CFG 樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)及載荷試驗(yàn)研究

倪先棟

（河北齊榮工程設(shè)計(jì)服務(wù)有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

1 引言

為了減小建筑結(jié)構(gòu)的占地面積，緩解地面交通，高層建筑的設(shè)計(jì)施工也逐年增多。相較于普通建筑結(jié)構(gòu)而言，高層建筑的荷載較大、設(shè)計(jì)難度較大，一般對(duì)地基承載力、沉降量等方面的控制也更加嚴(yán)格，從而使得選擇經(jīng)濟(jì)、合理、可行的地基處理方案成為保證整個(gè)建筑項(xiàng)目安全性的重要前提之一【1】。在城市高層建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，地基處理設(shè)計(jì)是重中之重，反之，如果地基處理方案設(shè)計(jì)不合理，往往會(huì)引起設(shè)計(jì)返工、設(shè)計(jì)質(zhì)量下降、工期推遲等問(wèn)題。相關(guān)學(xué)者研究表明【2】，傳統(tǒng)的地基處理措施（如換填、強(qiáng)夯等）無(wú)法提高高層建筑的結(jié)構(gòu)性能，而樁基礎(chǔ)雖能滿足要求，但其造價(jià)高，工期長(zhǎng)。因此，為了城市建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量，推動(dòng)我國(guó)城市整體建設(shè)水平，研究CFG 樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)及載荷試驗(yàn)具有十分重大的工程意義。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該建筑工程屬框架-剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅，設(shè)計(jì)使用年限為50a，建筑結(jié)構(gòu)包括地上28 層，地下2 層，總高度為96m，其中建筑場(chǎng)地復(fù)雜程度和地基復(fù)雜程度均為二級(jí)。

2.2 地層信息

對(duì)根據(jù)地勘鉆探、現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)、理論公式推導(dǎo)的數(shù)據(jù)展開(kāi)了詳細(xì)的分析，將該建筑場(chǎng)地范圍內(nèi)的地基土共劃分為6層，各層土的名稱和物理力學(xué)參數(shù)如下：①層為雜填土，其密度 1 387kg/m3、彈性模量 24MPa、黏聚力 38kPa、內(nèi)摩擦角 22°；②層、③層為粉質(zhì)黏土，其密度1 875kg/m3、彈性模量21MPa、黏聚力30kPa、內(nèi)摩擦角26°；④層為粉細(xì)砂，其密度1 875kg/m3、彈性模量30MPa、內(nèi)摩擦角25°；⑤層為粉質(zhì)黏土，其密度1 875kg/m3、彈性模量 21MPa、黏聚力 30kPa、內(nèi)摩擦角 26°；⑥層為黏土，其密度2 200kg/m3、彈性模量30MPa、黏聚力25kPa、內(nèi)摩擦角 25°。

3 CFG 樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

3.1 樁徑、樁間距確定

查閱相關(guān)規(guī)范得到，CFG 樁的樁徑宜選擇在350～600mm。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知：如果CFG 樁的樁徑過(guò)小會(huì)對(duì)控制質(zhì)量產(chǎn)生一定程度的不利影響；CFG 樁的樁徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)高，且無(wú)法確保樁土協(xié)調(diào)，故將CFG 樁樁徑定為450mm。

在其他控制因素均相同時(shí)，隨著樁間距的減小，CFG 樁承載性能會(huì)不斷改善。如果樁間距小于3 倍樁徑時(shí)，CFG 樁承載力的增長(zhǎng)速率可能出現(xiàn)一定程度的降低。因此，通過(guò)綜合考慮CFG 樁承載力、施工工藝、工程造價(jià)等因素，確定CFG 樁按照正三角形布置、樁間距為4 倍樁徑大小，即樁間距取1.8m，

3.2 樁端承載力選取

CFG 樁一般要求樁的底端處在承載性能較好的穩(wěn)定土層之上。按照該項(xiàng)目的巖土工程勘察報(bào)告，選?、輰臃圪|(zhì)黏土作為CFG 樁的持力層，且在施工過(guò)程中必須確保CFG 樁的底端進(jìn)入該層的深度最低為2.5m。

