CFG桩复合地基设计如何提设计要求

一、前言
当前CFG桩复合地基在高层建筑地基处理得到了广泛应用，但复合地基设计在不同地区有不同的方式，有的地区结构工程师既作上部结构又作复合地基设计，有的地区则是结构工程师作上部结构和基础设计，岩土工程师作复合地基设计，复合地基设计资料和设计要求由结构工程师提供。其中，经常遇到的一个问题是结构工程师提供的设计资料不全或设计要求不够准确。
    由于设计资料不齐全或设计要求不够准确、甚至不合理，给复合地基设计带来许多困难，或给工程带来不应有的损失。显然，讨论一下如何提供设计资料和设计要求是有益的。
二、CFG桩复合地基设计所需的资料
   CFG桩复合地基设计需提供如下的资料：
    （1）工程地质勘察报告；
    （2）相关的建筑、基础平面图和剖面图；
标明±0.00对应的标高；基底标高；电梯井、集水坑底标高；基础外轮廓线；若有裙房应标明主楼和裙房（或车库）的相关关系以及裙房（或车库）的基础形式和几何尺寸。
（3）建筑物荷载；
（a）相应于荷载效应标准组合时基础底面处的平均压力值（用于地基承载力验算）；
（b）相应于荷载效应准永久组合时基础底面处的平均压力值（用于地基变形验算）；
（c）当主楼周围有裙房（或车库）时，还应提供裙房（或车库）基底压力标准值，以便考虑能否以及怎样对主楼地基承载力进行修正。
（d）当需作抗冲切验算时（如框筒体系），尚需提供荷载设计值。
（4）设计要求的复合地基承载力和变形。
三、常见的几个问题
（1）问题1：只提复合地基承载力特征值不小于多少、复合地基变形不大于多少而不提供荷载
复合地基计算有两个主要内容，一是复合地基承载力计算，二是复合地基变形计算。
复合地基承载力是根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002（后称《地基规范》）和《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002（后称《地基处理规范》），按下式验算：
                                   （1）
式中   －相应于荷载效应标准组合时基础底面处的平均压力值；
       修正后复合地基承载力特征值（根据《地基处理规范》，只做深度修正，且修正系数取1）；
复合地基承载力特征值；
           基础底面以上土的加权平均重度；
           基础埋置深度。
（1） 式的左边是荷载，右边是抗力，公式表示荷载不能大于抗力。
地基处理设计人员根据结构工程师提供的复合地基承载力不低于某一限值的要求，作复合地基设计，确定设计参数和承载力特征值 ，再根据基础埋置深度计算深度修正项 ，由（1）式右部求得经深度修正后的复合地基承载力特征值 。由于没有提供荷载 ，无法按（1）式对荷载和抗力进行比较，设计者无法了解自己的设计安全储备是多少。因此，结构工程师提设计要求时不能遗漏提供荷载。
    CFG桩复合地基变形计算，是按《地基处理规范》确定复合土层的复合模量，再按《地基规范》有关规定计算复合地基变形，其中规定用于计算变形的荷载为相应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力PO ， 它是使地基产生变形的有效应力，数值上等于相应于荷载效应准永久组合时的基础底面平均压力P产生的有效应力（若有地下水须扣除地下水对建筑物的浮力）与基础底面处原有土的自重应力（自重应力是有效应力）之差，要计算PO必须知道相应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的压力P、地下水类型及标高、基础埋深d、和基底以上各层土的重度γ。
显然，若不提供荷载就无法计算变形；或者只提供基底压力标准值，让地基处理设计人员用基底压力标准值计算变形是不规范的；甚至什么荷载都不提供， 让地基处理设计人员用设计要求的复合地基承载力特征值去计算变形，无论在规范上还是在概念上就更不合理了。
（2） 问题2：基底压力标准值是多少就要求复合地基承载力特征值 不小于多少
    比如，某工程基底压力标准值为400kPa，设计就要求复合地基承载力特征值 不低于400kPa，甚至还有的在400kPa的基础上增加20～40kPa作为安全储备。
产生上述问题的原因主要是疏漏了《地基处理规范》对承载力可以作深度修正的规定，或没有进行具体计算分析采用了过分简化的处理方式，认为无非就是保守一点、把深度修正项作为安全储备而已。但实际工程不是这么简单，下面分两种情况加以讨论：
（a） 按承载力控制设计的工程
由（1）式可知，
                 （2）
由（2）式可知，满足荷载要求的复合地基承载力与基础埋深密切相关，对浅埋基础深度修正项 数值较小，对工程影响不大；对高层建筑基础埋深很大，不考虑深度修正项是不合理的。比如，某工程基底压力标准值为400kPa，基础埋深8.5m，基底以上土的加权平均重度为20KN/m3，由（2）式求得 满足设计要求。若设计要求400kPa比规范允许值高了67％，将造成不必要的浪费。
（b） 按地基变形控制设计的工程
《地基处理规范》规定，CFG桩复合地基变形按《建筑地基基础设计规范》）GB50007的有关规定执行，复合土层的分层与天然地基相同各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的 倍，                                （3）
式中    －基础底面下天然地基承载力特征值。
根据《地基规范》），按变形控制设计的地基均应满足承载力计算的有关规定，也就是说，复合地基设计参数应满足承载力和变形两个条件。
按变形控制进行地基设计通常按如下方法确定设计要求的承载力：
首先按（2）式确定的 作复合地基设计，确定桩长、桩径、桩距、褥垫厚度和桩体强度。根据地质报告提供的 按（3）式计算模量提高系数 计算复合地基变形，当复合地基变形满足设计要求时，相应的 就是设计要求的复合地基承载力；当复合地基变形不满足设计时，需调整设计参数（增大桩长或减小桩距）重新设计，直到复合地基变形满足设计要求为止，相应的复合地基承载力特征值 才是所要求的复合地基承载力。

