【土木吧原创】此文可拓展CFG 的设计思路和计算方法

党昱敬

 中冶建筑研究总院有限公司

感谢党总供稿

0   引言

水泥粉煤灰碎石桩( CFG 桩) 复合地基自 20 世纪 80 年代研制开发以来，到 20 世纪 90 年代中后期普遍应用于工程实践，先后经历了《建筑地基处理技术规范》( JGJ 79—91) ［1］ ( 简称 91 版规范) 和《建筑地基处理技术规范》( JGJ 79—2002) ( 简称 02 版规范) ［2］两个版本，新版《建筑地基处理技术规范》( JGJ 79—2012) ( 简称 12 版规范) ［3］也于 2013 年 6月 1 日起颁布实施。本文就 91 版、02 版和 12 版规范的演变历程，根据相关地基基础和桩基设计专业理论，谈谈对 12 版规范中的 CFG 桩复合地基设计内容的几点认识。

1    CFG 桩复合地基承载力的检验

91 版、02 版和 12 版规范分别于 1992 年 9 月 1日、2003 年 1 月 1 日和 2013 年 6 月 1 日实施。CFG桩复合地基技术于 20 世纪 80 年代末由中国建筑科学研究院地基所研制开发，1992 年由建设部组织鉴定，因此 91 版规范未纳入 CFG 桩复合地基内容。CFG 桩复合地基技术由于加固效果显著，广泛应用于各类工业与民用建筑的地基处理中。该技术在工业与民用建筑地基处理中的设计、施工和质量检验是广大工程技术人员必须掌握的重要内容。鉴于此，中国建筑科学研究院于 1997 年 3 月 4 日发布了企业标准《水泥粉煤灰碎石桩( CFG 桩) 复合地基技术规定》( Q /JY 06—1997) ［4］ ( 简称 97 规定) ，并于当年 4 月 1 日起施行。当时正值 91 版规范使用期，97 规定的实施，填补了 91 版规范的空白，为工程设计、施工和质量检验提供了可靠的依据。业内人士一致将 97 规定与 91 版规范作为姊妹篇，一并使用。12 版规范经广泛调查研究和认真总结实践经验后，对 CFG 桩复合地基承载力和桩体强度计算公式进行了修订，与 97 规定和 02 版规范相比，其计算结果更具可靠性; 而 12 版规范对 CFG 桩复合地基承载力的检验方法，与 97 规定和 02 版规范相比，增加了检验方法和试验数量。97 规定和不同版本规范中关于 CFG 桩复合地基承载力的检验方法和试验数量见表 1。

由表 1 可知: 在使用 97 规定的前 5 年，CFG 桩复合地基承载力检验采用复合地基静载试验或单桩静载试验，复合地基静载试验包括多桩复合地基静载试验和单桩复合地基静载试验。工程实践中复合地基静载试验采用多桩复合地基静载试验、单桩复合地基静载试验或单桩静载试验，主要根据地质情况和基底压力水平; 对于设计计算中单桩承载力较高、变形控制量小的 CFG 桩复合地基，其承载力检验采用单桩静载试验。

笔者认为 97 规定中 CFG 桩复合地基承载力检验方法的多样和多选性，有助于广大工程技术人员根据地质情况和 CFG 桩复合地基设计目标值要求，合理有效地选择 CFG 桩复合地基承载力检验方法，既缩短了试验周期和节省了投资，又充分发挥和调动了广大工程技术人员积极性和创造性，这一时期有关 CFG 桩复合地基的研究成果颇多。02 版规范正是基于以往的工程实践经验积累和丰硕的研究成果，优化了 CFG 桩复合地基承载力检验方法，规定对 CFG 桩复合地基承载力检验只采用复合地基载荷试验; 因单桩复合地基静载试验具有周期短和节

省投资的特性，且与多桩复合地基静载试验具有关联性，故这一时期的工程实践中通常选用单桩复合地基静载试验。

随着带有地下室的高层建筑与其周边相邻的裙房、下沉式广场、地下车库、地下商场等辅助建( 构)筑物形成广场式大底盘建筑群的大量出现，如何将多桩复合地基静载试验、单桩复合地基静载试验和单桩静载试验成果应用于地基的变形分析计算，一直是广大工程技术人员所面临的重要课题。

