高层建筑结构设计中素混凝土桩（CFG桩）复合地基的应用

高层建筑结构设计中素混凝土桩（CFG桩）复合地基的应用

罗晓敬

罗晓敬

陕西方圆工程设计有限责任公司陕西西安710000

摘要：本文结合具体工程案例，分析素混凝土桩（CFG桩）复合地基在高层建筑设计中的应用。通过比较，说明素混凝土桩（CFG桩）复合地基在高层建筑中造价低廉、节约成本。在具体设计中，对有关参数的取值及应注意的事项，进行了全面的分析。希望本文能够为相关结构设计人员提供借鉴和参考。

关键词：高层建筑；结构设计；素混凝土桩（CFG桩）；复合地基；

前言：

时代在飞速发展，我国的高层建筑也越来越多，素混凝土桩（CFG桩）复合地基在高层工程建设中也得到广泛的应用，在实际工程设计过程中笔者结合具体工程案例就素混凝土桩（CFG桩）复合地基设计中的问题进行分析，并提出了一些看法和意见，以此来探究设计中存在的问题，仅供参考。

一、工程简介及地质条件

拟建场地在西安市南郊，建筑物为23层，高度为99.0米，框架剪力墙结构，荷载标准组合为580kPa，基础埋深9米。拟建工程场地地貌单元属西安黄土梁洼地貌。地形总体南高北低。工程土层主要由全新统人工填土、晚更新统风积黄土、残积古土壤和中更新统风积黄土、残积古土壤组成。

二、地基处理方案的选择

1、天然地基方案分析：基础埋深9m，则地基持力层为第②层黄土，下卧层为第③层古土壤。结合湿陷性处理的要求，甲类建筑应消除地基的全部湿陷量，由于第②③⑤层土具湿陷性，应全部处理，因此，天然地基不适合。

2、复合地基方案分析：根据工程场地湿陷性土层分布较厚、且建筑物荷载较大的特点，可考虑采用预处理的CFG方案。即先采用素土挤密桩处理上部土层的湿陷性，然后采用CFG桩复合地基。

3、桩基础方案分析：根据本场地的岩土条件和建筑物荷载的特点，建筑物地基宜采用桩基础，桩型选用钢筋混凝土钻孔灌注桩。30.0m以下古土壤、粉质粘土层分布稳定，是可利用的桩端持力层。由于场地内的自重湿陷性黄土层厚度较大，直接采用桩基础时，桩侧负摩擦力对桩基础承载力的发挥影响较大，因此，应考虑预先采用8m左右素土挤密桩处理土层的湿陷性，然后采用桩基础。

通过以上分析，只能选用复合地基或桩基础处理。以下就两种地基处理方案做以下性价比较：素混凝土桩（CFG桩）复合地基：正方形布置，桩径0.5米，桩长23米；桩间距1.4米，单桩竖向承载力特征值900kN，素混凝土桩（CFG桩）复合地基承载力特征值580kPa，共888根，预估方量2486.4立方米，预估造价：200万：桩基础处理：钢筋混凝土灌注桩，共230根，桩径0.7米，桩长33米；单桩承载力3100kPa，预估方量2852立方米，预估造价：286万。从以上比较可以看出，素混凝土桩（CFG桩）复合地基造价低廉，节约成本。

三、素混凝土桩（CFG桩）复合地基设计中应注意的问题

3.1桩长、桩径、桩间距的选择及承载力的计算

素混凝土桩（CFG桩）复合地基的桩长可分为打桩桩长和有效桩长，打桩桩长一般比有效桩长多0.5米，工程桩施工完后破除桩头0.5米，这样可以使有效桩长更好的发挥作用。本工程场地30.0米以下⑨层古土壤分布稳定，地基承载力相对较高，可作为素混凝土桩（CFG桩）的桩端持力层，CFG桩处理深度23.0米。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2012J220—2012）估算CFG桩的单桩竖向承载力特征值及CFG桩复合地基承载力特征值公式如下：

n

Ra=up∑qsilpi+apqpAp[1]

i=1

Ra

fspk=λm—+β（1-m）fsk[1]

