CFG桩复合地基在国美家园工程中的应用
关伟兰李纯仿北京五豪世纪建筑设计有限公司100036；2中国纺织化纤工程总公司100037；
3中国建筑科学研究院地基所北京100013）
[提要]国美家园工程中主楼采用CFG桩复合地基，与主楼相邻的地下车库采用独立基础加防水板的结构形式，设计人员对主楼承载力做了适当的深度修正，检测结果表明该工程是安全的，且技术、经济效益显著。该文建议，就裙房或车库为独立柱基加防水板情况，对主体结构地基承载力是否及如何进行深度修正问题，应作进一步深入研究。
[关键词]CFG桩复合地基独立基础深度修正
ApplicationofCFGPileCompositeFoundationinEngineeringofGomeHomestead/GuanWeilan1,LiChunfang2,TongJianxing3,YanMingli3(1BeijingWuhaoCenturyArchitectureDesignCo.,Ltd.,Beijing100036,China;2ChinaTexileandChemicalFiberEngineeringCorporation,Beijing100037,China;3ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China)
Abstract：CFGpilecompositefoundationisappliedinmainbuildingofGomeHomestead.Foundationofundergroundgaragebesidemainbuildingisisolatedfoundationjoinedwithwaterproofboard.Architectsdoshapingofdepthtobearingcapacityofmainbuilding.Theresultsshowthattheprojectissafe.Technicalandeconomicbenefitisnotable.Whenthefoundationofpodiumorundergroundgarageintroducesisolatedfoundationjoinedwithwaterproofboard,thepaperadvisesthattheproblemofwhetherandhowtodoshapingofdepthtobearingcapacityofmainbuildingshouldbestudiedmore.
Keywords：CFGpilecompositefoundation；isolatedfoundation；shapingofdepth
前言
高层建筑地基承载力的深度修正倍受岩土工程师和结构工程师的关注。《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)规定：“主裙楼一体的结构，对于主体结构地基承载力的深度修正，宜将基础底面以上范围内的荷载，按基础两侧的超载考虑，当超载宽度大于基础宽度两倍时，可将超载折算成土层厚度作为基础埋深，基础两侧超载不等时，取小值。”
当主楼两侧的裙房或车库采用独立基础时，工程上一般不考虑对主楼承载力进行深度修正。对于独立基础加防水板，能否对主楼承载力做深度修正、在什么条件下怎样修正，是一个值得研究的问题。本文首先对地基承载力深度修正的实质进行分析，然后结合工程实例，对相邻裙房或车库采用独立基础加防水板情况时，主体结构地基承载力的深度修正问题进行探讨。
地基承载力深度修正的实质
天然地基承载力特征值是由静载试验或其它原位测试、公式计算并结合工程实践经验综合确定。静载试验是根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）附录C浅层平板载荷试验要点的有关规定进行。其中规定基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的3倍，即试验是在承压板无边载条件下进行。
实际工程基础两侧有边载时（图1），通常用塑性荷载公式来表示。塑性开展区的深度为1/4基础宽度时对应的荷载p1/4为按土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值fa。
图1有边载条件下的地基塑性荷载计算示意图
(1)
式中:
c、分别为基底下一倍短边宽深度内土的凝聚力和内摩擦角。
由式（1）可以看出，基础埋深越大地基承载力越大。图1中基础两侧基底标高以上的土体作用在滑动面上的力，是阻止滑动土体向上挤出和产生滑动的抗力，可以视为作用在滑动体表面的压重。基础埋深越大这种抗力就越大，基础下地基土的承载力也就越大。
