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第 43 卷 第 2 期 2013 年 1 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 2 Jan． 2013 强夯 CFG 桩复合地基在较厚回填土中的应用 郑宇 1， 王天勇2， 杨 铮 1， 金灿国1， 王建华1， 张相勇1， 董素芹3 1 北京市建筑设计研究院有限公司， 北京 100045; 2 鄂尔多斯市城投房地产开发有限公司， 鄂尔多斯 017100; 3 内蒙古农业大学职业技术学院建筑工程技术系， 包头 014000 ［摘要］通过工程实例， 介绍了在较厚回填土中采用强夯 CFG 桩复合地基进行地基处理以提高地基承载力及控 制沉降的设计及施工方法。强夯后对表层土进行标准贯入试验及静力载荷试验， 打入 CFG 桩后对复合地基承载力 进行单桩复合地基静载荷试验与单桩竖向抗压静载荷试验检测， 结果表明地基承载力与变形均满足规范要求。工 程实例表明采用此方法可节约造价、 缩短工期且安全可靠。 ［关键词］强夯;CFG 桩;回填土;地基处理 中图分类号 TU472. 99文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2013 02- 0079- 04 Application of dynamic compaction and CFG pile composite foundation in the treatment of thick backfill Zheng Yu1，Wang Tianyong2，Yang Zheng1，Jin Canguo1， Wang Jianhua1，Zhang Xiangyong1，Dong Suqin3 1 Beijing Institute of Architectural Design，Beijing 100045，China;2 Erdos City Investment Real Estate Development Co．，Ltd．，Erdos 017100，China;3 Department of Architectural Engineering Technology of Inner Mongolia Agricultural University，Baotou 014000，China Abstract The design and construction of dynamic compaction plus cement fly-ash grave CFG pile were introduced to enhance the bearing capacity of foundation and control foundation settlement in thick backfill by an engineering example． The standard penetration test and static loading test were carried out to topsoil compacted by dynamic compaction，and the bearing capacity of the composite foundation processed by dynamic compaction and CFG was detected by static loading test of single pile composite foundation and vertical compression static loading test of single pile． The results show that the bearing capacity and deation of composite foundation are acceptable and can meet the requirement of related codes．