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摘要：在黃土地區(qū)地貌和地基條件明顯差異條件下，控制高層建筑地基變形是地基設(shè)計(jì)的核心。本文介紹了在西安某區(qū)不同地貌差異地基條件下某高層建筑利用CFG樁復(fù)合地基控制地基差異沉降的工程實(shí)例，并通過(guò)系統(tǒng)沉降監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目的...

差異地基條件下采用CFG樁控制高層建筑地基差異沉降的實(shí)例

董轉(zhuǎn)運(yùn) 任澍華（西安中安巖土工程有限責(zé)任公司）710054，西安

石小燕康宏波（陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院） 710048，西安

一、工程概況介紹

某高層住宅樓，擬建于西安市長(zhǎng)安區(qū)少陵塬坡麓與皂河古河道的過(guò)渡地段，樓高地面上16層，地下1層，地上高度48米，采用剪力墻結(jié)構(gòu)。平面布置呈“L”形，占地56米x22米，相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)的基底平均壓力320KPa，設(shè)計(jì)擬采用筏板基礎(chǔ)或墻下樁基礎(chǔ)。

2005年2月地基勘察查明，建筑物位置正好跨在兩個(gè)不同的地貌單元上。北側(cè)為舊磚瓦窯址，屬人工開挖剝離上部黃土后的少陵塬坡麓，南側(cè)為皂河古河道區(qū)。兩個(gè)地段土層構(gòu)成在地表下約22米以上不同，前者主要為黃土、古土壤的交互層，屬中更統(tǒng)（Q3）的老黃土，后者主要為沖積形成的第四系全新統(tǒng)黃土狀土，在14.0～16.5米，夾有中、細(xì)砂層，約20米見(jiàn)卵石層，厚約1米多，地面下22米以下均為Q2的古土壤和黃土層。由于上部直接持力層的差異和不均勻性，不僅天然地基難以利用，還給地基設(shè)計(jì)帶來(lái)選擇困難。如采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，河道區(qū)可利用卵石層做樁端持力層，為端承型樁，而塬區(qū)則為摩擦型樁，柱長(zhǎng)難以確定。如采用長(zhǎng)摩擦樁，則河道區(qū)需擊穿砂層和卵石層，采用泥漿循環(huán)工藝；而塬區(qū)無(wú)需采用泥漿循環(huán)。工藝差異也會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)區(qū)段樁承載力和變形的差異。

最終經(jīng)反復(fù)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較分析，確定采用CFG樁復(fù)合地基，選擇樁徑d=400mm，樁長(zhǎng)9m，樁間距3.5d，進(jìn)行復(fù)合地基試驗(yàn)，分別布置在兩個(gè)區(qū)段完成。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。古河道區(qū)相同壓力下的地基沉降量明顯偏大。工程樁施工時(shí)，設(shè)計(jì)將河道區(qū)樁長(zhǎng)增長(zhǎng)2～3米，調(diào)整為11.5～12.5米，要求CFG樁端進(jìn)入河道區(qū)的中細(xì)砂層內(nèi)，塬區(qū)維持9.5米樁長(zhǎng)不變。上部建筑施工中，對(duì)建筑物進(jìn)行了歷時(shí)3年的精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，沉降均勻，建筑物使用狀況良好。

二、建設(shè)場(chǎng)地基本地質(zhì)條件

<一>.地層構(gòu)成及地下水條件

前已述及，建筑物跨地貌布置，地基土屬兩個(gè)不同時(shí)代、不同成因、不同結(jié)構(gòu)和不同性狀的土體單元，差異性明顯，具體見(jiàn)場(chǎng)地地貌分界示意圖和工程地質(zhì)剖面示意圖（圖1）。

圖1 工程地質(zhì)剖面示意圖

場(chǎng)地地下水水位埋深在地面下18m以下。塬區(qū)開挖方地段，歷史上曾為磚瓦窯區(qū)，大量取土后，上部具濕陷性的上更新統(tǒng)黃土已被挖出，地面下除表層填土外，為中更新統(tǒng)的黃土、古土壤互層組合結(jié)構(gòu)，不具濕陷性，屬中壓縮性土層，地基土性狀較好。

河道區(qū)在地表下約21mm～22mm以上為黃土狀土，粉土夾細(xì)中砂層，以沖積形成的黃土狀土為主，不具濕陷性，底部為一層厚約0.60m～2.20m的卵石層，呈中密狀態(tài)，土中含水率介于24%左右，明顯較塬區(qū)土濕度大。

<二>.地基承載力及壓縮模量的差異及地基評(píng)價(jià)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采用原位測(cè)試和室內(nèi)土質(zhì)分析，綜合確定的兩個(gè)區(qū)段地基承載力特征值及壓縮模量建議見(jiàn)表1.