笔者作为从业者，历经了 16 个年头的 CFG 桩复合地基设计与施工工程实践，近年来，笔者基于收集的多桩复合地基静载试验、单桩复合地基静载试验和单桩静载试验资料及对 CFG 桩复合地基设计实践经验进行总结，对 CFG 桩复合地基设计计算也做了一些粗浅分析研究和探讨［5，6］。笔者经过对 97规定和 02 版规范在工程实践中应用分析和探讨，将两点认识总结归纳如下:

( 1) 根据 地 质 情 况 和 设 计 目 标 值 要 求，对 于CFG 桩复合地基承载力检验，选用多桩复合地基静载试验、单桩复合地基静载试验和单桩静载试验三

种检验方法均能满足建( 构) 筑物的地基承载力计算和正常使用要求。

( 2) 高低层错落、荷载分布不均的广场式大底盘建筑群的地基变形协调与控制是 CFG 桩复合地基设计的关键，就 CFG 桩复合地基承载力和沉降计算比较而言，CFG 桩复合地基沉降计算尤为重要，且按变形控制设计比按承载力控制设计更合理。因此，应根据地质情况、基底压力水平和变形控制指标的要求，综合考虑选择一种 CFG 桩复合地基承载力试验方法。12 版规范与 97 规定和 02 版规范相比，着重对CFG 桩复合地基承载力和桩体强度计算公式进行了修订，其计算结果更具可靠性。根据以往工程实践，对于一个总桩数为 400 根的 CFG 桩复合地基单体工程: 执行 97 规定中 CFG 桩复合地基承载力检验，只需做 3 个点的复合地基静载试验或 3 根单桩静载试验; 执行 02 版规范中 CFG 桩复合地基承载力检验，只需做 3 个点的复合地基静载试验; 执行12 版规范中 CFG 桩复合地基承载力检验，复合地基静载荷试验和单桩静载荷试验同时使用，总数量不少于 4 根，若满足复合地基静载荷试验数量不应少于 3 个试验点和平行试验的要求，该单体工程既要做 3 根复合地基静载试验，又要做 3 根单桩静载试验。CFG 桩复合地基的设计可靠性来源于勘察报告提供的土性及其参数的真实性，其施工的可靠性来源于施工质量。所以勘察、设计、施工的技术水平，再加上检验评价的安全性是地基处理工程的控制要素。CFG 桩复合地基的验收检验是最后一关，必须全面、完整地进行评价，鉴于此 12 版规范加大了检验要求，即同时进行复合地基静载荷试验和单桩静载荷试验来检验，两者均满足设计要求才可认为满足设计要求。在工程实践中可综合考虑采用CFG 桩复合地基承载力检验方法。

2   CFG 桩的布置

12 版规范中规定 CFG 桩可在基础范围内布桩，除此之外还具体说明了四种特殊情况的布桩要求，以下逐个罗列并予以解读和探讨分析:

( 1) 对内筒外框结构，内筒部位可采用减小桩距、增大桩长或桩径布桩。

结构的分析计算表明: 对于高度较高的内筒外框结构，由于内筒自重较大，在该区域及其荷载扩散范围内的基底压力较外围框架范围基底压力通常约大于 1 /3，因此该条规定的布桩要求与基础基底压力分布情况相协调，可以起到调整地基沉降和节省投资的目的，需要强调是结构工程师在为岩土工程师提供设计目标值要求时，应分别提出各部分基础基底压力标准值的大小及分布范围，见图 1。沉降计算采用上部结构、基础和地基协同工作的分析计算方法更为合理。

( 2) 对相邻柱荷载水平相差较大的独基，应按变形控制确定桩长和桩距。

在 CFG 桩复合地基设计中，设计目标值包括CFG 桩复合地基承载力计算和变形验算，即在满足承载力的同时，也必须将建筑物沉降控制在允许范围以内，通常称之为 CFG 桩复合地基承载力和变形双控设计。对于框架结构或工业厂房采用独基形式、软土地基处理选用 CFG 桩复合地基方法时，复合地基承载力和变形双控设计流程见图 2。

