1、复合地基(CFG 桩)在复杂工程地质条件下的可行性探讨【摘要】在城市开发建设中，复杂地质条件是基础设计时应重视的主要工程地质问题。通过本文工程实例，详细分析了高程建筑筏板基础在复杂工程地质条件下采用复合地基（CFG 桩）的可行性。 【关键词】高程建筑 复杂地质条件 复合地基（CFG 桩）可行性 中图分类号：TU198 文献标识码： A 1 前言 CFG 桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基，主要适用于素填土、粘性土、粉土、砂土，由该地基处理方案质量易控制，造价低，经济、社会、环境效益明显，有极大的发展潜力。但在
2、复杂工程地质条件下，如碎石层，破碎的灰岩风化呈块石、碎石夹杂孤石层等，采用复合地基（CFG 桩）能否可行。本文通过工程实例，探讨高层建筑在复杂工程地质条件下复合地基（CFG 桩）的可行性。 2 工程概况 广西建工大厦位于广西南宁市五象新区平乐大道。塔楼高 24F，附属商业裙楼高 34F，设计0.00 标高约为 102.90m，整个场地均设 3 层地下室，地下室基底标高约为 86.80m，建筑物平面整体形状呈矩形。建筑物基础形式原设计采用桩基础，由于场地桩端岩溶复杂，桩基施工过程中桩端底部较完整岩石难确定。经勘察，深度在 2040m 范围内的岩体大部已被裂隙切割呈块石状，垂直水平裂隙发育，地质条
3、件复杂。根据施工勘察成果，设计拟调整为复合地基筏板基础，以复合地基作为基础持力层。该项目于前期已完成了初步勘察阶段的岩土工程勘察，为进一步探明场地地层分布情况及岩溶发育情况，分析复合地基（CFG 桩）的可行性，对场地进行详细（施工）勘察。 3 建筑场地工程地质条件 根据钻探揭露，场地地层主为第四系残积硬塑含碎石粘土（Q3el） 、碎石（Q3el） 、硬塑粘土（Q3el） 、可塑粘土（Q3el）和泥盆系上统（D3）破碎扁豆状石灰岩1、较破碎扁豆状石灰岩及中风化较完整扁豆状石灰岩。 1）含碎石粘土：褐红色、褐黄色，硬塑状态为主，局部坚硬，土层结构较紧密，不均匀，含 1045%的风化硅质岩碎石、角砾
4、，碎石粒径以 1535mm 居多，棱角状为主。 2）碎石：褐红色、灰黄色、灰白色，中密状态为主，局部地段为稍密状，碎石粒径以 2045mm 居多，颗粒粗细混杂，充填较多粘性土，颗粒以棱角状为主，成分主要为硅质岩、灰岩，呈强风化状态，不均匀，一般随深度增加粘土含量减少，硅质岩风化不均匀。 3）粘土：褐黄色，褐红色，硬塑为主，局部坚硬，切面较光滑，干强度高，韧性高，摇振无反应。该层主要为扁豆状石灰岩的风化残积物，局部含少量硅质岩、石灰岩角砾。 4）粘土：黄色，褐黄色，可塑状态，切面光滑，粘性较强，干强度高，韧性高，摇振无反应，该层主要为石灰岩的风化残积物。 5）较破碎扁豆状石灰岩：灰色，局部为紫红
5、色，隐晶质结构及扁豆状结构，厚层块状构造，岩体较破碎，溶蚀裂隙较发育，见较多的溶洞、溶蚀、裂隙、溶孔等现象，岩体已风化呈块石土或碎石土状，钻进进尺较慢，钻具跳动，岩芯呈碎块状、短柱状。由于该层风化程度不均匀，部分呈块石土、部分呈碎石土状，力学性质差异大，层可进一步细化，将已风化呈块石土部分划分为层，已风化呈碎石土为主、局部夹块石的地段划分1 亚层。 6）中风化较完整扁豆状石灰岩：灰色、紫红色，隐晶质结构及扁豆状结构，中厚层块状构造，扁豆体多呈椭圆形，大小一般为0.51.024cm，胶结物为泥灰质、钙质。岩石较坚硬，垂直、水平裂隙发育，裂隙面局部为紫红色泥质充填。局部见溶蚀现象，局部见少量方解石
6、脉穿插。 4 岩土参数的确定 根据勘察成果，结合相关规范及工程经验。各岩土层的承载力特征值 fak（kPa） 、饱和重度 (kN/m3)、压缩模量 ES（MPa） 、粘聚力标准值ck(kPa)及内摩擦角标准值 K（）等岩土参数值建议如下表 1： 各岩土层物理力学性质指标建议值表 表 1 地层名称及层号 天然 重度 直剪 压缩模量 地基承载力特征值 岩石饱和单轴抗压强度标准值 粘聚力标准值 内摩擦角标准值 ES1-2 ES2-4 （kN/m3） cK(kPa) K （o） (MPa) (MPa) fak kPa frk(MPa) 含碎石粘土 19.8 35 17 14 16 250 - 碎石 2
