CFG樁復(fù)合地基在北京運(yùn)河灣高層建筑中的沉降研究*

趙俊蘭，武君磊，張建偉

（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

0 引言

CFG樁，又稱(chēng)為水泥粉煤灰碎石樁，是由碎石、石屑、砂、粉煤灰等摻水泥后制成的可變強(qiáng)度樁。復(fù)合地基由樁體、樁間土和褥墊層3部分所組成，主要由樁間土和樁共同承擔(dān)上部荷載，他們與上部荷載之間通過(guò)褥墊層（碎石或砂石墊層）來(lái)過(guò)渡。由于CFG樁一般不用加入配筋，并且還可利用工業(yè)廢料等作為摻和料，大大降低了工程造價(jià)。CFG樁復(fù)合地基的適用范圍很廣，在全國(guó)各種砂土、粉土、黏土、淤泥質(zhì)土、雜填土等土質(zhì)的地基中均有大量實(shí)例應(yīng)用。隨著高層建筑的快速普及，CFG樁復(fù)合地基以其施工便利、承載力高、造價(jià)低廉以及其廣泛的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為地基處理中最為普遍應(yīng)用的技術(shù)。本文在實(shí)際工程案例中分別研究樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距和褥墊層厚度對(duì)復(fù)合地基沉降的影響，目的是使復(fù)合地基在安全的情況下盡可能使資源利用最大化，對(duì)實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義。

1 工程實(shí)例分析

1.1 工程概況

本工程擬建場(chǎng)地位于北京市通州區(qū)運(yùn)河灣附近，南側(cè)為玉帶河?xùn)|街，東側(cè)為濱河中路。本次鉆探揭露的地層除表層分布的雜填土外，40.0 m深度范圍內(nèi)均為人工填土層、新近沉積層及一般第4紀(jì)沖洪積層。依據(jù)巖性、工程性質(zhì)不同，共劃分為5個(gè)單元層，分述如下：

第①層雜填土：褐色—黃雜色、稍濕、松散狀態(tài)。廠(chǎng)區(qū)內(nèi)廣泛分布，為近期回填造成固結(jié)程度差且不均質(zhì)，以粉土為主含有大量灰渣等建筑生活垃圾和其他雜物，局部可見(jiàn)素填土分布，本層厚度變化為0.30 m～1.00 m。

第②層黏質(zhì)粉土：黃褐色，中密，稍濕—濕，含氧化鐵、云母及少量鈣質(zhì)結(jié)核。結(jié)構(gòu)較差。本層厚度變化為0.90 m～2.00 m。

第③層黏土：褐黃色，局部褐灰色，很濕，可塑，含氧化鐵及少量鈣質(zhì)結(jié)核。結(jié)構(gòu)較差。

第④層粉質(zhì)黏土：黑灰色、飽和、呈可塑—硬塑狀態(tài)，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度級(jí)韌性中等，與粉土薄層呈互層狀水平分布，局部可見(jiàn)粉細(xì)砂及中砂薄夾層。

第⑤層中砂：黃雜色、濕—飽和、呈中密狀態(tài)、散粒結(jié)構(gòu)，亞圓型、磨圓度較好分選性差，以石英、長(zhǎng)石級(jí)云母為主要成分，可見(jiàn)少量卵石，孔隙充填中粗砂，局部可見(jiàn)中細(xì)砂及粉土薄夾層呈透鏡體狀出現(xiàn)、本層厚度變化為3.10 m～4.70 m。

1.2 計(jì)算模型和參數(shù)確定

根據(jù)復(fù)合地基設(shè)計(jì)資料、地基勘察報(bào)告和經(jīng)驗(yàn)值，各材料參數(shù)取值（見(jiàn)表1）。

預(yù)計(jì)天然地基承載力不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，建議采用復(fù)合地基或樁基。

由于復(fù)合地基的受力特性采用數(shù)值分析較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，提高運(yùn)算效率，取10根樁及所影響土體的范圍為計(jì)算對(duì)象，考慮樁長(zhǎng)、置換率、載荷板尺寸等參數(shù)，模型計(jì)算域水平方向取距最外側(cè)樁體中心600 mm寬，垂直方向自樁頂起取至1.5倍樁長(zhǎng)深度。同時(shí)對(duì)所建分析模型施加與實(shí)際情況相同的邊界約束條件。并將土體簡(jiǎn)化，土層從上到下依次是褥墊層、雜填土、黏質(zhì)粉土、黏土、粉質(zhì)黏土和中砂，計(jì)算模型如圖1所示。

表1 土層材料力學(xué)參數(shù)

