劉 毅 強(qiáng)

(晉中市建筑勘察設(shè)計(jì)院，山西 晉中 030600)

建筑樁基與CFG樁在工程設(shè)計(jì)中適用性比較

劉 毅 強(qiáng)

(晉中市建筑勘察設(shè)計(jì)院，山西 晉中 030600)

通過對CFG樁和樁基礎(chǔ)的介紹，比較了CFG樁和樁基設(shè)計(jì)的一般原理和方法，以實(shí)際應(yīng)用實(shí)例為基礎(chǔ)，從理論和適用的角度對比分析了建筑樁基與CFG樁在工程應(yīng)用中的技術(shù)性以及經(jīng)濟(jì)性。

建筑樁基，CFG樁，高層建筑，適用性，褥墊層，壓縮模量

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日新月異，隨之而來的高層建筑數(shù)量不斷增加，對于地基基礎(chǔ)工程所要求的強(qiáng)度以及抗變形能力也不斷地提高。一般情況下，當(dāng)天然地基無法滿足高層建筑的設(shè)計(jì)要求時(shí)，常常會(huì)用到樁基礎(chǔ)或CFG樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。CFG樁作為一種能提供較高復(fù)合地基承載力的地基處理方式，雖然應(yīng)用起步較晚，但是由于可以充分發(fā)揮樁間土的承載力而使樁土共同工作，使其造價(jià)往往相對較低、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，同時(shí)工藝簡單、施工便利，近些年來在工業(yè)建筑與民用高層建筑中被廣泛使用；而作為傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)由于新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)、成樁工藝不斷豐富發(fā)展、經(jīng)驗(yàn)積累和計(jì)算理論日臻完善，使其應(yīng)用空間也得到了極大的擴(kuò)展。實(shí)際工作中設(shè)計(jì)人員往往要面臨對以上兩種地基基礎(chǔ)工程方案的遴選問題，本文結(jié)合實(shí)際工作對兩者的適用性進(jìn)行一些比較、歸納和探討。

2 作用機(jī)理和設(shè)計(jì)方法對比

2.1兩者的作用機(jī)理對比

首先兩者有著不同的作用機(jī)理：CFG樁又稱水泥粉煤灰碎石樁，屬于復(fù)合地基，是對天然土體的加固。與樁土共同工作，并且要充分發(fā)揮地基土的承載能力。其樁體材料是將水泥、粉煤灰、礦粉、碎石加水拌合而成，等固化之后會(huì)形成具有較高強(qiáng)度的樁體。并且在基礎(chǔ)和CFG樁之間設(shè)置一定厚度的由粒狀材料組成的散體墊層。CFG樁、樁間土以及褥墊層共同組成了復(fù)合地基。若基礎(chǔ)與CFG樁間不設(shè)墊層，當(dāng)CFG樁的底端落在堅(jiān)硬的土層之中時(shí)，因?yàn)镃FG樁自身所具有的強(qiáng)度以及彈性模量均比樁間土大很多，同時(shí)樁頂沉降變形很小，所以荷載作用時(shí)，CFG樁所承受的應(yīng)力值要較樁間土所承受的應(yīng)力值大出很多。絕大部分荷載由樁承擔(dān)，樁間土的承載力很難發(fā)揮，此時(shí)CFG樁和樁間土傳遞垂直荷載與樁基類似。當(dāng)CFG樁的底端落在一般粘性土層中時(shí)，隨著時(shí)間的增加，基礎(chǔ)和樁的沉降變形不斷增加，基礎(chǔ)下樁間土分擔(dān)的荷載也不斷增加，樁承擔(dān)的荷載相應(yīng)減少，呈現(xiàn)一個(gè)荷載轉(zhuǎn)移的過程，但樁間土承載能力仍很難得到充分發(fā)揮。若通過基礎(chǔ)和CFG樁之間設(shè)置一定厚度的褥墊層，調(diào)整了樁與樁間土的剛度差異，通過樁頂?shù)拇倘?，可以保證基礎(chǔ)無論在任何條件下始終能通過褥墊層將一部分荷載傳遞到樁間土上，因此設(shè)置褥墊層是CFG樁復(fù)合地基技術(shù)必不可少的關(guān)鍵組成部分；而樁基礎(chǔ)簡稱樁基屬于基礎(chǔ)范疇，通常由樁體和連接樁頂?shù)某信_(tái)組成。一般靠樁體直接、獨(dú)立完成荷載向土體的垂直傳遞，根據(jù)其承載方式的不同又分為端承型樁和摩擦型樁。樁土體系荷載傳遞的過程就是樁側(cè)阻力和樁端阻力的發(fā)揮過程。研究表明：豎向荷載下樁土體系荷載傳遞的過程可簡單描述為樁身位移s(z)和樁身荷載Q(z)隨深度遞減。樁側(cè)摩阻力qs(z)自上而下逐步發(fā)揮后逐漸減小，且其發(fā)揮程度只與樁土相對位移有關(guān)。