Moreover，the engineering example shows this can shorten the construction period and is economic，convenient and safe． Keywords dynamic compaction;cement fly-ash grave pile;backfill;foundation treatment 作者 简 介 郑 宇，硕 士， 工 程 师，一 级 注 册 结 构 工 程 师，Email 13520133188 126． com。 1工程概况 工程位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗阿勒腾席热镇 东侧， 乌兰木伦河南岸的核心高层区。工程包括 9 栋高层住宅和 1 个地下车库， 如图 1 所示， 其中 1、 6楼 29 层， 总高 87. 950m; 2 ～ 5 楼 26 层， 总高 79. 550m; 7， 9楼 28 层， 总高 81. 650m; 8楼 30 层， 总高 87. 450m; 地下车库顶板上覆土厚 2m; 每栋楼 均设 2 层地下室， 总建筑面积约 17 万 m2。住宅采 用剪力墙结构， 基础采用筏板基础， 地下车库采用框 架-剪力墙结构， 基础采用独立柱基 墙下条基。基 底绝对标高 1 282. 10 ～ 1 282. 40m。 2地质条件 场地的抗浮设计水位 1 277. 60m; 场地内各层 土的厚度、 层底标高、 承载力特征值及变形指标见表 1; 桩基设计参数见表 2， 其中 l 为桩长， m。 3地基处理方案 基底处于回填土层之内， 场地内回填土普遍分布 图 1住宅及地下车库布置示意 且厚度较大， 最大厚度达 17. 3m， 平均厚度12. 2m。 回填土呈松散状态， 为平 整场地回填土， 堆积年代 短， 尚未完成自重固结， 且厚度变化较大， 为不均 匀地基， 不能作为建筑物 基础持力层， 需要进行地基处理。 住宅 要 求 的 地 基 承 载 力 特 征 值 为 520 ～ 600kPa。结合当地情况， 要达到如此高的承载力可 选用的方法有 1 采用 CFG 桩进行地基处理; 2 采 用钻孔灌注桩。由于本场地有较厚的松散回填土， 容易塌落， 很难保证干作业钻孔机械能顺利成孔; 若 采用泥浆护壁钻孔桩， 在回填土层也会严重跑浆， 造 成基坑表层湿陷， 甚至影响基坑边坡安全。因此， 只 建筑结构2013 年 各层土物理力学指标表 1 土层名称土层厚度 /m层底标高 /m 密度 / g/cm3 压缩模量 Es1- 2/MPa 变形模量 E0/MPa 抗剪强度 内摩擦角 φ/ 黏聚力 c/kPa 承载力特征值 fak/kPa 人工填土7. 80 ～ 17. 301 272. 85 ～ 1 280. 74 ①粉砂0. 70 ～ 10. 001 269. 77 ～ 1 278. 821. 636. 018140 ②细砂4. 40 ～ 18. 101 262. 66 ～ 1 272. 741. 9218. 0180 ③中砂4. 70 ～ 19. 001 252. 21 ～ 1 260. 382. 1222. 024250 ④全风化泥质粉砂岩0. 70 ～ 4. 301 249. 61 ～ 1 258. 272. 2616. 025. 02230350 ⑤强风化泥质粉砂岩2. 3218. 085. 04075650 灌注桩桩基设计参数表 2 土层名称 泥浆护壁钻孔桩干作业钻孔桩 极限侧阻 力标准值 qsik/kPa 极限端阻 力标准值 qpk/kPa 极限侧阻 力标准值 qsik/kPa 极限端阻 力标准值 qpk/kPa 素填土 ①粉砂5050 ②细砂5050 ③中砂601 800 15≤l≤30653 800 15≤l≤30 ④全风化泥质粉砂岩1001 400 15≤l≤301101 600 15≤l≤30 ⑤强风化泥质粉砂岩1402 200 30≤l1602 600 30≤l 能采用 CFG 桩进行地基处理。 