回填土地基上獨立基礎的CFG樁復合地基設計

高美玲 鄭祺愷 孫少游 張紅濤 閆佐菲

摘 要：CFG樁復合地基主要用于多層及高層建筑物，以往的研究和應用主要是針對基礎埋深相對較深的情況。對于回填土地基的獨立基礎，采用樁基礎相對較多，采用CFG樁復合地基較少。文章從受力機理、變形特性和工程造價等角度對樁基礎和CFG樁復合地基進行對比分析，探討了CFG樁復合地基的優勢。同時，依托具體工程實例，依據不同規范，對回填土地基上獨立基礎的CFG樁復合地基沉降計算進行對比分析。結論如下：對于承載力要求不高的獨立基礎，相比樁基礎，CFG樁復合地基在滿足承載力和變形控制的前提下，能夠大幅度節約工程造價；位于回填土地基上的獨立基礎CFG樁復合地基設計以沉降控制為主，承載力計算和沉降計算均需考慮填土的不利影響，沉降計算需按照整體進行協同計算。

關鍵詞：樁基礎；回填土地基；獨立基礎；CFG樁復合地基

CFG pile design of independent foundation on backfill soil foundation

GAO Meiling1， ZHENG Qikai2， SUN Shaoyou1， ZHANG Hongtao1， YAN Zuofei1

（1.Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100082， China；

2.Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100120， China）

Abstract： CFG pile composite foundation is mainly used for multi-storey and high-rise buildings. In the past， researches and applications were mainly for the relatively deep foundation. For the independent foundation of backfill foundation， in general there is more pile foundation and less CFG pile composite foundations. This paper compares and analyzes the pile foundation and CFG pile composite foundation from the perspectives of stress mechanism， deformation characteristics and engineering cost. It also discusses the advantages of CFG pile composite foundation. Besides， relying on specific engineering examples， the settlement calculation of CFG pile composite foundation on the independent foundation of backfill foundation is compared and analyzed under different specification conditions. The following conclusions are drawn： for the independent foundation with low bearing capacity， compared with the pile foundation， CFG pile composite foundation can greatly save the engineering cost under the premise of meeting the bearing capacity and deformation control. The design of CFG pile composite foundation on the independent foundation of backfill foundation is mainly based on settlement control. The bearing capacity calculation and settlement calculation should consider the adverse effect of filling soil， and the settlement calculation should be calculated in accordance with the overall collaborative calculation.

Keywords： pile foundation; backfill soil foundation; independent foundation; CFG pile

隨著工程建設的迅速發展，復合地基以其特有的優勢得到了越來越廣泛的應用（韓煊等，2002；牛志榮等，2000；任貴生，2023）。復合地基是在天然地基中設置一定比例的增強體，由原土和增強體共同承擔從基礎傳來的建筑物荷載的一種人工地基（閆明禮等，2001）。增強體是由強度和模量相對高于原土的材料組成，習慣上將縱向增強體稱作樁。其中CFG樁復合地基應用最為廣泛，隨著行業發展，其從最初的由碎石和粉煤灰摻適量水泥加水拌和而成的水泥粉煤灰碎石樁，逐漸演變成現在的由商品混凝土澆筑而成的強度等級為C20-C35的素混凝土樁（王帥等，2021）。CFG樁復合地基主要用于多層及高層建筑物（俞競偉等，2003），基礎埋深相對較深，而對于回填土地基上的廠房應用相對較少（孫華波等，2020）。對于回填土地基的獨立基礎，采用樁基礎相對較多。本文從受力機理、變形特性和工程造價等角度對樁基礎和CFG樁復合地基進行對比，探討采用CFG樁復合地基的優勢，同時依托具體工程實例對此類型的CFG樁復合地基設計進行探索、總結，為后期類似項目提供借鑒和參考。