7、1.0 20 30 18 20 300 硬塑粘土 19.6 45 12 10 12 220 可塑粘土 19.4 40 8 7 9 160 破碎扁豆状石灰岩1 25.0 75 33 E0=26 E0=30 500 - 较破碎扁豆状石灰岩 26.5 200 35 E0=46 E0=52 1500 15 中风化较完整扁豆状石灰岩 27.3 - - - - 4000 55 5 复合地基（CFG 桩）的分析与评价 本项目建筑塔楼高 24F，设计0.00 标高约为 102.90m，整个场地均设三层地下室，地下室基底标高约为 86.80m，根据勘察成果资料评价如下： 塔楼采用筏板基础时，基底持力层含碎石粘土
8、层、碎石层、硬塑粘土层、破碎扁豆状石灰岩1 层承载力不能满足设计荷载要求，因此塔楼地段的含碎石粘土层、碎石层、硬塑粘土层及破碎扁豆状石灰岩1 层可采用复合地基（CFG 桩）处理，以加大基础刚度及变形协调能力，形成复合地基+天然地基（天然地基持力层层） ，在复合地基+天然地基上采用筏板基础。CFG 桩桩基设计参数建议如下表 2。 CFG 桩桩基设计参数建议值 表 2 地层名称及层号 CFG 桩 桩周土的侧阻力特征值 qsa 桩端土的端阻力特征值 qpa (kPa) (kPa) 含碎石粘土 25 650 碎石 43 1100 硬塑粘土 23 600 可塑粘土 20 450 破碎扁豆状石灰岩1 55
9、 1300 较破碎扁豆状石灰岩 80 1600 中风化较完整扁豆状灰岩 120 qpa=1600；E0=52 备注：1、中风化较完整扁豆状灰岩层根据钻探及施工情况，表中层的 CFG 桩桩基设计参值建议按层考虑。 据场地地质条件把塔楼地段划分为两个区域即 1 区和 2 区。1 区范围处理岩土层主要为、层，局部为1 层，建议处理深度 25m；2 区范围处理岩土层主要为1 层，建议处理深度 20m。 （复合地基处理范围应满足建筑地基处理技术规范 （JGJ 79-2012）相关规定要求） 。见图 1 （1）CFG 桩单桩竖向承载力特征值估算 复合地基单桩竖向承载力特征值根据建筑地基处理技术规范（JGJ
10、 792012）公式 7.1.5-3 条，估算 CFG 桩的单桩竖向承载力特征值如下： 1 区：假定桩径 0.80m、桩长 25m，地层厚度取该区相对软弱土层分布较厚的 B136 孔一带地层厚度，计算单桩竖向承载力特征值约为Ra=1745KN。 2 区：假定桩径 0.80m、桩长 20m，地层厚度取该区相对软弱土层分布较厚的 143 孔一带地层厚度，计算单桩竖向承载力特征值约为Ra=2636KN。 （2）复合地基承载力特征值估算 复合地基承载力特征值根据建筑地基处理技术规范 （JGJ 792012）公式 7.1.5-2 条，估算复合地基承载力特征值如下： 1 区：桩径按 0.80m，桩长按 2
11、5m，单桩竖向承载力特征值按Ra=1745KN。单桩承载力发挥系数取 0.8，桩间土承载力发挥系数取0.9，桩径取 0.80m，按等边三角形布桩，桩间距按 1.6m，根据公式7.1.5-2 估算，复合地基承载力特征值约为 780 kPa。 2 区：桩径按 0.80m，桩长按 20m，单桩竖向承载力特征值按Ra=2636KN。单桩承载力发挥系数取 0.8，桩间土承载力发挥系数取0.9，按等边三角形布桩，桩间距按 2.4m，根据公式 7.1.5-2 估算，复合地基承载力特征值约为 830kPa。 （3）复合地基软弱下卧层强度验算 1 区：以场地 B136 钻孔一带进行复合地基软弱下卧层强度估算，复