由图 2 可知: 首先根据复合地基承载力目标值( F) 要求，确定 CFG 桩桩径( d) 、桩长( L) 及面积置换率( m) ，然后对复合地基沉降( s) 进行验算，若沉降满足要求，则以此时的 CFG 桩桩径、桩长及面积置换率作为最终的设计参数。若沉降不满足要求，则需对桩径、桩长及面积置换率反复进行调整设计计算，直至沉降满足要求。因控制沉降满足要求而对桩径、桩长及面积置换率进行调整后，复合地基承载力也相应提高，为优化设计，可进一步根据调整后的桩径、桩长及面积置换率所确定的复合地基承载力，重新进行基础设计，以达到减少基础面积、降低造价的目的。

( 3) 对于筏板厚度与跨度之比小于 1 /6 的平板式基础、梁的高跨比大于 1 /6 且板的厚跨比( 筏板厚度与梁的中心距之比) 小于 1 /6 的梁板式筏基，应在柱( 平板式筏基) 和梁( 梁板式筏基) 边缘每边外扩 2. 5 倍板厚的面积内布桩。

众所周知，基础工程设计包括基础设计与地基设计两部分内容。基础设计包括基础型式选择、基础埋置深度及基底面积大小、基础内力和断面计算等内容; 地基设计包括地基土的承载力确定、地基变形计算、地基抗倾覆及抗滑移等计算。基础工程设计也称地基基础设计，当地基强度不足、压缩性很大且不能满足设计要求时，就需要进行地基处理。当基础埋置深度满足建( 构) 筑物抗倾覆和抗滑移要求时，CFG 桩复合地基与独基、条基及筏板基础设计流程见图 3。

对于地下室，为满足其使用功能，可将独基和条基分别做成独基加防水板基础和条基加防水板基础［7］。防水板的作用是将其自重和其上部结构传来的荷载通过其下部设置的软垫层直接传给该范围内的地基，而不考虑软垫层范围内地基土对上部结构荷载的分担作用，并抵抗水浮力。而全部建( 构)筑物的荷载由支承防水板的独基或条基传给地基，即只需在独基或条基范围内布桩。由于软垫层的压缩，从而减少了独基或条基沉降对防水板的不利影响，因此笔者认为通过 CFG 桩复合地基与基础设计来选择基础型式和确定 CFG 桩桩径、桩长及面积置换率较为合理可行。独基或条基加防水板基础受力特点如图 4 所示。

图 4 表明: 当 q w ≤ q s + q a时( 图 4( a) ) ，防水板自重和地下室地面建筑做法的重量直接传给地基土，独基或条基对其不起支撑作用，独基或条基基底反力 q 1不变; 当 q w ＞ q s + q a时( 图 4( b) ) ，防水板在水浮力作用下，将净水浮力［q w － ( q s + q a) ］传给独基或条基，独基或条基基底反力 q 2随水浮力 q w增加而减小，其结果将加大独基或条基的弯矩及剪力值，因此当地下水位较浅、水浮力较大时，建议采用筏板基础更为合理。

筏板基础分为梁板式和平板式两种类型，在进行梁板式或平板式筏板基础设计计算中，当筏板基础刚度变化不均匀时，受力呈现“跳跃”式分布［7］ ，见图 5。

试验研究表明: 当地基土承载力达到特征值，梁为刚性或半刚性、板为柔性时，柱下反力近似为平均荷载的 1. 2 倍，梁下反力近似等于平均荷载，板格区域反力近似为平均荷载的 0. 8 倍［8］ ，即筏板不但起到基底防水作用，也起到扩散地基反力作用。因此当地基强度不足、压缩性很大而不能满足设计要求需要而采用 CFG 桩复合地基时，应把 CFG 桩复合地基视为地基范畴，按基础基底压力所计算桩数应均匀布置在筏板基础范围内，当基底反力不满足直线分布要求时，筏板基础内力可按弹性地基梁板方法进行分析计算［9］。

( 4) 对荷载水平不高的墙下条基可采用墙下单排布桩。

墙下条基或柱下独基通常都按刚性基础考虑，因此作为 CFG 桩复合地基，只要将所计算桩数均匀布置在条基范围内即可。对于荷载水平不高、桩数较少的情况，CFG 桩除单排布置在墙下外，也可采用图 6 所示的布桩形式。