例1：
某工程，基础尺寸为24×24m2，地表标高为50m、地下水标高30m，基础埋深10.5m，基底压力标准值480kPa，准永久组合值440kPa，相关的土层厚度及物理力学指标如表1所示。设计要求采用CFG桩复合地基方案进行地基处理，建筑物沉降量不大于200mm，。



表1
土层编号 层底标高 重度 压缩模量 侧阻特征值 端阻特征值 承载力特征值 土层名称
（m） （KN/m3） （MPa） （kPa） （kPa） （kPa）
① 39.5 20 8 20 粉质粘土
② 33 20 12 30 700 160 粉土
③ 29 20 20 25 1000 中砂
④ 5 20 12 粉质粘土
由（2）式


按fspk＝280kPa，作复合地基设计，设计参数选用桩长L＝8m，桩距S=1.7m，褥垫厚度200mm。经计算：
， ，
                >480kPa
承载力满足设计要求。
模量提高系数 ，复合地基变形为S＝72mm，不大于设计要求的200mm。
故对该工程提承载力要求应为复合地基承载力特征值不小于280kPa即可。
    如果基底压力标准值是多少就要求复合地基承载力是多少，甚至还要增大安全储备，要求复合地基承载力特征值不小于520kPa，将给工程带来许多问题。
按fspk≥520kPa的要求作复合地基设计，设计参数选用桩长L＝9m，桩距S=1.07m，才能满足设计要求，并有：
      （此值远大于480kPa）。
模量提高系数  ，  复合地基变形为S＝37mm，远小于设计要求的200mm。
  设计要求不同，设计参数和工程量也就不同。表2给出的是两种设计要求时的设计参数和工程量。
表2
设计要求fspk(kPa) 桩长
（m） 桩径(mm) 桩距
（m） 桩数 方量
(m3) fa
(kPa) 变形(mm)
280 8 400 1.7 200 200 489 72
520 9 400 1.07 503 568 726 37
   由表2可知，按fspk≥520kPa的要求作复合地基设计比按fspk≥280kPa增加方量184％，除了增加造价和工期之外，技术上也有诸多问题，比如，为提高承载力需增加桩长或缩小桩距，对本工程桩端应落在第③层中砂上。桩长9m已落在③层中砂中偏下的部位，且桩距小于3倍桩径，超出规范要求。第②层为饱和粉土，如此小的桩距，采用长螺旋钻泵送混凝土成桩工艺，将导致窜孔频频发生。显然，按fspk≥520kPa的要求作复合地基设计是不合理的。
     若设计要求复合地基变形不超过50mm， 按fspk≥280kPa的设计要求确定的设计参数数桩长L＝8m、桩距S=1.7m不能满足设计要求的限值。将设计参数调整为桩长L＝9m、桩距S=1.35m，        复合地基变形为S＝49mm。即此时的设计要求为 fspk≥393kPa。竣工后做复合地基静载检验将此值作为验收条件。
（3）问题3：主裙楼一体的结构只提供主楼的荷载不提供裙房基底压力
主裙楼一体的结构，主楼采用CFG桩复合地基时，允许对主体结构地基承载力按《地基处理规范》的有关规定作深度修正，将基础底面以上的荷载按基础两侧的超载考虑，当超载宽度大于基础宽度的两倍时，可将超载折算成土层厚度作为基础埋深，基础两侧超载不等时，取小值。
若不提供裙房的基底压力，无法将基础两侧的超载折算成土层厚度对主楼复合地基承载力作深度修正。
   （四）荷载严重不均如何提设计要求
《地基规范》规定，当地基土比较均匀，上部结构刚度比较好。、梁板式筏基梁的高跨比或平板式筏基板的厚跨比不小于1/6，且相邻柱荷载及柱间距的变化不超过20％，基底反力按线性分布。
同一基础下如果荷载水平相差较大，比如框架－筒体体系，核心筒部分的荷载占总荷载的百分比甚至超过50％，这时不能用平均基底压力进行地基设计，可对不同荷载水平区段分别给出荷载和承载力要求。除前述荷载外还要提供用于验算冲切的荷载设计值。下面根据已有的工程实践讨论一下核心筒部分如何提承载力要求。
(1)按满足筏板冲切的最小地基反力确定复合地基承载力

式中
    N－轴力设计值（KN）；
fR－满足筏板抗冲切要求最小地基净反力设计值（kPa）；
B1－冲切锥体底面宽（假定核心筒为方形）（m）;
FC－筏板抗冲切力（KN）;
GK－冲切锥体自重（KN）；
1.35为荷载设计值与荷载标准值之间的换算系数。