表1 地基土承載力特征值fak建議表

分區(qū)

值別

黃土

Ⅰ-2

古土壤

Ⅰ-3

黃土

Ⅰ-4

古土壤

Ⅰ-5

黃土

Ⅰ-6

古土壤

Ⅰ-8

黃土

Ⅰ-9

塬區(qū)

f_ak（KPa）

160

180

170

180

170

200

220

Es（MPa）

8.0

9.0

8.0

10.0

9.0

12.0

分區(qū)

值別

黃土狀土Ⅱ-2

粉土夾砂

Ⅱ-3

黃土狀土

Ⅱ-4

中細(xì)砂

Ⅱ-5

黃土狀土

Ⅱ-6

卵石

Ⅱ-7

河道

fak（KPa）

140

150

160

250

170

350

Es（MPa）

6.0

8.0

10.0

8.0

顯而易見(jiàn)，北部塬坡坡麓區(qū)地基土主要由填土、黃土、古土壤組成，黃土、古土壤相間分布，深部的古土壤及黃土地基承載力相對(duì)較高。場(chǎng)地南部皂河古河道地區(qū)地基土主要由填土、黃土狀土、砂層、卵石層及下伏的黃土、古土壤組成，淺部的黃土狀土及砂層，堆積時(shí)代新，水平向分布不均勻，深部的卵石層、古土壤及黃土分布均勻，承載力較高。從整個(gè)場(chǎng)地來(lái)看，兩個(gè)地貌單元，由于地層構(gòu)成不同，使該場(chǎng)地淺部地層水平向組成不均勻，而深層地基同為中更新統(tǒng)老黃土堆積物，構(gòu)成均勻，分布穩(wěn)定。

三、CFG樁復(fù)合地基實(shí)驗(yàn)成果及設(shè)計(jì)調(diào)整

地基處理大面積施工前，對(duì)塬區(qū)和古河道區(qū)進(jìn)行了CFG樁復(fù)合地基試驗(yàn)及單樁豎向承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)平面位置見(jiàn)圖2，兩個(gè)區(qū)段復(fù)合地基和單樁抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2、3，試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖3、4。

圖2 CFG樁試驗(yàn)點(diǎn)平面位置示意圖

表2 不同區(qū)段單樁靜載試驗(yàn)對(duì)比圖表

Q（kN）	荷載	0	80	160	240	320	400	480	560	640	720	800
塬區(qū)	S （㎜）	0	0.300	0.650	1.081	1.611	2.107	2.497	3.014	3.529	4.046	4.665
河道區(qū)	S （㎜）	0	0.278	0.696	1.255	1.696	2.233	2.833	3.477	4.173	5.104	6.927
塬區(qū)	△S（㎜）	0	0.300	0.350	0.431	0.530	0.496	0.390	0.517	0.515	0.517	0.619
河道區(qū)	△S（㎜）	0	0.278	0.418	0.599	1.411	0.537	0.600	0.644	0.696	0.931	1.823
塬區(qū)	S’ （㎜）	3.054		3.634		4.034		4.233		4.504		4.665
河道區(qū)	S’ （㎜）	5.204		6.007		6.400		6.674		6.877		6.927

