复合地基(CFG桩)在复杂工程地质条件下的可行性探讨

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  【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3~4F,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20~40m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②(Q3el)、碎石③(Q3el)、硬塑粘土④(Q3el)、可塑粘土⑤(Q3el)和泥盆系上统(D3)破碎扁豆状石灰岩⑥1、较破碎扁豆状石灰岩⑥及中风化较完整扁豆状石灰岩⑦。
  1)含碎石粘土②: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10~45%的风化硅质岩碎石、角砾,碎石粒径以15~35mm居多,棱角状为主。
  2)碎石③: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20~45mm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④: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⑤: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⑥:灰色,局部为紫红色,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,⑥层可进一步细化,将已风化呈块石土部分划分为⑥层,已风化呈碎石土为主、局部夹块石的地段划分⑥1亚层。
  6)中风化较完整扁豆状石灰岩⑦: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0.5~1.0×2~4cm,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γ(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:
   各巖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
   γ(kN/m3) cK(kPa) K (o) (MPa) (MPa) fak kPa frk(MPa)
  含碎石粘土② 19.8 35 17 14 16 250 --
  碎石③ 21.0 20 30 18 20 300 —
  硬塑粘土④ 19.6 45 12 10 12 220 —
  可塑粘土⑤ 19.4 40 8 7 9 160 —
  破碎扁豆状石灰岩⑥1 25.0 75 33 E0=26 E0=30 500 --
  较破碎扁豆状石灰岩⑥ 26.5 200 35 E0=46 E0=52 1500 15
  中风化较完整扁豆状石灰岩⑦ 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②层、碎石③层、硬塑粘土④层、破碎扁豆状石灰岩⑥1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②层、碎石③层、硬塑粘土④层及破碎扁豆状石灰岩⑥1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⑥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② 25 650
  碎石③ 43 1100
  硬塑粘土④ 23 600
  可塑粘土⑤ 20 450
  破碎扁豆状石灰岩⑥1 55 1300
  较破碎扁豆状石灰岩⑥ 80 1600
  中风化较完整扁豆状灰岩⑦ 120 qpa=1600;E0=52
  备注:1、中风化较完整扁豆状灰岩⑦层根据钻探及施工情况,表中⑦层的CFG桩桩基设计参值建议按⑥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③、④层,局部为⑥1层,建议处理深度25m;2区范围处理岩土层主要为⑥1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 79—2012)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 79—2012)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25m,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,复合地基处理深按25m,下卧可塑粘土⑤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=20×15=300kPa,基础长宽按矩形基础40m×40m,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=20×40=800kPa, Pz+ Pcz=37+800=837kPa< faz=1420 kPa(复合地基底面处⑤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⑤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=20×15=300kPa,基础长宽按矩形基础40m×40m,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=20×35=700kPa, Pz+ Pcz=20.96+700=720.96kPa< faz=1260 kPa(复合地基底面处⑤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=12×780/220=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⑤层顶面处附加压力值Pz=37kPa,⑤层底面处附加压力值Pz=0时的压缩层厚度为3.9m,⑤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=30×830/500=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⑤层,⑤层顶面处附加压力值Pz=20.96kPa,⑤层底面处附加压力值Pz=0时的压缩层厚度为2.2m,⑤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較多的工程地质问题,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 79—2012);
  [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 50007—2011。
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