Ap

通过计算，本工程桩长可取23米，正方形布桩，桩间距为1.4米，单桩承载力900kN，素混凝土桩（CFG桩）复合地基承载力特征值580kPa，满足设计要求。

素混凝土桩（CFG桩）复合地基的有效桩长显著的特点，主要是依靠桩侧的摩擦将桩体上的荷载传递给地基土体，当然桩体与地基土体之间对荷载传递的规律也会造成较大的影响。

高层建筑中的复合地基承载力的表达方式是依据载荷试验结果而定的，因为大多数试验都是用“小压板”来进行操作的，其中复合地基中的承压板面积并不能及时的采用单桩进行处理，或者是没有依据复合地基多桩的实际承担面积处理，基于这种情况就出现当前通行的承载力表达式，表达方式中应包含复合地基的承载力标准值、桩体单位截面积承载力标准值、桩间土的承载力标准值、面积置换率以及桩土应力比。此外，规范中可以根据经验来估算承载力。

3.2桩体的材料及强度

在桩体强度设计中要按照公式fz≥3Ra/Ap相关公式，对fz进行计算，fz代表的是抗压强度平均值。本工程通过计算选用混凝土强度等级为C35。桩体材料选用的强度，关系到桩体有效性的参数值，必须经过认真计算确定。素混凝土桩（CFG桩）复合地基在西北地区最近几年高层工程中得到广泛应用，这种素混凝土桩（CFG桩）复合地基处理，对承载力有大幅的提高，而且地基变形小，对地区土质适应性较强。

3.3褥垫层的厚度

桩顶与基础之间，应设置褥垫层，褥垫层的厚度一般为0.2～0.3米，其材料一般选用级配砂石、中砂、粗砂等。褥垫层的作用：a、调整桩与土水平荷载的分担，褥垫层厚度越大，土分担水平荷载的百分比越大，桩分担的百分比越小；b、可以减少基础底面的应力集中；c、可以保证桩和土共同承担上部传来的荷载；d、改变褥垫层的厚度，可以调整桩与土分担上部荷载的比例，褥垫层越薄，桩承担上部荷载越大，相反褥垫层越厚，桩承担上部荷载越小。褥垫层的设置，可以让桩间土的承载力大大增强。本工程的褥垫层厚度为0.2米，材料采用级配砂石，最大粒径不大于30mm，砂石内中粗砂掺入量为20%～30%。夯实后的褥垫层厚度与虚铺厚度之比不得大于0.90。褥垫层铺设采用静力压实法。

3.4施工工艺

本工程素混凝土桩（CFG桩）的成孔工艺采用长螺旋钻孔泵压混合料施工工艺，采用这种工艺可以对桩间土不产生扰动，不产生挤密，属不挤土成桩工艺；振动沉管打桩机属挤土成桩工艺，对桩间土产生扰动，产生挤密。长螺旋钻孔施工工艺主要是用于粘性土、粉土、人工填土及松散砂土等地质条件，它具有施工操作比较方便、施工成本费用较低、对桩间土不产生扰动、挤密的优点。

3.5沉降验算

复合地基的沉降计算在高层建筑结构设计中也十分重要，在实际设计过程中工作人员应将复合地基的总沉降量控制在允许范围之内，因为这是复合地基能否成功的关键因素之一。当然复合地基的沉降计算主要指的是地基复合层下面没有坚硬的土层。同时整个复合地基的总沉降量应由两部分组成，一部分是复合层的沉降量，另一部分则是下卧层的沉降量。当然，倘若复合地基的下卧层已经处在整个压缩层范围之下时，或者是在当可以忽略不计时我们只需计算复合层的沉降量即可[2]。本工程沉降计算利用赢建科基础计算软件进行计算，最大的沉降量为30.9毫米，符合规范设计要求。

结语：

素混凝土桩（CFG桩）复合地基在高层建筑结构设计中扮演着十分重要的角色，其设计的时效性会直接影响建筑工程的效率和质量，但是很多时候设计过程中依然存在着诸多问题。因此，笔者本文就高层建筑结构设计中素混凝土桩（CFG桩）复合地基进行相关探讨，其主旨是为了提升高层建筑的地基处理的质量和效益。

参考文献：

[1]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2012J220—2012）.

[2]代发能.高层建筑素混凝土桩复合地基的设计分析[J].建材与装饰，2018（29）：128-129.