圖1 復(fù)合地基三維離散元計(jì)算模型

2 沉降變化研究

荷載增加復(fù)合地基沉降隨之增加。荷載較小時(shí)，土體為彈性變形，曲線(xiàn)走勢(shì)基本呈線(xiàn)性，荷載增加到一定值，褥墊層和土體內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，曲線(xiàn)走勢(shì)呈非線(xiàn)性增加。在荷載增加的過(guò)程中，樁頂和樁間土表面均出現(xiàn)沉降差，樁間土表面沉降均大于樁頂沉降，說(shuō)明在樁體上部一部分區(qū)域存在負(fù)摩阻力。另外，隨著荷載的增加，樁頂與樁間土的沉降差隨之增加。負(fù)摩阻力在CFG樁復(fù)合地基中是有益的，使得樁間土也參與承載上部荷載，增大復(fù)合地基的承載力從而減少沉降變形。

隨著樁長(zhǎng)的增長(zhǎng)，復(fù)合地基的整體平均沉降在減小。樁頂沉降隨著樁長(zhǎng)的增加而減小，在荷載較大階段其減小的幅度越大。樁長(zhǎng)較短時(shí)，附加應(yīng)力分布的區(qū)域較小，應(yīng)力值高，地基沉降大，上部土層的附加應(yīng)力大，局部超過(guò)土的極限承載力；樁長(zhǎng)增長(zhǎng)時(shí)，上部加固區(qū)域土層中的附加應(yīng)力迅速減小，復(fù)合地基整體沉降的降低非常明顯。對(duì)于一定樁距的CFG樁復(fù)合地基，就控制其變形來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)最優(yōu)樁長(zhǎng)。復(fù)合地基沉降隨樁長(zhǎng)的變化曲線(xiàn)，可以作為設(shè)計(jì)中確定樁長(zhǎng)的依據(jù)，以避免使用過(guò)長(zhǎng)的樁，減少浪費(fèi)和施工中的困難。

隨著樁徑的增加，復(fù)合地基沉降隨之減小。改變樁徑的大小即改變置換率的大小，隨著樁徑的增大，沉降減小，且樁體和樁間土體的沉降差減小，即樁體的上刺入量減小。S1所占總沉降S的比例下降，下臥層的土體沉降S2占總沉降S的比例上升。樁體地基模量的增加導(dǎo)致該處樁體沉降的減小，而該區(qū)域土體的土質(zhì)不受樁徑變化的影響，所以變形增大，所占總沉降的比例也就增大。在上部荷載的作用下，沉降變形趨勢(shì)由中心區(qū)域向四周減小，而且沉降變化率逐漸增大，沉降降低的幅度由內(nèi)向外逐漸增大。

樁距較大時(shí)，上部土層中的附加應(yīng)力較大，復(fù)合地基沉降也較大。樁距減小時(shí)，能夠?qū)⑸喜客翆又袘?yīng)力有效的向下傳遞，減少?gòu)?fù)合地基整體沉降；對(duì)于承載力較低的軟弱土，如果樁距過(guò)于小，樁間土還會(huì)因?yàn)闃扼w的擠壓而產(chǎn)生隆起變形。剛性樁復(fù)合地基雖然在樁頂處土體分擔(dān)了很多荷載，但實(shí)際上土體將絕大多數(shù)荷載通過(guò)負(fù)摩阻力又傳給了樁，這樣反而可能會(huì)使復(fù)合地基的沉降增大，因此，CFG復(fù)合地基的樁距并不是越小越好，存在一個(gè)最優(yōu)樁間距。

褥墊層的增加，在一定的荷載范圍內(nèi)能減少?gòu)?fù)合地基沉降，使沉降更加均勻。但這種減少相當(dāng)有限，隨著墊層厚度的繼續(xù)增大，并未有更加明顯的減少。在荷載較小時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁頂沉降值受褥墊層厚度的變化影響不大，土體沉降受褥墊層厚度的變化影響較大。在荷載較大時(shí)，相應(yīng)的樁頂沉降值隨著褥墊層厚度的增加而減小。褥墊層的厚度增加，能使樁與土之間能夠更好的共同協(xié)調(diào)，樁土應(yīng)力比減小。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以北京市通州區(qū)運(yùn)河灣工程實(shí)例為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)值模擬研究得出：

1）針對(duì)北京高層建筑工程地質(zhì)條件，本文采用了離散元分析模型，并在建立模型時(shí)充分考慮實(shí)際工程地質(zhì)條件和接觸面參數(shù)，為建立符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的模型提供了理論基礎(chǔ)。

2）通過(guò)數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)樁徑、樁長(zhǎng)影響沉降更為明顯，樁間距、褥墊層厚度影響沉降較為不明顯，存在最優(yōu)取值，但需結(jié)合具體實(shí)際情況進(jìn)行分析。

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