Q---荷載 S---累計(jì)沉降量 △S---每級(jí)荷載沉降量 S’---卸荷回彈量

表3 不同區(qū)段復(fù)合地基靜載試驗(yàn)對(duì)比圖表

P（kPa）	荷載	0	80	160	240	320	400	480	560	640	720	800
塬區(qū)	S （㎜）	0	0269	0.725	1.258	1.900	2.535	3.176	3.832	4.433	5.051	5.728
河道區(qū)	S （㎜）	0	0.522	2.877	5.519	7.671	10.123	12.555	15.106	17.525	19.924	22.528
塬區(qū)	△S（㎜）	0	0.269	0.456	0.533	0.642	0.635	0.641	0.656	0.601	0.618	0.677
河道區(qū)	△S（㎜）	0	0.522	2.355	2.642	2.152	2.452	2.432	2.551	2.419	2.399	2.604
塬區(qū)	S’ （㎜）	2.936		5.166		5.400		5.568		5.703		5.728
河道區(qū)	S’ （㎜）	16.011		18.570		19.733		20.039		21.956		22.526

P---荷載 S---累計(jì)沉降量 △S---每級(jí)荷載沉降量 S’---卸荷回彈量

從復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，塬區(qū)和古河道區(qū)在相同荷級(jí)下沉降量差異較大。在終止荷載800KPa壓力下，塬區(qū)沉降為5.7mm，而河道區(qū)達(dá)22.5mm，在設(shè)計(jì)使用荷載400KPa壓力下，塬區(qū)沉降為2.5mm，河道區(qū)達(dá)10.1mm，后者均為前者的4倍。完全卸荷后，塬區(qū)剩余沉降為2.9mm，河道區(qū)剩余沉降達(dá)16.0mm，后者沉降量為前者的5倍多。說(shuō)明塬區(qū)復(fù)合地基在試驗(yàn)壓力區(qū)段尚處在彈性變形階段，而在河道區(qū)復(fù)合地基已有一定的塑性變形發(fā)展。

從單樁豎向抗壓試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在終止荷載800KN時(shí)，塬區(qū)單樁沉降量為4.6mm左右，河道區(qū)沉降達(dá)6.9mm，卸載后，塬區(qū)剩余沉降3.0mm，河道區(qū)剩余沉降5.2mm，后者沉降量為前者的1.5～1.7倍。

雖然試驗(yàn)檢測(cè)提供兩個(gè)區(qū)段復(fù)合地基承載力特征值均可按400kPa采用，但高層建筑以地基變形控制為主，若按試驗(yàn)條件進(jìn)行工程樁施工，地基差異沉降是不可免的。

從上述比較分析，在相同樁長(zhǎng)、樁徑和布樁條件下，河道區(qū)單樁復(fù)合地基沉降量明顯較塬區(qū)要大，而單樁沉降量結(jié)果比較，差異較復(fù)合地基要小，可以判斷，由于樁的分擔(dān)面積比較小，復(fù)合地基主要反映了不同區(qū)段樁間土承載力和變形性狀的差異，而要控制沉降差異對(duì)大面積復(fù)合地基的影響，需要調(diào)整樁的設(shè)計(jì)參數(shù)。河道區(qū)布樁間距3.5d，已接近布樁的最小限值，從綜合分析比較，宜以提高河道區(qū)單樁豎向承載力為主要途徑，提高樁在復(fù)合地基承載力中的分擔(dān)比例。最終確定，對(duì)河道區(qū)進(jìn)行CFG工程樁施工時(shí)，將原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)9.5m調(diào)整為11.5～12.5m，要求樁端進(jìn)入河道區(qū)中細(xì)砂層，以利用砂層較好的樁端阻力，提高單樁豎向承載力，并以此調(diào)整不同的區(qū)段復(fù)合地基變形的差異變形量。

四、沉降鑒測(cè)及地基沉降分析

<一>.沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

工程建設(shè)中，采用精密水準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)的沉降監(jiān)測(cè)工作。從2006年10月始至2009年2月終止，歷時(shí)28個(gè)月，從主體封頂后歷時(shí)25個(gè)月，終止時(shí)平均沉降速率已連續(xù)4個(gè)月≤0.01mm/d，依沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)整理完成的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置圖5、沉降歷時(shí)曲線圖6、等沉降曲線圖7及沉降速率歷時(shí)變化曲線圖8如下：

<二>.地基沉降分析

1.由沉降歷時(shí)曲線看，采用CFG樁復(fù)合地基后，在主體封頂時(shí)，地基平均沉降量約為13mm，約占最終地基沉降量的50%。最終沉降在主體封頂后約一年半后接近完成。與黃土地區(qū)高層建筑采用天然地基比較，歷時(shí)明顯縮短，后者達(dá)到地基沉降最終完成約需主體封頂后5年以上。而采用CFG樁復(fù)合地基總沉降量?jī)H為采用天然地基的1/5～1/6。