3.3 面積置換率估算

CFG 樁土復(fù)合地基的面積置換率是指豎向增強(qiáng)體的橫斷面積與其所承擔(dān)的復(fù)合地基面積的比值【3】，可通過(guò)式（1）來(lái)計(jì)算：

式中，d 為樁的直徑，m，de為樁的等效直徑，m。

代入數(shù)據(jù)可得，該項(xiàng)目CFG 樁的面積置換率為0.045。

3.4 地基承載力計(jì)算及修正

在開(kāi)展CFG 樁土設(shè)計(jì)時(shí)，單樁承載力特征值可參考當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。若無(wú)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可利用式（2）來(lái)估算：

式中，λ 為CFG 樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.85；β 為樁間土發(fā)揮系數(shù)，取 0.85；Ra為單樁承載力，kN；Ap為單樁面積，m2；fsk為處理后樁間土的承載能力，取265kPa。代入數(shù)值可計(jì)算出CFG 樁承載力為740kPa，符合規(guī)范要求。

按照式（2）得到的CFG 樁承載力特征值不能直接使用，需要進(jìn)行一定程度的修正。根據(jù)規(guī)范要求，CFG 樁土承載力應(yīng)當(dāng)不做寬度修正（修正系數(shù)取0），基礎(chǔ)埋置深度的修正系數(shù)取1。

4 CFG 樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)

4.1 單樁豎向靜壓試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)的理論依據(jù)是JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，加載方式是快速堆載，最大試驗(yàn)荷載取單樁豎向承載力特征值的2 倍（1 480kPa）。根據(jù)基樁檢測(cè)規(guī)范可知，每級(jí)荷載加載后，間隔15min 要記錄樁頂沉降變形值，每級(jí)荷載至少維持60min。與此同時(shí)，CFG 樁在卸載回彈過(guò)程中，每級(jí)荷載維持至少15min。

4.2 荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

CFG 樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)得到了加載和卸載過(guò)程中每級(jí)荷載下的樁頂位移及累計(jì)位移，如表1 所示。

表1 CFG 樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)表1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果，利用origin 軟件繪制了不同荷載作用下樁的變形量，得到的Q-S 曲線如圖1 所示。

圖1 不同荷載大小下CFG 樁樁頂?shù)某两抵?/p>

單樁豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，加載階段：CFG 樁樁頂變形量會(huì)隨著荷載的增加而增加，且增加速率逐漸加快【4】。當(dāng)試驗(yàn)最大荷載達(dá)到1 480kN 時(shí)，CFG 樁樁頂累計(jì)沉降最大值達(dá)到10.95mm，且該級(jí)荷載下樁頂變形值為2.35mm；卸載回彈階段：CFG 樁在卸載為0 時(shí)，其樁頂變形回彈量為5.22mm，變形回彈率達(dá)到了47.7%，樁頂殘余變形量為5.73mm，且在最后一級(jí)卸載時(shí)沉降量回彈速率最大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托河北省某高層住宅結(jié)構(gòu)的建設(shè)場(chǎng)地，并參考相關(guān)規(guī)范，針對(duì)CFG 樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)參數(shù)、關(guān)鍵點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)等方面展開(kāi)了探討，得到了CFG 樁樁徑、樁間距依次為450mm、1.8m、面積置換率是0.045，計(jì)算出CFG 樁承載力為740kPa。同時(shí)，采用快速堆載法針對(duì)CFG 樁開(kāi)展了單樁豎向靜壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，CFG 樁樁頂變形量會(huì)隨著荷載的增加而增加，且CFG 樁復(fù)合地基在卸載達(dá)到0 時(shí)，樁頂?shù)某两盗繙p小速率最大，其變形回彈率能達(dá)到47.7%。研究成果可以為類似建筑項(xiàng)目的CFG 樁地基處理設(shè)計(jì)提供工程指導(dǎo)。