2.2設(shè)計(jì)計(jì)算基本方法對比

2.2.1CFG樁地基

在CFG樁初步設(shè)計(jì)過程中，其承載力特征值可以依照式(1),式(2)進(jìn)行估算：

fspk=λmRa/Ap+β(1-m)fsk

(1)

Ra=up∑qsilpi+αpqpAp

(2)

2.2.2建筑樁基

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，樁基的豎向承載力估算基本公式如下：

R=Ra+ηcfakAc=Quk/K+ηcfakAc

(3)

Quk=up∑qsikli+qpkAp(經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法)

(4)

其中，R為基樁或考慮承臺(tái)效應(yīng)的復(fù)合基樁豎向承載力特征值，kN；Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；K為安全系數(shù)，取K=2;ηc為承臺(tái)所具有的效應(yīng)系數(shù)值;fak為承臺(tái)下方1/2寬度，并且未超出5.0 m深度之內(nèi)的各土層地基承載力特征值按厚度的加權(quán)平均值;Ac為基樁所對應(yīng)的承臺(tái)底凈面面積；Ap為樁身的截面面積;Ra為單樁豎向承載力特征值,kN；qsik為樁基第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為樁基穿透上層土質(zhì)的高度；up為樁周長。

3 樁基與CFG樁的適用性比較

1)樁基在對高層建筑沉降的控制上優(yōu)于CFG樁。

a.首先這是由兩者沉降產(chǎn)生的機(jī)理不同造成的。對于摩擦型樁基沉降計(jì)算所采用的附加應(yīng)力為按照明德林解得到的由端阻力和側(cè)阻力引起的樁端以下的附加應(yīng)力，壓縮層也是從樁端起算，所以自重起始土壓力較高(意味著壓縮層的壓縮模量會(huì)有較大值)，因此計(jì)算沉降量會(huì)很小。而CFG沉降計(jì)算等同于天然地基，僅是將被加固土層的壓縮模量按一定的比例進(jìn)行放大。b.由于CFG樁所常采用的長螺旋施工工藝的局限性致使樁身長度受到限制，這使得對于層數(shù)較高、荷載較大的高層建筑越來越力不從心。而樁基礎(chǔ)則不受此施工條件限制，能夠提供很高的承載力和沉降控制能力。c.由于樁基計(jì)算理論相對完善和精細(xì)，從而更有利于計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，有效控制基礎(chǔ)的不均勻沉降。

2)對于濕陷性土層及液化土層的處理效率和經(jīng)濟(jì)性上樁基礎(chǔ)往往優(yōu)于CFG樁。CFG樁用在濕陷性土層及液化土層中時(shí)一般要采用兩種樁型的復(fù)合，如灰土擠密樁+CFG樁和碎石樁+CFG樁，施工周期長、工藝復(fù)雜，效果不確定。但采用樁基礎(chǔ)，可以通過穿透濕陷及液化土層，使樁端進(jìn)入穩(wěn)定土層來達(dá)到克服濕陷及液化提高承載力的目的。