1 ?工程概況

某項目位于北京市大興區，建設內容以工業廠房為主，其中某廠房天然地基承載力和沉降不滿足設計要求，需要進行地基處理。廠房采用鋼筋混凝土框排架結構，縱軸長66 m，橫軸寬57.5 m，高度16 m，詳見圖1，主要設計條件及要求詳見表1。

依據結構設計圖紙，本項目采用獨立基礎+局部防水板，高度16 m，1F－2F/1D?；A高于現狀地面0.35/0.45 m，基礎直接持力層為素填土①層、黏粉—砂粉②層，黏粉—砂粉②層的天然地基承載力標準值為110 kPa，處理后地基承載力標準值不小于180 kPa，最大沉降量不大于80 mm，整體傾斜不大于2‰柱距。

2 ?方案比選

2.1 ?方案選型

項目區內工業廠房所需承載力僅為180 kPa，場地內土質均為承載力較低的黏性土。地基處理方案的選擇有兩大類：樁基礎和地基處理。采用樁基礎能夠滿足廠房的承載力和沉降要求，但其造價高，需要進行方案比選。

針對本項目的基礎型式、地層條件和周邊環境，可選用的地基處理方法主要有換填墊層、夯實地基和復合地基3種方法：

換填墊層：由于基底以下10多米才能到達分層地基承載力滿足使用要求的地層，而換填墊層一般處理深度為0.5～3.0 m，因此無法采用此方法。

夯實地基：該項目地處北京市大興區，雖然地處郊區，但是周邊存在住戶，如果采用夯實方法，勢必產生巨大噪聲及震動，對周邊居民產生環境污染，因此也無法使用此方法。

復合地基：復合地基主要包括散體材料樁和有黏結強度的樁。散體材料樁需在基礎范圍以外一定區域內布置，這是基于基礎的壓力向基礎外擴散，需要側向約束條件保證。對于軟土地層處理后得到的承載力一般為160 kPa左右，無法滿足本項目的承載力要求，因此不能采用散體材料樁。有黏結強度的樁主要有水泥土攪拌樁、旋噴樁、夯實水泥土樁、CFG樁復合地基等，對于此類樁，均能滿足本項目的承載力和沉降要求。但是依據北京地區多項工程實例，其中CFG樁復合地基施工質量易于保證、適用地層范圍廣，可以適用于目前所有的基礎型式，適用的工程為多層建筑、工業廠房及高層建筑。故本項目的地基處理選擇CFG樁復合地基。

因此，適用本項目的地基處理方案為樁基礎和CFG樁復合地基。

2.2 ?樁基礎和CFG樁復合地基對比

1）受力機理對比

樁基礎直接與樁和樁間土接觸，樁與承臺一般為剛性連接，在一定荷載作用下，樁承受較多荷載，隨時間的推移，樁產生的沉降大于承臺產生的沉降，樁承擔的荷載逐漸減少而承臺下土承擔的荷載逐漸增大，而樁間土基本不承擔荷載（黨昱敬，2016）。

CFG樁復合地基由于在樁頂和基礎之間設置了褥墊層，能保證樁土共同承擔荷載，減少基礎底面應力集中。通過改變褥墊層的厚度能夠調整樁土的荷載分擔比例，通常褥墊層越薄樁承載的荷載占總荷載的百分比越高（黨昱敬，2019）。褥墊層的設置可使樁間土承載力得到充分發揮，作用在樁間土表面的荷載在樁側的土單元體產生豎向和水平向附加應力，水平向附加應力作用在樁表面具有增大側阻的作用，在樁端產生的豎向附加應力對提高單樁承載力是有益的（龔曉南等，2019）。

綜上可知，CFG樁復合地基可使樁土共同承擔荷載，充分發揮樁間土的作用，在荷載不大的同等條件下，能夠承受更大的荷載。

2）變形特性對比

樁基沉降計算主要分為3種類型：樁中心距不大于6倍樁徑的樁基，單樁、單排樁、疏樁基礎，軟土地基減沉復合疏樁基礎。針對本項目的獨立基礎且天然地基無法滿足承載力要求的情況，樁基沉降計算應采用疏樁基礎進行計算。