CFG 桩复合地基需要利用桩间土提供部分承 载力， 基底下回填土层厚度为 1. 6 ～ 9. 6m， 需要对该 土层进行加固。因地下水较深、 需要处理的土层厚 度平均为 5. 6m、 场地四周居民稀少， 强夯法作为既 经济又快捷的地基处理方法成为首选。因整个地下 车库与各住宅为一体， 故进行整体强夯。7， 8， 9 楼所在范围， 因其下部回填土厚度较厚， 受到强夯法 影响深度的限制 ［1］， 分 2 层强夯， 其余范围均按 1 层 进行强夯。 具体做法为 1 基坑开挖至标高 1 484. 32m; 2 7， 8， 9楼所在范围， 开挖至 1 477. 32m 后进行首 层强夯， 之后回填至 1 484. 32m 进行初步碾压; 3 整 个基坑 含 7， 8， 9楼 进行强夯。施工顺序 第一 遍单点夯 采用单击夯击能为 3 000 kN m， 主夯 点间距采用 6. 5m 6. 5m 正方形布置， 点夯击次数 控制在 6 ～ 10 击， 夯坑深度控制在 1m 以内， 并且以 最后 2 击平均夯沉量不大于 50mm 进行控制， 推土 机整平; 第二遍单点夯 采用单击夯击能为3 000 kN m， 主夯点在第一遍主夯点的中心点布置， 点夯 击次数控制在 6 ～ 10 击， 夯坑深度控制在 1m 以内， 且以最后 2 击平均夯沉量不大于 50mm 进行控制， 推土机整平; 第三遍满夯 采用单击夯击能为 1 000kN m， 每点夯击 2 击， 锤印搭接 1 /4。 4强夯加固效果 强夯后对处理土层采用标准贯入试验和静力载 荷试验进行检测。布置标准贯入试验钻孔 29 个， 编 号为 zk1 ～ zk29， 其中 zk1， zk2， zk3 为 7， 8， 9楼第 一遍强夯后标准贯入试验钻孔; 布置静力载荷试验 点 12 个， 编号为 Jz1 ～ Jz12， 其中 Jz1， Jz2 为 7， 9楼 第一遍强夯后静力载荷试验点。检测点位置如图 2 所示。 标准贯入试验结果见表 3， 根据标准贯入试验 值 N 16 ～ 31， 平均值 N平均 22， 可知强夯后的地基 土承载力有较大提高， 地基土达到中密状态。 图 2检测点布置 标准贯入试验结果统计表 3 地层统计个数锤击数 N 值平均值 N平均标准差 变异系数 回填土11616 ～ 31224. 0250. 183 静力载荷试验首级荷载均为 80kPa， 分级荷载 均为 40kPa， 试验进行到地基土被压垮为止， 加载方 法均采用分级维持荷载沉降相对稳定法。平板静力 载荷试验的荷载-沉降曲线 p-s 曲线 见图 3。 由 p-s 曲线可以看出， 曲线均出现了比较明显 的陡降段， 沉降速率随时间的变化呈递增趋势， 试验 结束前载荷板周围土层均出现隆起和开裂现象。结 合 p-s 曲线特征可以确定， 在最大荷载 360 ～ 440kPa 条件下， p-s 曲线均出现了极限状态， 表明受压土层 均进入了剪切破坏状态。具体试验结果见表 4。 载荷试验所测得的强夯地基承载力特征值介于 160 ～ 200kPa 之间， 极差为 22 ， 因此可取 12 个平 板静力载荷试验结果的平均值作为强夯地基的承载 力特征 值， 即 fak 181. 7kPa， 变 形 模 量 平 均 值 为 08 第 43 卷 第 2 期郑宇， 等． 强夯 CFG 桩复合地基在较厚回填土中的应用 图 3荷载-沉降曲线 静力载荷试验结果表 4 试验点 承载力特 征值 /kPa 变形模 量 /MPa 试验点 承载力特 征值 /kPa 变形模 量 /MPa Jz120020. 8Jz718018. 1 Jz218025. 5Jz816013. 5 Jz320013. 5Jz920016. 6 Jz418014. 4Jz1020015. 4 Jz516017. 6Jz1118015. 2 Jz618017. 4Jz1216012. 9 16. 7MPa， 极限侧阻力标准值 qsik 50kPa。 5CFG 桩复合地基设计及施工 5. 1 CFG 桩复合地基设计 以 2楼为例， 要求复合地基承载力特征值至少 达到 520kPa， 最终整体沉降量不得大于 50mm。