2.地基等沉降曲線的展開以建筑物中心轉(zhuǎn)折部向兩側(cè)漸次展開，形成等沉降閉合曲線，反映了基底應(yīng)力迭加部分的沉降量最大，兩側(cè)較小，曲線展開形狀與基礎(chǔ)形狀有

關(guān)。

3.沉降速率在主體封頂后達(dá)到峰值，約為0.23mm/d，在主體封頂一年后已趨于穩(wěn)定（≤0.02mm/d）封頂一年半后達(dá)至穩(wěn)定；封頂后約半年，不同觀測(cè)點(diǎn)的沉降速率趨于一致，說(shuō)明地基沉降已趨于均勻，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。

五、經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

1.對(duì)跨越不同地段，地基條件有所差異的高層建筑地基，采用CFG樁復(fù)合地基控制地基總沉降和差異沉降是可行的。從沉降觀測(cè)結(jié)果分析，與采用天然地基比較，大大縮短了地基沉降穩(wěn)定歷時(shí)，減少了地基總沉降量和差異沉降量。

2.采用CFG樁復(fù)合地基的黃土地基沉降最大速率出現(xiàn)在主體封頂以后。在正常施工條件下，主體封頂后一年半左右，地基沉降可達(dá)至最終穩(wěn)定。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì) 文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑尹維維編輯劉真審核)

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2.497

3.014

3.529

4.046

4.665

河道區(qū)

0

0.278

0.696

1.255

1.696

2.233

2.833

3.477

4.173

5.104

6.927

塬區(qū)

△S（㎜）

0

0.300

0.350

0.431

0.530

0.496

0.390

0.517

0.515

0.517

0.619

河道區(qū)

0

0.278

0.418

0.599

1.411

0.537

0.600

0.644

0.696

0.931

1.823

塬區(qū)

S’

（㎜）

3.054

3.634

4.034

4.233

4.504

4.665

河道區(qū)

5.204

6.007

6.400

6.674

6.877

6.927

Q---荷載 S---累計(jì)沉降量 △S---每級(jí)荷載沉降量 S’---卸荷回彈量

表3 不同區(qū)段復(fù)合地基靜載試驗(yàn)對(duì)比圖表

P（kPa）	荷載	0	80	160	240	320	400	480	560	640	720	800
塬區(qū)	S （㎜）	0	0269	0.725	1.258	1.900	2.535	3.176	3.832	4.433	5.051	5.728
河道區(qū)	S （㎜）	0	0.522	2.877	5.519	7.671	10.123	12.555	15.106	17.525	19.924	22.528
塬區(qū)	△S（㎜）	0	0.269	0.456	0.533	0.642	0.635	0.641	0.656	0.601	0.618	0.677
河道區(qū)	△S（㎜）	0	0.522	2.355	2.642	2.152	2.452	2.432	2.551	2.419	2.399	2.604
塬區(qū)	S’ （㎜）	2.936		5.166		5.400		5.568		5.703		5.728
河道區(qū)	S’ （㎜）	16.011		18.570		19.733		20.039		21.956		22.526

P---荷載 S---累計(jì)沉降量 △S---每級(jí)荷載沉降量 S’---卸荷回彈量

從復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，塬區(qū)和古河道區(qū)在相同荷級(jí)下沉降量差異較大。在終止荷載800KPa壓力下，塬區(qū)沉降為5.7mm，而河道區(qū)達(dá)22.5mm，在設(shè)計(jì)使用荷載400KPa壓力下，塬區(qū)沉降為2.5mm，河道區(qū)達(dá)10.1mm，后者均為前者的4倍。完全卸荷后，塬區(qū)剩余沉降為2.9mm，河道區(qū)剩余沉降達(dá)16.0mm，后者沉降量為前者的5倍多。說(shuō)明塬區(qū)復(fù)合地基在試驗(yàn)壓力區(qū)段尚處在彈性變形階段，而在河道區(qū)復(fù)合地基已有一定的塑性變形發(fā)展。

