中心受压独立基础下CFG桩复合地基设计

中心受压独立基础下CFG桩复合地基设计雷晓雨1，闫雪峰2，谢立安3，孙连成4（1天津大学建筑工程学院，天津300072；2中国建筑技术集团有限公司，北京100013；3中国远大集团公司，北京100101；4中铁二十二局集团第二工程有限公司，北京100043）【摘要】通过具体算例，介绍了轴心荷载作用下独立基础CFG桩复合地基常规设计方法，讨论了常规等承载力设计法的不足，并给出了根据天然地基承载力、单桩承载力优选桩数和基础面积新的设计方法（称之为非等承载力设计方法）。【关键词】复合地基；CFG桩；非等承载力；中心受压DesignofCFG-pilecompositefoundationunderisolatedfoundationbearingcentriccompressionLEIXiao-yu1YANXue-feng2XieLi-an3SunLian-cheng4(1.CollegeOfCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072；2.ChinaBuildingTechniqueGroupCo.Led,Beijing100013；3.ChinagrandincGroupCo.Led.Beijing100101；4.ChinaRailway22NDConstructionBureau3rdEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100043)Abstract:Throughtheexamples,thispaperintroducesthetraditionaldesignmethodsofCFG-pilecompositefoundationunderisolatedfoundationbearingcentriccompression,discussesthedisadvantageofthetraditionaldesignmethods,andgivesoptimumdesignmethod(calledtheunequalbearingcapacitydesignmethod)ofpriorlychoosingthepilenumberandfoundationareaaccordingtothenaturalfoundationbearingcapacityandsinglepilebearingcapacity.Keywords:compositefoundation;CFG（CementFly-ashGrave）pile;unequalbearingcapacity;centriccompression0前言在遇到独立基础下CFG桩复合地基设计时，通常设定地基处理后每个基础下的复合地基承载力为同一数值，然后根据荷载和加固后的地基承载力确定基础面积，这种方法称为等承载力的设计方法。当柱荷载、柱间距变化不大时，这种复合地基设计是可行的。若相邻独立基础荷载水平相差很大时，将地基都加固到同一承载力，可能会出现如下问题：由于复合地基承载力相同，复合地基的复合模量相同，荷载大的基础选用的面积大，地基变形影响深度较深，基础沉降量大；荷载小的基础选用的面积小，地基变形影响深度较浅，基础沉降量小。因此相邻基础沉降差容易超出规范要求的限值。既然复合地基是人工地基，则可以通过人为调整设计参数使每个独立基础下CFG桩复合地基承载力不等，即对荷载小的基础下的地基，通过增大桩距或减小桩长，使处理后复合地基承载力小一些，复合地基的模量相对较小；对荷载大的基础下的地基，通过减小桩距或增大桩长，使处理后复合地基承载力大一些，复合地基的模量相对较大。也就是基础荷载大，地基刚度大；基础荷载小，地基刚度小。采用变刚度调平设计理念，使整个建筑物下每个独立基础的变形相差很小，相邻基础沉降差很容易控制在规范允许的范围之内。称这种设计为非等承载力的设计方法。下面通过具体算例，进一步比较这两种设计方法的区别，以期更加合理地进行独立基础下CFG桩复合地基设计。文中只介绍基础受轴心荷载作用的情况，偏心荷载下复合地基设计将另文讨论。1复合地基等承载力设计方法如图1所示，天然地基承载力特征值fak=140kPa，要求加固后复合地基承载力特征值fspk=300kPa，基础J1：Fk=3600kN，基础J2：Fk=800kN，柱距6m，设计要求柱间沉降差≤0.0025。Fk=3600kND=2mBe方形基础土Gk3120kN/m粉质粘土fak=140kPa3220kN/m①Es=6MPa②粉土褥垫层J2Fk=800kNBe方形基础土GkD=2mJ1褥垫层15m20kPa500kPasapaqq图2两相邻柱荷载水平相差较大独立基础示意图1荷载水平相差较大、桩端持力层较厚的两相邻柱独立基础示意（1）基础J1下复合地基设计1）确定复合地基承载力特征值fspk设计有效桩长8m，桩径d=0.4m，桩距S＝1.2m，面积置换率m=0.087，计算单桩竖向承载力特征值Ra[1]：apappsiaiRqAuql（1）式中：qpa，qsia分别为桩端端阻力、桩侧摩阻力特征值；Ap为桩底端横截面面积；up为桩周长；li为第i层岩土的厚度。经计算：aaspk0.43.148200.253.140.40.4500264kN260kNRRf[2]取。根据下式计算复合地基承载力特征值：aspkskp(1)RfmmfA取skakff得：aspkakp(1)RfmmfA（2）式中为桩间土承载力折减系数，此处取0.95。将各量代入上式得spk2600.0870.95(10.087)140300kPa0.1256f。2）按下式确定修正后复合地基承载力特征值：(0.5)aspkmffd（3）式中m为基底以上土的加权平均重度。