根 据当地提供的打桩机械参数， 采用的 CFG 桩参数为 桩径 500mm， 桩间距 1. 7m， 桩身混凝土强度等级为 C20， 桩长 19m， 进入桩端持力层③层 中砂层 不小 于 1m。根据地质勘察报告及强夯处理检测报告提 供的各土层桩极限侧阻力标准值及极限桩端阻力特 征值， 按文献［ 2］的公式 9. 2. 6 进行计算， 并按文 献［ 2］ 的公式 9. 2. 7 验算， 得出单桩承载力特征值 为 Ra 1 100kN。 CFG 桩 复 合 地 基 承 载 力 特 征 值 的 计 算 公 式 为 ［2］ fspk m Ra Ap β 1 － mfsk 1 式中 fspk为复合地基承载力特征值， 本工程要求 f spk ≥520kPa; fsk为处理后桩间土承载力特征值， 本工程 为 181. 7kPa; β 为桩间土承载力折减系数， 本工程取 0. 85。经计算， fspk 525kPa ＞ 520kPa。 按文献［ 2］ 的第 9. 2. 8 条及文献［ 3］ 的第 5. 3. 5 条进行沉降计算， 得到 2楼的整体沉降为 34. 3mm。 地下车库采用独立柱基 墙下条基的基础形式。 按照内力不同， 独立柱基下分 4 种布桩形式， 见图 4。 上部结构要求独立柱基下 CFG 桩复合地基承 载力特征值不小于 350kPa， 最终沉降量不得大于 50mm， 相邻柱基沉降差不超过 0. 002L L 为相邻柱 基中心距， mm 。以 JC1 为例， 桩径 400mm， 桩间距 1. 5m， 桩身混凝土强度等级为 C20， 桩长 14m， 进入 桩端持力层③层 中砂层 不小于 1m。对 JC1 按前 述方 法 计 算 后 得 到 Ra 680kN， fspk 448kPa ＞ 350kPa， 最终沉降 16. 3mm。而与 JC1 相邻的 JC4 最 终沉 降 值 为 18. 2mm， 沉 降 差 1. 9mm ＜ 0. 002L 16. 2mm， 满足规范要求。 计算结果表明， 住宅的沉降量大于地下车库的沉 降量， 设计时在住宅周边设置沉降后浇带， 待住宅封 顶、 绝大部分沉降已经发生后， 后浇带再予以封闭。 图 4桩位布置 5. 2 CFG 桩施工中出现的问题及处理方案 CFG 桩的施工顺序通常为隔 1 打 1， 本工程由 于土层相对松散， 采用隔 2 打 1 的方式。CFG 桩施 工时， 严禁先提钻后打混凝土， 要求钻杆采用下出 口， 并设出气孔，控制提杆时间及速度， 进行钻孔记 录。施工时 6楼的局部有约 6m 6m 范围出现塌 孔、 地面下陷现象， 其他桩施工顺利。经分析可能在 基底下约 16m 处土层存在局部黏土透镜体， 钻杆在 此处向下钻进困难， 连续施钻约 20min， 人为导致局 部土层剪切液化，造成塌孔、 地面下陷现象。处理 方案将此范围桩径改为 0. 4m 以减小土体对钻杆 的扭矩 ， 间距改为 1. 2m， 桩长 25m。处理后， 施工 情况良好， 完成打桩。 6复合地基检测及沉降观测结果 6. 1 复合地基检测 复合地基承载力特征值检测分为单桩复合地基 静载荷试验和单桩竖向抗压静载荷试验， 每栋楼均 设有 3 个单桩复合地基静载荷试验点和 3 个单桩竖 向抗压静载荷试验， 地下车库设有 24 个单桩复合地 18 建筑结构2013 年 基静载荷试验点和 24 个单桩竖向抗压静载荷试验。 以 2楼为例， 单桩复合地基静载荷试验现场共 测试 3 个载荷点， 分别为 ZH- 1， ZH- 2， ZH- 3。终止加 载后各点均未达到极限载荷， 且沉降量均相对较小。 具体试验情况及沉降量见表 5。单桩竖向抗压静载 荷试验现场共测试 3 个载荷点， 3 个试验点总历时 及最终沉降量见表 6， 终止加载后桩身均完好。 单桩复合地基静载荷试验检测点试验情况表 5 点号 总历时 /min 首级加荷值 /kPa 终止加荷值 /kPa 最终沉降量 /mm ZH- 11 6801301 0407. 71 ZH- 21 6801301 0407. 