注意到式（1）的建立是基于边载q为连续均布荷载，并作用在整个滑动体表面。若基础两侧为独立基础时，每个基础作用在滑动体表面为一局部荷载，不能形成连续荷载作用在滑动土体上，通常，不宜做深度修正。
当基础两侧为独立基础加防水板时，对6～8m的柱距、板厚加素混凝土垫层为500mm左右时，也不能形成均布荷载，也就不能将基底平均压力全额作为超载对主楼基础下的承载力进行深度修正，不少设计人员将基底压力平均值折减后作为超载。折减多少取决于柱跨、板厚及土的性状。柱距越小、筏板越厚、地基土越好，折减越少，由于这方面的资料较少，承载力修正的量值具有很大的经验性。
2工程实例
2.1工程概况
国美第一城位于北京市朝阳区姚家园青年路115号，该工程由18栋14～27层板式住宅楼、相邻地下车库及其它配套建筑物组成。住宅楼上部结构为剪力墙型式筏板基础。相邻地下车库采用独立基础加防水板。±0.00相当于绝对标高34.50m，基底标高为21.38m。
下面以T31~32楼为例，来说明主体结构两侧为连续非均匀超载情况下，主体结构地基承载力深度修正问题。
2.2工程地质概况
拟建场区位于永定河冲洪积扇中下部，自然地面绝对标高约在34.00m左右，第四系覆盖层厚度约120～160m左右。地面以下至基岩顶板之间的沉积土层以粘性土、粉土与砂土、碎（卵）石土交互层为主。主要地层岩性及其物理力学指标如下表：
地层岩性及其主要物理力学指标表1
土层名称 层厚
（m） 土层模量（MPa） qs
（kPa） qp
（kPa） ①素填土 0.5～3.2 -- -- -- ②粉质粘土 1.9~6.7 10.3 -- -- ③粘质粉土 0.4～5.4 13.7 45 -- ③1粉质粘土 18.4 40 -- ④细砂 2.4～7.1 23 50 -- ④1中砂 25 60 -- ⑤粉质粘土 1.9～6.6 9.7 50 -- ⑤1粘质粉土 12 55 -- ⑥粗砂 4.0～11.5 30 80 2000 ⑥1细砂 25 60 2000 ⑥2中砂 25 65 2000 ⑥3卵石 40 100 2000 ⑦粉质粘土 6.1～14.4 16.6 -- -- ⑦1粉质粘土 12.7 -- -- ⑧中砂 未穿透 30 -- -- 场区潜水静止水位埋深为8.20～12.40m.
2.3CFG桩复合地基的设计
T31~32住宅楼地上23层，地下2层，上部结构为剪力墙型式，筏板基础,板厚为1.3m。其用于验算地基承载力的基底压力标准值为550kPa，用于变形验算的基底压力准永久值为526kPa，设计要求建筑物最终沉降量不大于40mm。相邻地下车库采用独立柱基，柱距8.3m，基础底板厚度为40cm，素混凝土垫层厚7cm，地下车库基底压力标准值为90kPa，独立基础在主体结构的两侧可形成连续非均匀超载，且超载宽度大于主体结构基础宽度两倍。经与设计院协商，可将超载平均值折减后对主体结构地基承载力作部分深度修正，并建议对主楼地基承载力的深度修正取50kPa。
1.复合地基承载力和变形计算
基底持力层为层③粘质粉土，层③地基承载力标准值为190kPa，考虑深度修正后采用天然地基，各楼的地基承载力和变形不能满足设计要求，采用CFG桩复合地基处理方案进行处理。方案设计时按承载力与变形双控来确定复合地基参数，CFG桩以层⑥粗砂为桩端持力层。
CFG桩单桩竖向承载力特征值按下式计算：
（3）
式中：u为桩的周长（m）；qsia为桩周层i土的侧阻力特征值（kPa）；li为层i土的厚度（m）；qpa为桩端端阻力特征值（kPa）；Ap为桩截面积（m2）。桩长取12.5m，经计算，Ra为660kN。
复合地基承载力特征值计算公式如下：
（2）
式中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值(kN)；Ap为单桩的截面积(m2)；(为桩间土承载力折减系数；fsk为处理后桩间土承载力特征值(kPa)。考虑深度修正，fspk取500kPa，fsk取190kPa，取0.85，经计算，m为0.0735。
桩体强度按下式计算：
（4）
采用复合模量法计算复合地基变形，复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的倍，，为模量提高系数，。CFG桩桩端以下土层，取天然土的压缩模量。
复合地基最终变形量公式为：
（5）
式中：sc为地基最终变形量；ψs为沉降计算经验系数；n1为加固区范围土层分层数；n2为变形计算深度范围内土层总的分层数；p0为对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力（kPa）；为基础底面计算点至层i，i－1层土底面范围内平均附加应力系数，按《建筑地基基础设计规范》（50007-2002）附录K采用。经验算，建筑物最终沉降量不大于40mm。