從單樁豎向抗壓試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在終止荷載800KN時(shí)，塬區(qū)單樁沉降量為4.6mm左右，河道區(qū)沉降達(dá)6.9mm，卸載后，塬區(qū)剩余沉降3.0mm，河道區(qū)剩余沉降5.2mm，后者沉降量為前者的1.5～1.7倍。

雖然試驗(yàn)檢測(cè)提供兩個(gè)區(qū)段復(fù)合地基承載力特征值均可按400kPa采用，但高層建筑以地基變形控制為主，若按試驗(yàn)條件進(jìn)行工程樁施工，地基差異沉降是不可免的。

從上述比較分析，在相同樁長(zhǎng)、樁徑和布樁條件下，河道區(qū)單樁復(fù)合地基沉降量明顯較塬區(qū)要大，而單樁沉降量結(jié)果比較，差異較復(fù)合地基要小，可以判斷，由于樁的分擔(dān)面積比較小，復(fù)合地基主要反映了不同區(qū)段樁間土承載力和變形性狀的差異，而要控制沉降差異對(duì)大面積復(fù)合地基的影響，需要調(diào)整樁的設(shè)計(jì)參數(shù)。河道區(qū)布樁間距3.5d，已接近布樁的最小限值，從綜合分析比較，宜以提高河道區(qū)單樁豎向承載力為主要途徑，提高樁在復(fù)合地基承載力中的分擔(dān)比例。最終確定，對(duì)河道區(qū)進(jìn)行CFG工程樁施工時(shí)，將原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)9.5m調(diào)整為11.5～12.5m，要求樁端進(jìn)入河道區(qū)中細(xì)砂層，以利用砂層較好的樁端阻力，提高單樁豎向承載力，并以此調(diào)整不同的區(qū)段復(fù)合地基變形的差異變形量。

四、沉降鑒測(cè)及地基沉降分析

<一>.沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

工程建設(shè)中，采用精密水準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)的沉降監(jiān)測(cè)工作。從2006年10月始至2009年2月終止，歷時(shí)28個(gè)月，從主體封頂后歷時(shí)25個(gè)月，終止時(shí)平均沉降速率已連續(xù)4個(gè)月≤0.01mm/d，依沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)整理完成的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置圖5、沉降歷時(shí)曲線圖6、等沉降曲線圖7及沉降速率歷時(shí)變化曲線圖8如下：

<二>.地基沉降分析

1.由沉降歷時(shí)曲線看，采用CFG樁復(fù)合地基后，在主體封頂時(shí)，地基平均沉降量約為13mm，約占最終地基沉降量的50%。最終沉降在主體封頂后約一年半后接近完成。與黃土地區(qū)高層建筑采用天然地基比較，歷時(shí)明顯縮短，后者達(dá)到地基沉降最終完成約需主體封頂后5年以上。而采用CFG樁復(fù)合地基總沉降量?jī)H為采用天然地基的1/5～1/6。

2.地基等沉降曲線的展開以建筑物中心轉(zhuǎn)折部向兩側(cè)漸次展開，形成等沉降閉合曲線，反映了基底應(yīng)力迭加部分的沉降量最大，兩側(cè)較小，曲線展開形狀與基礎(chǔ)形狀有

關(guān)。

3.沉降速率在主體封頂后達(dá)到峰值，約為0.23mm/d，在主體封頂一年后已趨于穩(wěn)定（≤0.02mm/d）封頂一年半后達(dá)至穩(wěn)定；封頂后約半年，不同觀測(cè)點(diǎn)的沉降速率趨于一致，說(shuō)明地基沉降已趨于均勻，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。

五、經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

1.對(duì)跨越不同地段，地基條件有所差異的高層建筑地基，采用CFG樁復(fù)合地基控制地基總沉降和差異沉降是可行的。從沉降觀測(cè)結(jié)果分析，與采用天然地基比較，大大縮短了地基沉降穩(wěn)定歷時(shí)，減少了地基總沉降量和差異沉降量。

2.采用CFG樁復(fù)合地基的黃土地基沉降最大速率出現(xiàn)在主體封頂以后。在正常施工條件下，主體封頂后一年半左右，地基沉降可達(dá)至最終穩(wěn)定。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì) 文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑尹維維編輯劉真審核)