某框架結(jié)構(gòu)工程獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

慶彥營，楊敬堂，閻榮雷，王曉杰

1.河南省朝陽建筑設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450000

2.鄭州經(jīng)開投資發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450000

常規(guī)的CFG樁復(fù)合地基較多用于筏板基礎(chǔ)，一般按滿堂樁布置，上鋪一定厚度的褥墊層，采用一致的樁間距和統(tǒng)一的置換率，計(jì)算出固定的復(fù)合地基承載力和壓縮模量。當(dāng)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)，由于基礎(chǔ)是局部的，其形狀直接影響到樁的布置形式，每個(gè)基礎(chǔ)下的CFG樁實(shí)際的置換率會(huì)有不同，應(yīng)將其與筏基設(shè)計(jì)相區(qū)分?；诖?，文章結(jié)合某框架工程，研究獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基合理的一體化設(shè)計(jì)方式，并歸納總結(jié)其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 工程概況

某框架結(jié)構(gòu)公寓樓有地上9層，無地下室，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類?；A(chǔ)采用CFG樁復(fù)合地基+獨(dú)立基礎(chǔ)的形式。典型結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示，其最不利孔點(diǎn)地質(zhì)土層參數(shù)如表1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖（單位：mm）

表1 最不利孔點(diǎn)地質(zhì)土層參數(shù)表

2 復(fù)合地基常規(guī)計(jì)算

結(jié)合基礎(chǔ)埋深、柱底壓力及土層情況，并選取不利孔點(diǎn)，依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79—2012）（以下簡稱《地基處理規(guī)范》）進(jìn)行復(fù)合地基承載力計(jì)算。樁端持力層選取第5層粉質(zhì)黏土，有效樁長13m，單樁豎向承載力特征值為450kN；基底標(biāo)高-2.400，基底持力層為第1層土，經(jīng)驗(yàn)算下臥層，以105kPa作為天然地基承載力特征值。選取不同的樁間距分別計(jì)算復(fù)合地基承載力特征值，如表2所示。

表2 不同樁間距復(fù)合地基承載力特征值

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

考慮經(jīng)濟(jì)性，以1.2m樁間距的復(fù)合地基承載力351kPa進(jìn)行獨(dú)立基礎(chǔ)面積的計(jì)算，以6軸交A軸、B軸的兩個(gè)框柱基礎(chǔ)為例，分別命名為獨(dú)立基礎(chǔ)1和獨(dú)立基礎(chǔ)2，地基荷載及常規(guī)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 地基荷載及常規(guī)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正方形獨(dú)立基礎(chǔ)及CFG樁的布置，如圖2所示，樁間距為1.2m，邊樁中心距基礎(chǔ)邊不大于0.6m，滿足復(fù)合地基預(yù)設(shè)承載力條件。

通過進(jìn)一步梳理對比可以發(fā)現(xiàn)，獨(dú)立基礎(chǔ)1和獨(dú)立基礎(chǔ)2的差別較大，主要在于邊樁與基礎(chǔ)邊的距離不同。按照常規(guī)復(fù)合地基承載力計(jì)算理論，采用CFG樁平均置換率，復(fù)合地基承載力與基礎(chǔ)面積無關(guān)。然而，由于獨(dú)立基礎(chǔ)面積較小，若要嚴(yán)格按照面積置換率的要求，邊樁與基礎(chǔ)邊的距離應(yīng)為樁間距的50%，以上述獨(dú)立基礎(chǔ)1和獨(dú)立基礎(chǔ)2為例，獨(dú)立基礎(chǔ)1基礎(chǔ)四周輪廓需外擴(kuò)0.05m，獨(dú)立基礎(chǔ)2需外擴(kuò)0.35m，才能與實(shí)際采用的復(fù)合地基承載力相符，但是這會(huì)加大獨(dú)立基礎(chǔ)面積，造成浪費(fèi)。因此，為了避免此問題，進(jìn)行獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基計(jì)算時(shí)，應(yīng)采取以基底全面積為基數(shù)的置換率計(jì)算方式，單個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁置換率可根據(jù)下式計(jì)算：

此外，可以將《地基處理規(guī)范》中復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算公式等代為

式中：m為CFG樁置換率；S為獨(dú)立基礎(chǔ)基底面積，m2；N為獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁數(shù)；Ap為樁的截面積，m2；fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kN。

根據(jù)該方法，獨(dú)立基礎(chǔ)1和獨(dú)立基礎(chǔ)2在圖2的布置情況下的實(shí)際復(fù)合地基承載力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)際復(fù)合地基承載力計(jì)算結(jié)果