59 ZH- 31 6801301 0407. 52 单桩竖向抗压静载荷试验检测点试验情况表 6 点号 总历时 /min 首级加 荷值 /kN 终止加 荷值 /kN 最终沉降 量 /mm ZH- 11 5004402 2004. 86 ZH- 21 5004402 2004. 65 ZH- 31 5004402 2005. 05 单桩复合地基静载荷试验及单桩竖向抗压静载 荷试验的 p 或 q -s 曲线如图 5，6 所示。由检测结 果可知， 经强夯 CFG 桩复合地基处理后， 地基承 载力及变形均能满足规范要求， 且试验结果均好于 计算结果， 按文献［ 2］计算的 CFG 桩复合地基承载 力特征值是偏于安全的 ［4］。 图 5 ZH- 1 单桩复合地基 p-s 曲线 图 6 ZH- 1 单桩竖向抗压 q-s 曲线 6. 2 沉降观测结果 目前该小区各住宅楼及地下车库均已封顶， 后 浇带已封闭。现仍以 2楼为例， 给出沉降观测结 果。2楼共设置 6 个观测点， 如图 7 所示， 各点的沉 降观测结果见图 8。高层建筑沉降发展一般经历 3 个阶段， 即自重应力阶段、 附加应力阶段和恒应力阶 段， 而自重应力阶段加附加应力阶段的沉降称为施 工沉降。图 8 中各点反映的趋势为施工沉降， 最大 沉降量 14. 4mm， 参考文献［ 5］ ， 可认为主体封顶时 完成的沉降量占最终沉降量 70 左右， 因此预估本 楼的最终沉降不超过 30mm， 满足规范要求。 图 7 2楼观测点布置图 根据文献［ 2］的第 9． 2． 8 条及文献［ 3］的第 5． 3． 5 条计 算各楼封顶时沉降及最终沉 降， 计算结果见表 7， 并在表 7 中给出沉降观测结果予以对 照， 表中的预估最终沉降是参 考文献［ 5］得到的。由表 7 可 知结构封顶及最终沉降量的 计算值均大于相应的实测值。 图 8 2楼楼层-沉降曲线 计算沉降与观测结果对比表 7 楼号 基础 面积 /m2 封顶计 算沉降 /mm 最终计 算沉降 /mm 状态 沉降观 测结果 /mm 预估最 终沉降 /mm 167721． 036. 6封顶16. 323. 3 266419. 534. 3封顶14. 420. 6 352919. 934. 0封顶13. 519. 3 453219. 934. 0封顶14. 320. 4 566419. 534. 3封顶13. 118. 7 667721. 036. 6封顶15. 722. 5 7 ～ 91 39119. 634. 6封顶14. 320. 4 7结语 结合在较厚回填土上建设高层住宅这一工程实 例， 经过方案比较， 选择强夯 CFG 桩复合地基的 地基处理方式， 并对处理后的地基进行单桩竖向抗 压静载荷试验和单桩复合地基静载荷试验， 试验结 果证明地基承载力及变形均能满足设计要求， 且试 验结果均好于计算结果。目前已封顶主体的沉降观 测结果亦均小于计算结果。因此， 在较厚回填土中 采用强夯 CFG 桩复合地基进行地基处理， 处理后 的地基承载力和变形均满足规范要求， 由此证明这 种处理方法是安全合理的， 且该方法具有操作简便、 施工速度快、 费用低等特点， 可作为类似地质条件下 地基处理方式之一。 下转第 27 页 28 第 43 卷 第 2 期梁伟， 等． 国航飞行模拟训练基地乘务训练大楼结构设计 地震作用下支座节点最大位移 /mm表 13 地震波 乘务楼专业教学楼 XYXY RH1TG04528. 650. 673. 951. 3 TH2TG04527. 180. 054. 933. 4 TH3TG04545. 546. 673. 866. 2 平均值33. 759. 167. 550. 3 际结果相差较大， 因此， 连接体的结构分析主要采用 SAP2000 软件对结构整体分析的结果。 4. 3. 1 连接体正常使用状态分析 通过对连接体在恒荷载、 活荷载下结构反应的 计算， 得出计算结果见表 14。由表可以看出， 本工 程两个连接体的竖向挠度基本均满足 L/400 恒 活 及 L/500 活 的要求 ［2］ L 为连接体跨度 。 