改用為筏板+高強(qiáng)度CFG復(fù)合地基方案。

2 工程地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地屬珠江沖積階地，地面平坦。場(chǎng)地第四系覆蓋層主要為人工填土、沖積而成的淤泥質(zhì)土、砂層、粉質(zhì)黏土以及殘積土，下伏白堊系和三疊系沉積巖，基巖主要為灰?guī)r、泥巖。場(chǎng)地在勘探期間地下水位埋深 1.9 m～2.3 m，中粗砂和礫石層位強(qiáng)透水層，地下水豐富且與珠江水系存在強(qiáng)烈的水力聯(lián)系。場(chǎng)地巖溶具有以下特點(diǎn)：淺覆蓋巖溶區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育；全區(qū)見灰?guī)r鉆孔214個(gè)，遇巖溶洞隙鉆孔165個(gè)，遇洞率75.7%。線巖溶率28.64%，最大洞高 10.6 m，平均約 2.01 m；溶洞在垂向上分布形成多層洞穴，局部發(fā)育出現(xiàn)4、5層洞穴，受巖性控制，發(fā)育主導(dǎo)方向?yàn)槟媳毕?，并相互?lián)通，在平面上形成網(wǎng)絡(luò)狀巖溶、裂隙管道；巖溶洞穴頂板特征：頂板厚度小于 1 m的占31.4%，頂板厚度 1 m～3 m的占37.9%，頂板厚度 3 m～5 m的占15.7%，其中不足 3 m的達(dá)到了69.3%，溶洞頂板過薄是其主要特征；洞穴充填率77.8%，主要為流塑狀粉質(zhì)黏土，且處于不穩(wěn)定狀態(tài)，工程上難以利用；溶洞受珠江水強(qiáng)烈影響，向珠江排泄，珠江水倒灌作用隨季節(jié)變化明顯。

3 CFG復(fù)合地基方案設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路[3]如下：

(1)采用CFG樁復(fù)合地基，通過調(diào)節(jié)CFG樁樁長(zhǎng)、入巖深度、樁間距及布樁形式，提高復(fù)合地基承載力，使其達(dá)到上部荷載設(shè)計(jì)要求。對(duì)于局部基巖埋深較淺的區(qū)域，采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，如檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)CFG單樁承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則采用微型鋼管樁穿越溶洞，作加強(qiáng)處理。

(2)通過灌砂、壓漿等方式對(duì)基礎(chǔ)底部溶(土)洞進(jìn)行充填，保證復(fù)合地基下伏巖溶的穩(wěn)定性。

(3)在筏板與復(fù)合地基之間設(shè)置褥墊層，通過調(diào)節(jié)褥墊層厚度和密實(shí)度，最大限度利用筏板底部土層的天然地基承載力，并協(xié)調(diào)沖孔樁與CFG樁之間的差異變形。

(4)在各種基礎(chǔ)形式之間設(shè)置沉降縫與后澆帶，調(diào)節(jié)不同基礎(chǔ)之間的差異沉降，并做好地下室防水與排水設(shè)計(jì)。

3.2 分區(qū)計(jì)算承載力

本工程基坑開挖深度約10 m，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)要求，CFG樁復(fù)合地基根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載不同分為5個(gè)區(qū)，如圖2所示。其中1～3區(qū)筏板厚度 1.8 m，依據(jù)建筑荷載計(jì)算基底反力分別為 450 kPa、500 kPa和 550 kPa，4區(qū)和5區(qū)筏板厚度 2.2 m，基底反力分別為 550 kPa和 600 kPa。

圖1 按照上部荷載分區(qū)的筏板圖

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2002)[4]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)[5]要求，地基承載力修正公式：fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)，經(jīng)過上述公式反算之后，未經(jīng)修正之前的復(fù)合地基承載力特征值fak，如表1所示。