依據JGJ 94－2008《建筑樁基技術規范》的相關計算原理，樁基礎沉降計算由考慮樁徑影響的Mindlin解計算得到基樁的附加應力確定樁底土層沉降量、承臺底土壓力按照Boussinesq解計算附加應力的樁底土層沉降量及樁身壓縮3部分組成。計算精細，但參數眾多，繁冗復雜。

CFG樁復合地基是按照Boussinesq解進行計算，復合土層的壓縮模量按照fspk /fak取值。原理清晰，計算簡單，而且根據多年積累的經驗，依據此方法得到的變形值能夠滿足實際使用需求。

綜上，樁基礎沉降計算和CFG樁復合地基沉降計算雖然計算原理不同，但都能滿足實際使用需求。從計算角度，CFG樁復合地基變形計算相對簡潔，更便于實操。

3）工程造價對比

CFG樁復合地基由最初的由碎石和粉煤灰摻適量水泥加水拌和而成的水泥粉煤灰碎石樁，演變成現在由商品混凝土澆筑而成的強度等級為C20-C35的素混凝土樁。而樁基礎除了采用商品混凝土外還需要設置一定數量的鋼筋（呂國等，2017）。首先在同等條件下，由于不設置鋼筋，CFG樁復合地基就可節約工程造價（唐維國等，2001）；其次從受力機理可知，CFG樁復合地基設置的褥墊層能夠充分發揮樁間土的作用（劉杰等，2001），而樁基礎則完全利用樁自身的承載力，因此在滿足相同承載力條件下，可以減少CFG樁復合地基的數量或者樁長，進而大幅度節約工程造價。

綜上可知，對于承載力要求不高的獨立基礎，采用CFG樁復合地基比樁基礎更有優勢，因此本項目選用CFG樁復合地基。

3 ?CFG樁復合地基設計

室內地坪±0.00=24.45 m，基底標高21.35/21.45 m（絕對標高），同現狀地表基本持平，基底附加應力取基底平均應力。根據結構專業提供的柱底荷載N（作用點標高-2.3 m，相對標高22.15），基礎自重Gk，計算基礎底面平均壓應力Pk1=（N+G k）/A。

基礎及上部結構施工完成后，基礎周圍回填土至設計標高，為大面積填土，回填土高度約3.0 m。填土增加的自重應力Pz =19×3=57 kPa。周圍填土對基礎底面的附加應力系數P0=0.25×4=1.00?；A周圍填土對基礎底面的附加應力P k2 =57×1.0=57.0 kPa。

基礎底面處Pk=Pk1+Pk2，基礎底面最大壓應力P k = 216 kPa，即復合地基承載力標準值 f a ≥ P k = 216 kPa。結構專業要求復合地基承載力標準值f a ≥ 180 kPa。取兩者最大值進行設計，取復合地基承載力值f spk ≥ 220 kPa計算。

樁間土為①黏質粉土—砂質粉土素填土及②黏質粉土—砂質粉土層，對樁間填土進行灰土換填，故樁間土綜合承載力標準值取110 kPa。

因場地范圍內大面積填土，樁周土層沉降超過基樁沉降，需考慮樁周土層負摩阻力。樁端持力層為黏性土和粉土，中性點深度比l s / l 0 = 0.5。根據場地地層情況，樁后軟弱土層為②層，下限深度l0位于4.7～6.3 m之間，取l 0=6.0 m計算。中性點深度l s=6.0×0.5=3.0 m，中性點以上土層側阻力為零，有效樁頂標高為18.00 m/18.10 m。

經計算，有效樁長為14.0 m時可滿足f spk≥220 kPa的要求，同時樁身強度等級為C25滿足樁身強度驗算。

4 ?地基沉降量

4.1 ?確定沉降計算深度

依據JGJ 79－2012《建筑地基處理技術規范》和DBJ 11－501－2009《北京地區建筑地基基礎勘察設計規范》（2016版），針對沉降計算深度有不同的計算準則，分別依據沉降比法和應力比法，計算得出的沉降計算深度略有差別，詳見表2。