竖向荷载作用下连接体挠度表 14 连接体 恒荷载活荷载恒 活 跨中挠 度 /mm 与跨度 比值 跨中挠 度 /mm 与跨度 比值 跨中挠 度 /mm 与跨度 比值 连接体 1751 /560 151 /2 800901 /467 连接体 2791 /506 221 /1 8181001 /400 4. 3. 2 连接体地震作用分析 由于两个连接体使用功能不同， 因此在实际设 计时也对两个连接体进行了不同的处理 考虑到连 接体 1 具有建筑使用功能 专业教室 ， 因此在实际 设计时进行了中震弹性设计; 连接体 2 仅为建筑造 型， 无建筑使用功能， 其在工程中重要性明显不如连 接体 1， 因此在实际设计时仅按小震弹性、 中震不屈 服进行设计。 4. 3. 3 连接体舒适度分析 由于连接体 1 跨度大， 自重也大， 竖向自振周 期为 0. 552 80s， 竖向自振频率为 1. 81Hz。很难达 到城市 人 行 天 桥 与 人 行 地 道 技 术 规 范 CJJ 6995 中规定的天桥竖向自振频率不应小于 3Hz 的要求。 参考 有 关 人 行 天 桥 舒 适 度 分 析 的 相 关 资 料 ［3， 4］， 采用 SAP2000 对连接体 1 进行舒适度分析， 分析中采用的蹲伏荷载激振为 F t G 1 sin 2π T [] t 式中 G 为单个成年人的重力荷载， 为 650N; T 为蹲 伏周期， 取连接体 1 本身的自振周期 0. 552 80s。 经计算， 连廊在此蹲伏荷载激振下， 竖向加速度 最大值为 0. 131 18m/s2， 小于 0. 5m/s2， 满足连廊在 竖向荷载作用下的舒适度要求。 5结语 1 对连体结构的结构设计， 须根据连接体的 使用功能、 所在位置、 刚度大小以及主体结构的特点 来确定连体形式是强连接或弱连接。 2 一般来说， 连体结构的受力性能均比较复 杂， 须采取必要的结构计算与分析措施， 以相对准确 地对结构整体进行分析。 3 当连接体刚度较小时， 强连接方案容易使 连接体产生很大内力， 同时连接体跨度较大时可优 先考虑柔性连接方式。在柔性连接的连体结构中， 选取一个合适的支座能在很大程度上改善结构的受 力特性。 4 当连接体所在楼层高度较低时， 并且连接 体跨度不大时可以采用滑动支座。此时， 支座的设 计要留出足够的滑移量， 支座的滑移量应能避免两 个方向罕遇地震作用下连接体可能脱落而产生的次 生灾害。同时， 还为柔性连接的支座设计提供指标 要求。 5 采用弱连接的连体结构， 主体结构的设计 可以在整体计算分析的基础上通过采取一定的计算 分析方法进行单独分析， 以便简单方便地开展设计。 6 通过柔性连接的连体结构， 须对连接体在 大震作用下的位移量进行计算， 以保证结构不会发 生碰撞， 并为支座设计提供指标要求。 参考文献 ［1］肖从真， 李勇， 李跃林， 等． 当代 MOMA 工程结构设计 ［J］． 建筑结构， 2006， 36 S1 10- 14． ［2］GB 500172003 钢结构设计规范［S］． 北京 中国计划 出版社， 2003． ［3］冯鹏， 金飞飞， 叶列平． FRP 人行天桥的结构性能与设 计指标研究［J］． 建筑科学与工程学报， 2011， 28 3 14- 22． ［4］黄健， 王庆扬， 娄宇． 基于国内外不同标准的人行天桥 舒适度设计研究［J］． 建筑结构， 2008， 38 8 106- 110． 上接第 82 页 参考文献 ［1］段士伟． 强 夯 加 固 影 响 深 度 之 讨 论［J］． 建 筑 结 构， 2000， 30 5 53- 56． ［2］JGJ 792002 建筑地基处理技术规范［S］． 北京 中国 建筑工业出版社， 2002． ［3］GB 500072011 建筑地基基础设计规范［S］． 北京 中 国建筑工业出版社， 2012． ［4］佟建兴，胡志坚． CFG 桩复合地基承载力确定［J］． 土 木工程学报， 2005， 38 7 87- 91． ［5］朱炳寅， 娄宇， 杨琦， 等． 建筑地基基础设计方法及实 例分析［M］． 北京 中国建筑工业出版社， 2007． 72