CFG桩复合地基在岩溶地区中的应用
摘要：本文结合工程案例根据场地情况和建筑特点，通过选用合适的基础形式，对基础施工问题进行了分析，由于选用了CFG桩复合地基，有效的避开复杂的地质情况，并满足了工程的设计要求。提出岩溶地区地基处理和基础设计时应注意的问题及采取相对应的有效措施。
关键词： 岩溶地区 , 复合地基 , CFG桩, 承载力
1 前言
根据统计资料，岩溶发育地区在我省广泛分布，此类场地地质情况复杂，有石芽、溶沟等多种岩面形态及溶洞、土洞存在，因此在设计建筑物之前必须对场地情况探明精确。限于篇幅，文章主要就岩溶地区地基处理及设计等相关问题做了分析探讨。
2 工程概况
某住宅小区由A—E五栋塔楼及一层地下室组成，其中A、B、C三栋为12层小高层住宅，D、E栋为22层高层住宅，地下室做为车库及设备用房，战时局部设六级人防，总建筑面积为72000m2。小区平面图如图1
3 地质条件和基础选型
3.1地质条件
该建筑场地地貌属于剥蚀残丘与冲洪积洼地之过渡地带，后经过人工整平改造，地势平坦，地面标高为45.2～51.92m。勘察期间测得地下水稳定水面埋深0.50～3.80m,标高为45.2～51.0m,地下水对混凝土结构不具有腐蚀性。据区域地质资料及现场钻探结果，场地内未发现有构造破碎带，也无滑坡、崩塌。塌陷等不良现象，但场地内的基岩下石岩系石灰岩属可溶岩类，勘查中在石灰岩中发现溶洞，在层7中发现土洞，岩溶特征为覆盖型，岩溶发育现象严重。场地各地层的过程特性指标表1.
3.2基础选型
根据勘察报告提供的场地情况及各土层地基设计参数，A、B、C三栋小高层住宅可选用天然基础，基础持力层选用层2，结合建筑物地下室情况，采用筏板基础。而D、E两栋高层住宅，因天然基础地基承载力不满足设计要求，拟采用桩基础。因岩溶地区基岩情况复杂，有石芽、溶沟等多种基岩面形态及土洞、溶洞存在，不宜采用预应力管桩或沉管灌注桩等桩基础形式，而且基岩埋深较深，加之岩溶地区地下矿物质丰富，可能存在有害气体或矿物质，土层软弱不均，易塌方，人工挖孔扩底灌注桩基础也不是很好的选择。最后，考虑冲孔灌注桩成孔深度大，能克服孤石、夹层及溶洞的影响，用作为D、E栋高层住宅的设计桩型。
4 基础施工中的问题
4.1 筏板基础的施工
场地地质状况复杂，土洞、溶洞分布多，而场地地质勘查钻孔间距多在20m左右，无法精确判明场地土洞、溶洞分布情况。为了查明筏板基础下的地质条件及浅层土洞、溶洞的具体情况，消除其对基础的不利影响，前期用地质雷达对场地进行扫描，探测布线间距5 m。根据探测报告显示，在B、C栋下均发现浅埋土洞，洞顶 最浅处距基础底面约5 m左右，最大土洞容积约200m3，土洞内有填充物。采用压力灌浆处理，纯水泥浆的水灰比取0.5，现场泵送水泥浆压力值为0.2MPa,终止泵送水泥浆压力值2.8 MPa。开挖基槽后，现场验槽，大部分区域达到设计持力层，局部夹有软弱土层，因厚度不大，采用换填法处理，分层夯实以满足设计要求。
4.2 桩基础的施工
因场地处于岩溶发育区，桩基施工相对复杂。根据现场情况，县进行D栋桩基础的施工。为保证成桩顺利及桩基的质量，进行了每桩一孔施工超前钻探揭露，每孔钻探深度超过桩端深度4m以上，以保证桩端持力层基岩下4m深度内无土洞、夹层或溶洞存在。
在冲孔桩施工过程中，部分桩因遇到了石芽、溶洞等而成桩困难，就现场实际情况采用了多种成桩方案，以下就两根具有代表性的桩作简要介绍。
第12号桩，桩径1600mm，基岩深度26m，到达岩面后，连续冲击，发现整个岩面倾斜。抛2m块石再冲至基岩时，锤身仍倾斜，后又抛4m块石再冲击方成孔。此桩仅处理岩面斜坡即用时3d。
第38号桩，桩径1200mm，冲孔过程中遇到溶洞，施工超前钻探显示，基岩深度36m。实际冲孔时，冲深为28m时见基岩，因岩质无法满足终孔条件，后冲至37m终孔，并放钢筋笼开始清孔，但始终无法成功。后重新放锤做清孔，仍无法完成。此时孔深为37.5m，而后岩层塌落，锤落至39m深度处见基岩，而后在40.6m终孔。在此深度反复清孔，仍有大量泥沙流入。鉴于以上情况，提出两种处理方案：1）灌混凝土至溶洞顶部，待混凝土硬化后形成护壁，再次清孔；2）回填块石及粘土至洞顶后，用1.2m直径冲锤冲孔，在打入钢护筒（壁厚8mm），然后清空。经可行性及经济性比较，最终确定采用第二种方案。
D栋原设计共有桩36根，施工历时近三个月，因为遇到石芽、溶洞等地质情况，成桩难度很大。而对E栋超前钻探显示，其地质情况比D栋更为复杂，如何选择更合理的基础处理方案成为保证工程顺利进行的关键问题。
5 复合地基方案的应用
5.1复合地基处理要求