復(fù)合地基修正之前的承載力分區(qū)表 表1

3.3 確定CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目采用φ400素混凝土灌注樁作為CFG復(fù)合地基受力樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20；1～4區(qū)荷載相對(duì)較小，CFG樁樁端要求進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖不小于 2 m或進(jìn)入中風(fēng)化巖，5區(qū)荷載要求較大，CFG樁樁端要求進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化不小于 3 m或進(jìn)入中風(fēng)化巖，各層巖土層參數(shù)取值如表2所示。

巖土參數(shù)取值表 表2

(1)確定單樁承載力與樁長(zhǎng)

CFG樁的單樁承載力特征值Ra，根據(jù)表2的樁側(cè)土與樁端巖土的性質(zhì)與參數(shù)，按公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ra-單樁承載力特征值；

up-樁的周長(zhǎng)(m)；

n-樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

qsi-樁周第i層土的側(cè)阻力特征值(kPa)；

qp-樁端端阻力特征值(kPa)；

li-第i層土厚度(m)；

Ap-樁截面積(m2)。

由于本場(chǎng)巖面起伏很大，根據(jù)鉆孔土層情況進(jìn)行計(jì)算，在每個(gè)區(qū)選取多個(gè)鉆孔進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)CFG樁端落于灰?guī)r表面時(shí)，考慮到CFG成樁時(shí)的尖位作用，即樁端與石灰?guī)r不一定全接觸，端阻力特征值硬可塑的端阻力設(shè)計(jì)值取 600 kPa。本項(xiàng)目場(chǎng)地的基巖面變化較大，根據(jù)每個(gè)區(qū)域計(jì)算得到的單樁承載力平均值和最小值，綜合分析后確定最終的單樁承載力特征值，如表3所示。

各區(qū)CFG樁單樁承載力取值 表3

根據(jù)勘察資料計(jì)算的CFG樁單樁承載力基本滿足要求，但2區(qū)、3區(qū)和4區(qū)覆蓋層較淺區(qū)域，個(gè)別鉆孔計(jì)算的CFG樁單樁承載力特征值計(jì)算結(jié)構(gòu)略低于上述設(shè)定值(約占場(chǎng)地全部鉆孔數(shù)量的6%～8%)，可通過筏板調(diào)節(jié)共同發(fā)揮作用。如現(xiàn)場(chǎng)單樁承載力檢測(cè)結(jié)果大于各區(qū)單樁承載力特征值的15%，可采用微型鋼管樁局部進(jìn)行加固處理。

(2)確定樁身強(qiáng)度

樁體試塊抗壓強(qiáng)度平均值應(yīng)滿足下式要求：

(3)確定置換率和樁間距

地基承載力特征值計(jì)算公式如下：

式中：fspk-復(fù)合地基承載力特征值(kPa)；

m-面積置換率；

β-樁間土承載力折減系數(shù)，取0.85；

fsk-處理后樁間土承載力特征值。

CFG樁的置換率可以根據(jù)上式進(jìn)行反算得，見下式：

1區(qū)采用正方形布樁，樁間距的計(jì)算公式為：

2～5區(qū)采用等邊三角形布樁，樁間距的計(jì)算公式為：

式中：s-樁間距(m)；

d-樁徑(m)。

計(jì)算結(jié)果如表4所示。

各區(qū)置換率與樁間距計(jì)算結(jié)果 表4

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，確定實(shí)際所用1區(qū)～5區(qū)CFG樁間距為 1.00 m，其中1區(qū)按正方形布置，2區(qū)～5區(qū)按等邊三角形布置，其中各區(qū)實(shí)際的置換率與符合地基承載力均滿足要求。

3.4 復(fù)合地基沉降計(jì)算

按照廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(DBJ 15-38-2005)[6]要求，將褥墊層的壓縮變形，樁端下臥層的壓縮變形，樁長(zhǎng)范圍內(nèi)樁間土的壓縮變形，分開計(jì)算。