工程實(shí)例：例如晉中市開發(fā)區(qū)某一大型3連跨重型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，最大跨度30 m，總高度近40 m，吊車噸位較大，鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)式排架柱荷載較大，對沉降要求較高。地質(zhì)情況為Ⅲ級(jí)自重濕陷，基底以下濕陷土層厚度為12 m，基礎(chǔ)為柱下獨(dú)基。原地基處理方案為灰土擠密樁+CFG樁，布樁沿柱軸線條形滿布。經(jīng)過對原設(shè)計(jì)方案的研究和優(yōu)化后改為載體樁，通過樁基穿透濕陷土層將擴(kuò)大頭深坐于下部穩(wěn)定粉土層，同時(shí)考慮負(fù)摩阻對樁的不利影響，按獨(dú)立樁承臺(tái)布樁，計(jì)算沉降量為7 mm，這樣既達(dá)到了消除濕陷影響的目的，又減小了基礎(chǔ)沉降量，為業(yè)主節(jié)省投資100多萬元,該廠房現(xiàn)已投入使用。

3)采用樁基礎(chǔ)方案時(shí)與相鄰建筑和環(huán)境的相互影響較小，這一點(diǎn)上也優(yōu)于CFG樁。這非常適用于建筑密度相對較大的城市環(huán)境中進(jìn)行施工建設(shè)，尤其對于建筑之間距離較近而基底又存在高差的情況，以及建筑物距離較近而又需要分期建設(shè)的情況，可降低開挖的風(fēng)險(xiǎn)和難度，節(jié)省工程支護(hù)造價(jià)。

4)樁基礎(chǔ)由于樁型、工藝多種多樣，使得設(shè)計(jì)的選擇性更大，對于場地的適應(yīng)性比CFG樁更強(qiáng)。它適合不同的土質(zhì)包括：液化、濕陷、填土、巖層等以及各種地形地貌。

5)對于高層建筑在特定的情況下，樁基的綜合效益會(huì)優(yōu)于CFG樁。一般CFG樁采用滿堂布樁+筏形基礎(chǔ)的形式，高層樁基可采用防水板+墻下承臺(tái)布樁或柱下承臺(tái)布樁的方式，由于單樁豎向承載力較高，故樁數(shù)相應(yīng)減少，可以縮短施工周期。同時(shí)樁身質(zhì)量更有保證，沉降更易控制。

6)CFG樁的長螺旋施工工藝比機(jī)械成孔的樁基工藝一般來說相對簡單，樁使用的原材料可采用回收利用的粉煤灰、礦粉等資源，且樁身無需配筋，造價(jià)較低。因此對于地基土具備一定的強(qiáng)度和承載條件，而上部荷載又不是非常大的多高層建筑，有著較為顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。如在同等工程條件下當(dāng)樁基方案和CFG樁方案的樁長度及直徑一致時(shí)，由于采用CFG樁可以使樁間土的承載力得以充分發(fā)揮，因此所需的CFG樁數(shù)量會(huì)相應(yīng)減少，工程造價(jià)會(huì)得以降低、施工周期相應(yīng)縮短。節(jié)約建設(shè)成本的同時(shí)也不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染，所以CFG樁相對來說擁有良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。另一方面CFG樁對樁身范圍內(nèi)天然土層的壓縮模量也起到較大的加強(qiáng)和提高效果，對地基產(chǎn)生沉降變形可起到一定的控制作用。

4 結(jié)語

對不同的建筑工程來說，工程所在地的地質(zhì)水文條件千差萬別，因此在實(shí)際工作中如何結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件以及建筑工程的實(shí)際情況選取經(jīng)濟(jì)、安全、合理的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，仍然是擺在工程設(shè)計(jì)人員面前一道長期的課題，這需要我們在不斷地總結(jié)思考工程經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，對每個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案都要進(jìn)行全面綜合地考量、認(rèn)真細(xì)致地分析比較，才有可能獲得最優(yōu)的地基基礎(chǔ)方案。

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ComparisonofapplicabilitybetweenbuildingpilefoundationandCFGpileinengineeringdesign

LiuYiqiang

(JinzhongArchitecturalSurveyandDesignInstitute,Jinzhong030600,China)

In this paper, the author introduces the CFG pile and the pile foundation, the general principle and method of CFG pile and pile foundation design are compared, on the basis of practical application, from the point of view of theory and application, the technical and economic characteristics of construction pile foundation and CFG pile in engineering application are compared and analyzed.

building pile foundation, CFG pile, high rise building, applicability, cushion, modulus of compressibility

1009-6825(2017)28-0081-03

2017-07-22

劉毅強(qiáng)(1971- )，男，工程師

TU470.3

A