根据上述情况，场地复杂的地质情况给桩基础施工带来很大困难，对造价和工期均有很大影响。是否能够避开下面复杂岩层，通过处理上部地基形成复合地基的方法来满足设计要求成为解决这一矛盾的途径。场地采用复合地基应具备两个基本条件：1）在地层中应有一连续可靠、分布均匀德尔硬壳层作为持力层；2）查明土洞的空间发布，浅埋土洞易于处理，不影响上部基础的整体特性。根据勘测报告，第一个基本条件是具备的，地层中有一连续发布的含砾泥质砂岩层，地基承载力为350kPa,可作为复合地基持力层。根据地质雷达探测报告显示，大部分土洞埋深在25m以下，部分浅埋土洞可通过压力灌浆消除其对地基的不良影响。根据上部结构计算，复合地基承载力特征值要求达到360kPa以上，在上部荷载作用下总沉降量应控制在5cm以内，沉降差控制在2cm以内。由于设计要求较高的承载力特征值，而需处理的残积土天然承载力特征值在160kPa左右，经技术可行性、处理费用、工期等方面比较，采用CFG桩处理地基是较佳选择。
5.2复合地基设计
CFG桩施工工艺简单，施工周期短，可全桩长发挥侧阻力，同时具有良好的端阻效应，对地基天然承载力的提高有较大的可调性。CFG桩设计主要需要确定五个参数，即桩长ι，桩径d，桩间距s，桩体试块抗压强度平均值fcu和褥垫层材料及厚度。
（1） 桩长ι CFG桩要求桩端落在强度较高、压缩性较小的土层上。根据场地勘测报告，确定桩端持力层选择含砾泥质砂岩层，平均桩长16.3m。
（2） 桩径d 桩径取决于所选的施工设备，工程采用长螺旋钻成孔、管内泵压成桩工艺，桩径采用d=400 mm。
（3） 桩间距s 根据上部荷载要求，处理后的复合地基承载力特征值要求达到360kPa以上，根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2002）,单桩竖向承载力特征值可按以下方式计算： Ra=up∑qaiιi+qpAp (1)
式中，up为桩的周长，qai桩周第i层土的侧阻力，qp为桩周第i层土的桩端端阻力特征值，Ap为桩的横截面面积。
复合地基承载力特征值可按以下方式计算：fapk=mRa/Ap+β(1-m) fak (2)
式中，fapk为复合地基承载力特征值；m为桩土面积置换率；β为桩间土承载力折减系数；fak为处理后桩间土承载力特征值，可取天然地基承载力特征值。
当桩正方形布置时，桩间距可由以下式反求：m=d2/(1.13s)2 (3)
根据式（1），可以求出Ra=635kN；根据式（2）可以求出m≥0.052；根据式（3）可以求出s=1 500 mm
（4） 桩体试块抗压强度平均值fcu根据《建筑地基处理技术规范》［3］fcu=3Ra/Ap，可求得fcu≥15.2MPa，据此，取CFG桩体混凝土强度等级为C25。
（5） 褥垫层材料及厚度，褥垫厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，必然增加桩的数量或长度，造成经济浪费；褥垫厚度过大，会导致桩、土应力比接近1，此时桩承担的荷载太少，复合地基中桩的设置失去意义，而且地基承载力提高不多。根据实际工程，褥垫层厚度取200mm，材料采用级配沙石，碎石粒径8～20mm。
5.3复合地基施工技术要求
通过大量工程实践，CFG桩复合地基设计就承载力而言不会有太大问题，重要的是施工环节。由于工程场地处于岩溶发育区，地下水位高，补给丰富，为保证施工过程场地稳定性和地基处理效果，施工要求：1严格控制降水深度，施工期水位降至基底标高下1cm；2基坑开挖时应预留保护土层厚度1m；3工艺采用具有对桩间土无扰动、无泥浆污染、无振动、低噪音、施工效率高及质量容易控制等特点的长螺旋钻成孔，及管内泵压成桩工艺；4基底开挖的平面尺寸以建筑物的底板边缘为基准向四周均扩出1cm；5严格按配合比配料，搅拌时间不小于60s，塌落度控制在16～20cm；6成桩时，应在钻杆芯管充满混合料后开始拔管，严禁先提管后泵料，成桩的提拔速度宜控制在2～3m/min；7及时检查排气阀是否堵塞，杜绝桩体充气；8褥垫层铺设采用静力压实，夯填度取0.88.
5.4地基检测
复合地基施工完成后28d，混凝土强度达到设计要求后，由专业检测单位对复合地基及桩身完整性进行检测。采用平板静载试验法对复合地基处理质量检测，平板尺寸1.8m×1.8m，每个平板下有4根桩，共布置6个检测点。测得最小沉降量为0.8cm，最大沉降量为2.3cm，满足设计规范要求。采用低应变变法对桩身进行检测，抽检数量为总桩数的20%，经检测，桩身完整性良好，未发现明显缺陷的Ⅲ，Ⅳ类桩。
6 结 语
在岩溶地区通过处理上部地基形成复合地基是一种有效的途径，CFG桩复合地基在技术可行性、经济性及工期等方面对比其他处理方案具有一定的优势，由于对工程场地事前做了精确勘测，充分准备，根据建筑的具体特点，选用了CFG桩复合地基，取得了良好的效果。
参考文献
[1] 建筑地基基础设计规范 (GB50007-2002)[S].北京：中国建筑工业出版社, 2002
[2] 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2002)[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2002
[3] 建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2002