(1)褥墊層變形計(jì)算

式中：Sp1-樁頂與基礎(chǔ)間褥墊層的壓縮變形(mm)；

hco-褥墊層厚度(250mm)；

Epo-墊層變形模量(35MPa)。

(2)樁身及樁端下臥層變形計(jì)算

式中：Sp2-樁身與樁端土層的變形量(mm)；

Pp0-樁頂壓應(yīng)力(kPa)；

qpa-樁底持力層阻力(MPa)；

d-樁徑(m)；

l-樁長(zhǎng)(m)；

E0-樁端持力層的變形模量，強(qiáng)風(fēng)化巖取 60 MPa；

EC-樁身彈性模量，按C20混凝土取 25 500 MPa。

(3)樁間土層的變形計(jì)算

式中：Sp3-樁間土層變形(mm)；

ψs-沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

n-地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

Po-基礎(chǔ)地面附加壓力(kPa)；

Esi-第i分層土的壓縮模量(MPa)；

Zi、Zi-1-基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土地面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)；

由于本場(chǎng)地基巖埋深較淺，在計(jì)算深度范圍內(nèi)，Zn取至基巖表面。根據(jù)超前鉆探報(bào)告，地基壓縮土包括第2-3層粉質(zhì)黏土，基底以下平均厚度 1.0 m；第2-5層礫砂，基底以下平均厚度 5.4 m；第3層粉質(zhì)黏土，基底以下平均厚度 3.8 m。第4-1層強(qiáng)風(fēng)化泥巖，基底以下厚度取 5.0 m，變形計(jì)算結(jié)果如表5所示。

各區(qū)樁與樁間土變形計(jì)算結(jié)果 表5

樁變形與樁間土變形兩種計(jì)算方法結(jié)果不一致且誤差不超過30%的時(shí)候，取計(jì)算結(jié)果的大值，綜合進(jìn)行分析，本工程基礎(chǔ)計(jì)算的總沉降約為(27.5 mm～33.0 mm)，最大沉降差異為 4.5 mm。

3.5 溶洞處理

根據(jù)地勘資料，溶洞頂板分為中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖兩種，本文對(duì)溶洞頂板的抗沖切進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式與過程如下所述：

Fl≤βhpβ0μmfth0

式中：Fl-在荷載效應(yīng)基本組合下作用于沖切破壞錐體上的沖切力設(shè)計(jì)值(kN)，此處取基樁單樁承載力；

βhp-巖體受沖切承載力截面高度影響系數(shù)；

μm-巖體沖切破壞錐體一半有效高度處的周長(zhǎng)(m)；

h0-巖體沖切破壞錐體的有效高度(m)；

β0-沖切系數(shù)；

λ-沖垮比，計(jì)算時(shí)取1.0。

具體計(jì)算：

βhpβ0μmfth0=0.97×0.7×1.256×0.577×103×1.2=590.50 kN>Fl=410 kN

經(jīng)過計(jì)算可知，CFG單樁穩(wěn)定的前提是灰?guī)r頂板達(dá)到 0.8 m～1.2 m左右的厚度，而要保證復(fù)合地基的穩(wěn)定性，下伏基巖應(yīng)具有更大的穩(wěn)定厚度。實(shí)際上，本場(chǎng)地巖溶極其發(fā)育，鷹嘴巖、溶溝、溶洞等巖溶現(xiàn)象發(fā)育，且?guī)r體構(gòu)造裂隙發(fā)育，完整性差，在多樁復(fù)合作用下，特別是上覆土層厚度較少，樁側(cè)阻力發(fā)揮不足時(shí)，樁端阻力將增大，樁端巖體的穩(wěn)定性難以直接可靠評(píng)估。本項(xiàng)目根據(jù)廣州地區(qū)一些成功的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)頂板厚度小于 3.0 m的溶洞，全部進(jìn)行了注漿加固處理。