3   CFG 桩复合地基和桩基的设计

无论是 CFG 桩复合地基还是桩基，其功能都是提高 地 基 的 承 载 力 和 减 小 地 基 沉 降。研 究 表明［6-10］ : CFG 桩复合地基相比于桩基，是以上部结构容许的较大沉降换取工程投资的节约。近年来，CFG 桩复合地基应用在承载力要求较高和地基允许变形较小( 或以变形控制) 的设计工程中时，有过分依赖增加 CFG 桩长度和提高单桩承载力的倾向。在桩基设计中，当承台的混凝土强度等级低于柱或桩的混凝土强度等级时，需验算柱下或桩上承台的局部受压承载力［9-11］。在 CFG 桩复合地基设计计算理论中，仅考虑褥垫层使桩、土共同承担荷载、调整桩土荷载分担比和水平荷载分配及缓解基础底面应力集中［12］ ，即通过桩、土共同作用，在荷载 ( F k +G k) /A［9］作用下，桩、土应力最终均达到特征值状态来共同承担荷载，即使考虑褥垫层对基础底面应力

集中的缓解作用，CFG 桩对桩顶及其荷载扩散范围内的褥垫层也会产生很大的挤压荷载，处于长期高集中应力作用下的碎石褥垫层，难免有被破碎或粉化的可能，造成 CFG 桩桩顶断面处的局部失稳，从而对整个复合地基的稳定带来隐患，不符合结构设计最不利原则。因此，当 CFG 桩复合地基应用在承载力要求较高和地基允许变形较小( 或以变形控制) 的设计工程中时，其适用性有待进一步研究和探讨。

4   结论

( 1) 通过近二十年对 CFG 桩复合地基应用的工程实践，并基于多桩复合地基静载试验、单桩复合地基静载试验和单桩静载试验三种方法具有关联性的特征，建议根据地质情况、基底压力水平和变形控制指标要求，可借鉴先期的 97 规定和 02 版规范对CFG 桩复合地基承载力的检验规定，综合考虑 CFG桩复合地基承载力检验方法。

( 2) 在筏板基础设计计算中，CFG 桩复合地基应视为地基范畴，按基础基底压力所计算桩数应均匀布置在筏板基础范围内，当基底反力不满足直线分布要求时，筏基内力可按弹性地基梁板方法进行分析计算。

( 3) 对 CFG 桩复合地基应用在对地基承载力要求较高和地基允许变形较小( 或以变形控制) 的设计工程中，要求 CFG 桩提供的抗力较大时，建议广大工程技术人员对处于长期高集中应力作用下的碎石褥垫层局部稳定性开展进一步的研究和探讨。

参 考 文 献

［1］ JGJ 79—91 建筑地基处理技术规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，1991．

［2］ JGJ 79—2002 建筑地基处理技术规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2002．

［3］ JGJ 79—2012 建筑地基处理技术规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2012．

［4］ Q/JY 06—1997 水泥粉煤灰碎石桩( CFG 桩) 复合地基技术规定［S］． 北京: 中国建筑科学研究院，1997．

［5］ 党昱敬，柳建国． 上部结构、基础和地基协同工作时刚性桩复合地基沉降计算分析［J］． 建筑结构，2010，40( 1) : 65-68．

［6］ 党昱敬． 刚性桩复合地基沉降计算方法的研究及应用［J］． 建筑技术，2012，43( 3) : 243-247．

［7］ 朱炳寅，娄宇，杨琦． 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．

［8］ 江书超，宫剑飞． 梁板式基础地基反力分布特征试验研究［J］． 建筑科学，2012，28( S2) : 138-142．

［9］ GB 50007—2011 建筑地基基础设计规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2012．

［10］ 党昱敬，张若筠． 预应力高强混凝土管桩在湿陷性黄土地基中的应用设计研究［J］． 工程勘察，2012，40( 5) : 19-23．

［11］ JGJ 94—2008 建筑桩基技术规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2008．

［12］ 李宁，韩煊． 褥垫层对复合地基承载机理的影响［J］．土木工程学报，2001，34( 2) : 68-73．

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