4.2 ?計算結果與討論

對于CFG樁復合地基沉降計算，一般先考慮按照承載力控制原則進行計算（張欽喜等，2009）。依據《北京地區建筑地基基礎勘察設計規范（2016年版）》的相關計算原則，計算得到最終沉降量s=122.5 mm，大于80 mm，不滿足要求。因此需要考慮采用沉降控制原則進行最終沉降量控制?？紤]負摩阻力的前提下，按照滿足最終沉降量的要求反算得到復合地基承載力標準值為325 kPa。由于本項目為獨立基礎，彼此距離較近，相互之間會產生附加應力影響，因此應該按照整體考慮進行協同計算（劉俊飛等，2012）。3種計算方法的對比見表3。

因基礎四周大面積回填土高度約為3.0 m，沉降量計算需考慮周圍填土的影響。為考慮填土荷載，計算模型中，于基底處布置筏板，筏板厚度取10 mm，以減少筏板剛度對沉降量計算的影響。填土荷載Pz =19×3=57 kPa。計算模型簡圖見圖 2。

對比表3可知，按照沉降控制時f spk取值比按承載力控制大，致使CFG樁復合地基加固區內Es同比增大。計算得到的最終沉降量同比減小很多。由于CFG樁復合地基加固區內Es增大也使得壓縮模量當量值同比增大，因而使得沉降經驗系數同比減小。因此，對于單個獨立基礎而言，按照沉降控制計算得到的最大沉降量比同條件按照承載力控制計算得到的小。因整體協同計算時，考慮相鄰基礎的附加壓力影響，致使同條件下計算得到的最大沉降量相比單個基礎沉降控制要大。具體詳見圖3。

通過整體協同計算得出各個獨立基礎的沉降量，利用修正后的沉降量進行傾斜計算，得到基礎傾斜計算表，詳見表4。由表4可知，本項目最大傾斜為0.112%，小于20%，滿足要求。

5 ?結論

1）對于承載力要求不高的獨立基礎，因CFG樁復合地基設置了褥墊層，能夠使樁土共同發揮作用，在同等條件下，相比樁基礎，CFG樁復合地基在滿足承載力和變形控制的前提下，能夠大幅度節約工程造價。

2）地基處理的目的是增加地基土的承載力和減小地基的變形。對于采用獨立基礎的廠房或者多層建筑而言，其要求的承載力一般相對較低，采用CFG樁復合地基能滿足承載力要求，重點需要關注沉降及傾斜是否滿足要求。此類型的CFG樁復合地基設計以沉降控制為主。

3）位于回填土地基的獨立基礎，在CFG樁復合地基單樁承載力計算時需要考慮填土負摩阻力的不利影響，在沉降計算時同時要考慮回填土附加應力的不利影響，一般按照附加應力不擴散進行考慮。

4）對于獨立基礎的沉降計算而言，因相互距離較近，按現行規范工具箱計算沉降量，無法考慮臨近獨立基礎產生的附加應力影響，致使計算的沉降量相對較小。對于此類型沉降計算，建議按照整體進行協同計算。

5）對于回填土地基上的獨立基礎，應考慮大面積填土的附加應力影響，當樁端為黏粉—砂粉及粉土時，沉降計算深度建議依據《北京地區建筑地基基礎勘察設計規范》應力比準則確定。

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收稿日期：2023-09-05；修回日期：2023-10-11

第一作者簡介：高美玲（1987- ），女，碩士，高級工程師，主要從事巖土工程設計工作。E-mail：gml5258@126.com

引用格式：高美玲，鄭祺愷，孫少游，張紅濤，閆佐菲，2024.回填土地基上獨立基礎的CFG樁復合地基設計［J］.城市地質，19（1）：97-105