3.6 復(fù)合地基與鉆孔樁基之間沉降差的處理

現(xiàn)場(chǎng)有少量已經(jīng)施工完成的沖孔灌注樁，直徑為 1.0 m～2.4 m，主要分布在5區(qū)，通過采用不同厚度褥墊層來(lái)協(xié)調(diào)沖孔灌注樁基與復(fù)合地基之間的沉降差[7]。已施工沖孔樁處使用 500 mm厚的3∶3∶4級(jí)配砂石褥墊層，其他區(qū)域采用 250 mm厚的3∶3∶4級(jí)配砂石褥墊層[8]。計(jì)算時(shí)依照樁土應(yīng)力比確定沖孔樁的單樁所能發(fā)揮的承載力大小，與復(fù)合地基褥墊層的變形量初步確定軟墊層厚度，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，CFG樁、沖孔樁與筏板連接大樣如圖2所示。

圖2CFG樁、沖孔樁與筏板連接大樣

4 現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

本項(xiàng)目共布置10個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，筏板南側(cè)與北側(cè)跨度大，如有差異沉降將在筏板邊緣位置體現(xiàn)較為明顯，各布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，中間兩處核心筒位置各布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，關(guān)注不同荷載下筏板的變形協(xié)調(diào)能力，詳細(xì)位置如圖3所示。監(jiān)測(cè)頻率以大樓工期為準(zhǔn)，每新建一層監(jiān)測(cè)一次，封頂后繼續(xù)監(jiān)測(cè)，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定，共觀測(cè)了41期，獲取的沉降數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得知，本工程主體建筑的變形量在 7.68 mm～9.43 mm，為原計(jì)算沉降的28%左右，原因是設(shè)計(jì)時(shí)考慮的是CFG樁承載力達(dá)到極限，但現(xiàn)實(shí)上部荷載經(jīng)過褥墊層的調(diào)節(jié)，樁間土承擔(dān)了一部分的荷載，使得作用在樁的荷載減小，因而變形量小。最大差異沉降僅為 1.75 mm，筏板與褥墊層協(xié)調(diào)變形能力充分體現(xiàn)，這使得建成之后建筑沉降處于合理可控范圍。

圖4 C6-1～C6-5監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量

圖5 C7-1～C7-5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量

5 結(jié) 論

通過本高層建筑中CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

(1)本場(chǎng)地覆蓋層砂層厚，土洞發(fā)育，且淺層基巖巖溶發(fā)育，原始的灌注樁基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)過長(zhǎng)，施工時(shí)易導(dǎo)致塌孔及漏漿等情況，甚至?xí)l(fā)地面塌陷，并不適應(yīng)本場(chǎng)地。

(2)CFG樁復(fù)合地基克服了灌注樁施工時(shí)出現(xiàn)的塌孔漏漿等不良情況，并且在保證施工可行性的前提下，具有地基承載力高的特點(diǎn)，承載力特征值可達(dá) 410 kPa～560 kPa，能滿足一般高層建筑對(duì)地基承載力的要求。

(3)CFG樁端落于灰?guī)r表面，不需要穿過多層溶洞，僅須對(duì)灰?guī)r表面以下溶洞頂板小于 3.0 m的溶洞進(jìn)行處理即可保證CFG樁的單樁穩(wěn)定性，大大減小溶洞注漿處理的量。

(4)通過對(duì)建筑主體沉降數(shù)據(jù)的分析，建筑變形沉降為 7.68 mm～9.43 mm，最大差異沉降僅為 1.75 mm，滿足了一般高層建筑對(duì)變形的要求，也驗(yàn)證了褥墊層能有效調(diào)節(jié)地基變形。

綜上所述，CFG樁復(fù)合地基對(duì)于覆蓋層較厚且難以獲取穩(wěn)定基巖持力層的場(chǎng)地具有良好的適用性。樁體材料價(jià)格低、施工方便、節(jié)省投資，是一種較理想的基礎(chǔ)方案，具有廣闊的推廣前景。