從表4可知，實(shí)際復(fù)合地基承載力計(jì)算得出的承載力明顯大于原計(jì)算方法采用的承載力，此時(shí)采用地基與基礎(chǔ)相互關(guān)聯(lián)的一體化設(shè)計(jì)思維，反向?qū)?fù)合地基進(jìn)行優(yōu)化修改。以獨(dú)立基礎(chǔ)1為例，將基礎(chǔ)底面積進(jìn)行更改，復(fù)合地基承載力特征值及地基壓力變化如圖3所示。

圖3 獨(dú)立基礎(chǔ)1復(fù)合地基承載力特征值及地基反力變化

由圖3可知，在樁數(shù)不減少且保證布置在基礎(chǔ)下時(shí)，獨(dú)立基礎(chǔ)平面尺寸均能滿足地基承載力設(shè)計(jì)要求。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基承載力計(jì)算時(shí)，大部分承載力由樁提供，樁間土提供的承載力占比僅為25%左右?；诖?，進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基獨(dú)立基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用類似樁基礎(chǔ)和承臺的設(shè)計(jì)方式，先根據(jù)柱底壓力測算獨(dú)立基礎(chǔ)下大約需要幾根樁，然后根據(jù)樁數(shù)量確定樁間距及獨(dú)立基礎(chǔ)尺寸，考慮覆土后按前述置換率等計(jì)算方式，驗(yàn)算復(fù)合地基承載力對地基尺寸進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)行多次的相互驗(yàn)算修正。CFG樁可布置成矩形也可以布置成梅花形，樁間距應(yīng)盡量做到均勻，基礎(chǔ)也可設(shè)計(jì)為矩形或多邊形，如圖4所示。根據(jù)此方式對獨(dú)立基礎(chǔ)1和獨(dú)立基礎(chǔ)2進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定基于承載力的獨(dú)立基礎(chǔ)及CFG樁布置如圖5所示。其中，獨(dú)立基礎(chǔ)1承載力特征值和地基反力分別為420kPa、394kPa，獨(dú)立基礎(chǔ)2分別為410kPa、400kPa。

圖4 CFG及獨(dú)立基礎(chǔ)布置方式

圖5 獨(dú)立基礎(chǔ)1及獨(dú)立基礎(chǔ)2平面圖2（單位：mm）

4 基礎(chǔ)沉降驗(yàn)算

由于該工程為高層建筑，部分相鄰柱荷載相差較大，需按規(guī)范要求控制相鄰柱基沉降差，進(jìn)行復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行變形控制。

根據(jù)《地基處理規(guī)范》，復(fù)合土層的壓縮模量=該土層原壓縮模量×壓縮模量提高系數(shù)ζ，其中系數(shù)ζ為復(fù)合地基承載力特征值與基礎(chǔ)下天然地基承載力的比值。計(jì)算得出ζ獨(dú)立基礎(chǔ)1=4.0，ζ獨(dú)立基礎(chǔ)2=3.9，沉降計(jì)算深度算至第 6層土，滿足規(guī)范變形深度計(jì)算要求，采用分層總和法進(jìn)行獨(dú)立基礎(chǔ)沉降計(jì)算，結(jié)果如表5所示，滿足規(guī)范相關(guān)要求。由此可見，獨(dú)立基礎(chǔ)1和獨(dú)立基礎(chǔ)2的設(shè)計(jì)符合要求。

表5 沉降計(jì)算結(jié)果

當(dāng)獨(dú)立基礎(chǔ)不滿足沉降控制要求時(shí)，應(yīng)對地基基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，按變形控制進(jìn)行復(fù)合地基的設(shè)計(jì)。相鄰柱底荷載相差較大時(shí)，在荷載較大的獨(dú)立基礎(chǔ)下可通過加長或加密CFG樁的布置方式，使獨(dú)立基礎(chǔ)變形量和變形差異在規(guī)范允許范圍內(nèi)?；讵?dú)立基礎(chǔ)的特點(diǎn)，變形控制應(yīng)作為獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要方式，這樣可有效提升設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

通過對獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的實(shí)例分析，可得出以下結(jié)論：

（1）獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁置換率應(yīng)采用以基底面積為基數(shù)的計(jì)算方式，采用地基與基礎(chǔ)相互關(guān)聯(lián)的一體化設(shè)計(jì)思維，互相驗(yàn)算修改，直到取得合理的結(jié)果；

（2）初步設(shè)計(jì)時(shí)可采用類似樁基承臺的設(shè)計(jì)方式確定樁數(shù)量，然后進(jìn)一步進(jìn)行復(fù)合地基的計(jì)算；

（3）不同獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁布置時(shí)可采用梅花形、正方形、矩形、多邊形等不同的方式；

（4）優(yōu)先選用最小樁間距的布置方式；

（5）基礎(chǔ)變形控制是獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要方式，不同的獨(dú)立基礎(chǔ)下CFG樁布置可以采用不同的樁長及樁間距。