经计算，T31~32楼CFG桩复合地基主要参数如下表：
T31~32楼CFG桩复合地基主要参数表2
桩数
（根） 桩长
（m） 桩径
(mm） 桩间距
（m） 桩身
强度 褥垫厚度(cm) 524 12.5 420 1.35 C20 20 2.CFG桩复合地基施工
该工程采用长螺旋钻孔、管内泵送混合料成桩工艺。长螺旋钻成孔、管内泵压混合料成桩工艺有如下优点：低噪音、无泥浆污染；成孔制桩时不产生振动、避免新打桩对已打桩产生不良影响；成孔穿透能力强，可穿透硬土层、砂层、粒径不大于8cm的卵石层；施工效率高等。
此外，根据本工程的地质特点，桩端为饱和砂层，常规侧开式钻头易出现阀门打不开现象，提到一定高度才打开，造成桩端存在虚土。本工程选用下开式钻头，避免了阀门打不开情况发生，可确保做到桩端无虚土，复合地基承载力和变形能满足设计要求。
3.CFG桩检测及沉降观测
CFG桩施工完毕后，由检测单位依据相关技术规范和设计要求进行了单桩复合地基载荷试验和低应变动力测试。复合地基承载力和桩身完整性均满足设计要求。
沉降观测单位定期对各主楼及地下车库进行了变形观测，观测结果均能满足相关技术规范和设计要求。目前，该小区早期工程已经竣工验收并交付使用，后期工程也已经结构封顶。
表3为T31~32楼单桩复合地基静载荷试验结果。从载荷试验情况看，加荷到最大荷载1056kPa时均没有达到极限荷载，CFG桩复合地基在使用荷载作用下，单桩复合地基沉降量在6.5mm之内。
T31~32楼单桩复合地基静载荷试验结果表3
试验桩号 28# 239# 448# 设计复合地基承载力特征值500kPa对应沉降值（mm） 3.00 6.41 3.21 最大加荷值1056kPa对应沉降值（mm） 11.14 19.08 10.17 T31~32楼已经竣工验收并交付使用，表4为该楼变形观测结果。沉降观测从基础底板开始，沉降量为地基回弹再压缩量与附加应力产生的地基变形之和。可以看出，T31~32楼沉降均匀，附加应力产生的变形可控制在40mm之内。
T31~32楼结构封顶及封顶6个月后沉降量表4
沉降观测日期 沉降观测点沉降量（mm） 1# 2# 3# 4# 5# 2005.8.15（结构封顶） 18.7 22.8 23.8 21.5 17.4 2006.2.15（结构封顶后6个月） 32.6 34.9 37.3 36.3 30.2 4.技术、经济指标比较
本工程是否考虑地下车库对主楼地基承载力的深度修正，其技术、经济指标对比如表5所示。可以看出，考虑主楼地基承载力深度修正较不考虑深度修正，技术方案上桩长缩短约10%，混凝土总量减少22.7%，工程造价节省22.7%，经济效益显著。
国美家园地基处理技术、经济比较表5
是否考虑深度修正 桩数（根） 桩长（m） 桩间距（m） 混凝土量(m3) 造价(万元) 不考虑深度修正 16000 10.0
~14.0 1.2
~1.7 27000 1215 考虑深度修正 16000 8.0
~12.0 1.2
~1.7 22000 990 3结语
主体结构两侧的裙房或车库采用独立柱基时，由于独立基础在2倍基础范围内基础底面不能形成连续超载，不宜对主体结构下的地基承载力做深度修正；若采用独立基础加防水板，且板较厚，在主体结构的两侧可形成连续非均匀超载，且超载宽度大于主体结构基础宽度两倍时，可将超载平均值折减对主体结构地基承载力作部分深度修正。国美家园车库采用独立基础加防水板，车库基底压力标准值90kPa，对主体结构下的地基承载力修正50kPa，实践表明工程是安全的。
目前，裙房或车库为独立柱基加防水板时，对主体结构地基承载力深度修正具有较大的经验性和任意性，做进一步的理论分析、模型和现场试验，取得可靠的研究成果，指导工程实践是有意义的。
参考文献
[1]建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）
[2]建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）
[3]闫明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践.北京：中国水利水电出版社，2001
[4]杨军等.高层建筑地基承载力深度修正问题讨论.地基
基础理论与实践新进展，北京：中国环境科学出版社，2002
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