12、合地基处理深按 25m，下卧可塑粘土层埋深 15+25=40m，软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值 faz=1420 kPa，基底压力取Pk=665kPa（建筑物荷载按工程经验荷载地上按每层 25kPa、地下按每层30kPa 考虑） ，基础底面处土的自重压力值约为 Pc=2015=300kPa,基础长宽按矩形基础 40m40m，不考虑地基压力扩散，基础底面至软弱下卧层顶面的距离取复合地基厚度 25m，按以上述条件计算得复合地基底面处附加压力值 Pz=37kPa、土的自重压力值 Pcz=2040=800kPa, Pz+ Pcz=37+800=837kPa faz=1420 kPa（复合
13、地基底面处层经深度修正后的地基承载力特征值） 。下卧层强度满足要求。 2 区：以场地 B143 钻孔一带进行复合地基软弱下卧层强度估算，复合地基处理深按 20m，下卧可塑粘土层埋深 15+20=35m，软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值 faz=1260 kPa，基底压力取Pk=665kPa，基础底面处土的自重压力值约为 Pc=2015=300kPa,基础长宽按矩形基础 40m40m，不考虑地基压力扩散，基础底面至软弱下卧层顶面的距离取复合地基厚度 20m，按以上述条件计算得复合地基底面处附加压力值 Pz=20.96kPa、土的自重压力值 Pcz=2035=700kPa, Pz+ P
14、cz=20.96+700=720.96kPa faz=1260 kPa（复合地基底面处层经深度修正后的地基承载力特征值） 。下卧层强度满足要求。 （4）复合地基沉降变形量估算 复合地基沉降变形包括复合土层的平均变形 S1 与桩端下未加固土层的压缩变形 S2。 1 区复合地基沉降变形量估算 复合土层的平均变形 S1：复合土层厚度为 25m，复合土层顶面处附加压力值 Pz=365kPa，复合土层底面处附加压力值 Pz=37kPa，复合土层压缩（变形）模量 Esp=12780/220=42.5MPa，计算得 S1=118.2mm。未加固土层的压缩变形 S2：下伏未加固土层层顶面处附加压力值Pz=37
15、kPa，层底面处附加压力值 Pz=0 时的压缩层厚度为 3.9m，层压缩模量 Es=9MPa，计算得 S2=8.0mm；地基总沉降量 S= S1+ S2=118.2+8.0=126.2mm(小于规范允许值 200mm)。 2 区复合地基沉降变形量估算 复合土层的平均变形 S1：复合土层厚度为 20m，复合土层顶面处附加压力值 Pz=365kPa，复合土层底面处附加压力值 Pz=20.96kPa，复合土层压缩（变形）模量 Esp=30830/500=50MPa，计算得 S1=77.2mm；未加固土层的压缩变形 S2：下伏未加固土层主要为可塑粘土层，层顶面处附加压力值 Pz=20.96kPa，层底
16、面处附加压力值 Pz=0 时的压缩层厚度为 2.2m，层压缩模量 Es=9MPa，计算得 S2=2.6mm；地基总沉降量 S= S1+ S2=77.2+2.6=79.8mm(小于规范允许值 200mm)。 6 结论与建议 综合以上分析，塔楼的基础形式可选用天然地基+复合地基，在天然地基+复合地基上采用筏板基础。基础设计时应根据建筑物的上部结构实际设计荷载及结构特点对地基强度与变形进行验算，复合地基单桩承载力及复合地基承载力应按规范进行载荷试验最终确定。 本项目经过施工勘察，对复合地基（CFG 桩）的承载力、变形沉降、下卧层强度进行初步验算，验算结果符合现行相关规范要求，复合地基（CFG 桩）的
17、地基处理方案是可行性的。后期经过设计分析验算与经济比选，最终广西建工大厦塔楼采用复合地基（CFG 桩）的地基处理方式，在复合地基上采用筏板基础。 广西南宁市五象新区位地质条件复杂，基础设计施工中常遇到较多的工程地质问题，通过本文对复合地基（CFG 桩）在复杂工程地质条件下的可行性分析，希望能给地基基础设计工作者提供些帮助，解决一些工程地质问题，为工程建设顺利进行提供基础条件，以加快五象新区的建设步法，降低基础投资，争更大的经济效益。 参考文献 1建筑地基处理技术规范 （JGJ 792012） ； 2岩土工程勘察规范GB 50021-2001（2009 年版） ； 3建筑地基基础设计规范GB 500072011。