计算得a30020(20.5)330kPaf。3）按下式[2]确定基础J1面积A：akkkfAGFp（4）式中：Fk为上部结构传至基础的荷载，对J1为3600kN，对J2为800kN；Gk为基础和基础以上的土重。将各量代入上式：3302023600AA，得212.6mA，则3.55meB。布桩数n＝9。4）验算地基承载力：k325kPa330kPap，承载力满足设计要求。5）根据地基处理规范[3]9.2.8计算复合地基变形，计算变形为：146.4mmS。（2）基础J2下复合地基设计按上述步骤计算得到修正后复合地基承载力a330kPaf，确定J2基础面积A＝3.24m2，则1.8meB。布桩数n＝4。验算地基承载力287kPa330kPakp，满足设计要求。经计算复合地基变形为：220.59mmS。（3）J1，J2沉降差计算经计算，J1，J2柱间沉降差为：0.00430.0025，不满足设计要求。（4）加大J1基础面积将基础J1的面积从12.6m2增加到30m2，布桩数n＝21，则基底压力pk减小为160kPa，复合地基变形S1=29.49mm。则J1，J2沉降差为：0.00150.0025，满足设计要求。2复合地基非等承载力设计方法非等承载力设计方法是指地基处理后每个基础下的复合地基承载力可以不相同，根据荷载水平和地基土性状，又可分为变承载力和变承载力同时变基础面积两种情况。2.1变承载力当桩端持力层较厚时，宜通过增加桩长来提高复合地基承载力；当桩端持力层较薄时，宜通过减小桩距来提高复合地基承载力。以图1所示桩端持力层较厚的情况为例说明。（1）基础J1下复合地基设计增加桩长至12.5m，桩距1.2m，桩径d=0.4m。按照前述步骤计算得0.43.1412.5200.253.140.40.4500408kN402kNaaRR取，4020.0870.95(10.087)140400kPa0.1256spkf，则40020(20.5)430kPaaf。基础面积A=3.55×3.55=12.6m2，布桩数n＝9，pk=325kPa，复合地基变形S1=19.59mm。（2）基础J2下复合地基设计与第1节中相同。故两相邻柱间沉降差为0.000170.0025，满足设计要求。J1，J2复合地基计算结果及经济性比较见表1。由表中结果可见，等承载力设计靠增大基础面积来减小基底压力，以满足柱间沉降差；非等承载力设计是靠提高复合地基承载力，以满足柱间沉降差。非等承载力设计，桩数少、所用材料方量少，基础面积小，更经济。J1，J2复合地基计算结果及经济性比较表1基础编号设计方法pk/kPafa/kPa桩长/m桩数打桩方量/m3A/m2变形/mmJ1等承载力160330821213029.49非等承载力32543012.591412.619.59J2等承载力2873308443.2420.592.2变承载力同时变基础面积当桩端持力层较薄时，增加桩长有困难，而减小桩距对复合地基承载力提高作用不大时，可采用变承载力和同时变基础面积的设计方法。如图2所示，层③土厚度不大，不宜增加桩长。设计时J1采用小桩距，J2选用较大的桩距。Fk＝5600kND=2mBe方形基础土Gk3120kN/m粉质粘土3220kN/m①Es=6MPa②粉土褥垫层J2Fk=800kNBe方形基础土GkD=2mJ1褥垫层200mm③粉砂Es=10MPa粉土Es=6MPa④8000mm3000mm12000mmsapa20kPa500kPaqqsa25kPaqpa800kPaqfak=140kPa图2桩端持力层较薄独立基础示意（1）基础J2下复合地基设计有效桩长9.5m，桩径d=0.4m，桩距1.4m，m=0.064。仍按第1节中所述计算步骤，0.43.148200.43.141.5250.253.140.40.4800350kN345kNaaRR取3450.0640.95(10.064)140300kPa0.1256spkf30020(20.5)330kPaaf。计算得基础面积A＝4m2，2meB，布桩数n＝4。240kPa330kPakp，承载力满足设计要求。最后计算得复合地基变形为217.7mmS。（2）基础J1下复合地基设计桩长9.5m（无法增加桩长），桩径d=0.4m，选用最小桩距1.2m，m=0.087。按第1节中所述计算步骤，0.43.148200.43.141.5250.253.140.40.4800350kN345kNaaRR取3450.0870.95(10.087)140360kPa0.1256spkf(0.5)36020(20.5)390kPaaspkmffD。计算得基础面积A＝16m2，取20m2，4.47meB，布桩数n＝14。320kPa390kPakp，承载力满足设计要求。最后计算得复合地基变形136.1mmS。（3）经计算，J1，J2间沉降差为：0.00310.0025，不满足设计要求。（4）增大J1基础面积因为桩距1.2m已是最小桩距（3d），不能再减小，只有通过加大J1基础面积来提高复合地基承载力。取A=30m2，则pk=227kPa,复合地基变形S1=29.96mm。计算得柱间沉降差＝0.0020.0025，满足设计要求。3等承载力设计可能发生的问题复合地基等承载力设计首先确定承载力特征值fspk，可能发生如下问题：（1）承载力要求不合理可能导致布桩有困难。如图2所示，桩端持力层较薄，桩长L较小，单桩承载力低，要求的复合地基承载力较大时，桩距小于3d才能满足设计要求。或桩长L较大，单桩承载力高，要求的复合地基承载力较小时，桩距大于5d承载力还有富裕，如按不大于5d布桩则不经济。（2）先确定基础面积再计算桩数，有时布桩不经济，比如：按照先确定基础面积再计算桩数的方法，当计算得桩数n=3时，按照施工要求需取桩数n=4；当桩数n=