古兰芳 奚贤慧 邓继键 沙祥林
广州中技建筑工程有限公司 广州 510663
摘要：随着地基处理技术的发展，自90年代以来复合地基在国内外的研究及应用中都取得了长足的进展，学术界也对“缺多少，补多少”充分利用土强度的概念取得了共识。课题自1992年来先后在天津、北京、江苏、云南、海南、浙江、湖南、湖北、广东等地，针对强发育岩溶地质、花岗岩球状风化体密集地质、密集漂卵石层地质、深厚覆盖层地质、深厚流塑状淤泥层地质、湿陷性黄土地质及杂回填土地质、桩基工程事故或加固处理、市政道路工程等工程疑难地质状况进行了较多的工程实践，取得了良好的工程经济技术效果；尤其是在2008年广东省土木学会地下工程专业委员会成功的召开了以“岩溶”为主题的基础工程会议后，CM三维高强复合地基在广东地区得到更广泛的应用和更长足的发展，并成功应用于2000万平方米的高层建筑。1996～1997年该技术获省“八五”十大科技成就奖、建设部科技进步二等奖及国家科技进步奖三等奖，1997年建设部行文将其列为全国重点推广新技术，2010年9月1日以该项技术为依托的行业标准《CM三维高强复合地基技术规程》在江苏省正式实施，2011年8月1日《刚性-亚刚性桩三维高强复合地基技术规程》在广东省正式实施。本文就CM三维高强复合地基涉及到的工作机理、强度、沉降变形和稳定问题，结合解决的八项疑难地质和工程事故处理上的工程做进一步介绍。
关键词：刚性桩；亚刚性桩；大直径搅拌桩；应力场；褥垫层；CM三维高强复合地基
前言
由于复合地基柔性及亚刚性加筋体的破坏呈侧胀破坏，并且工作的临界长度较短，因而要提高复合地基强度只有提高加筋体材料Es值，上世纪90年代后期国内将素砼桩取代水泥粉煤灰碎石桩，成为刚性桩复合地基。经过计算及测试，证明由于刚性桩Es与土的Es相差达三个数量级以上，而褥垫层的协调变形作用，只停留在浅层。沙祥林先生通过对国内外复合地基的工作机理、褥垫层效应、传力特性、应力场分析、变形特点的研究提出一种新型复合地基。在刚性加筋体与土之间介入一个亚刚性加筋体，使深层土得以调动，形成平面及竖向三个刚度梯度，使复合地基强度最大可提高8～10倍，而且也减少了变形、降低了造价。
CM三维高强复合地基于上世纪末在深圳地区关内外逐渐应用，且近年已在广东广泛应用。针对广东复杂地质：岩溶地质、花岗岩球状风化体密集地质、密集漂卵石层地质、深厚覆盖层地质、深厚流塑状淤泥层地质、湿陷性黄土地质及对事故桩基工程处理的工程实践都取得了相当好的技术、经济、环境效益，较大幅度地降低了造价、缩短了工期。
特别是2008年广东省土木学会地下工程委员会成功的召开了以“岩溶”为主题的基础工程学术会议后，在应对岩溶地质和花岗岩球状风化体密集地质中“不可知”的“洞”与“石”方面和深厚流塑状淤泥层地质的软基处理问题用CM三维高强复合地基取得了很好的效果，并已形成一套专业、系统、成熟的设计与施工方法。2010年9月1日以该项技术为依托的行业标准《CM三维高强复合地基技术规程》在江苏省正式实施；2011年8月1日《刚性-亚刚性桩三维高强复合地基技术规程》在广东省正式实施。会议后的近几年时间里采用CM三维高强复合地基专利技术已成功处理2000万平方米以上建筑面积的地基加固工程，处理后地基的检测效果较好，标准组合特征值对应载荷试验的沉降比s/b在0.003～0.007，已完工程平均、稳定沉降量均在10mm以内，施工工期与冲（钻）孔桩基础比较，可缩短约80%；由于复合地基加筋体不用钢材，工程投资减少30%以上，故在技术经济效益受到工程界与发展商的欢迎。
在汶川地震后，地震力对建筑物的受力作用引起社会高度重视。因CM三维高强复合地基不但对垂直荷载具有协调变形作用，而且对水平地震力具有卸载作用，其抗震能力大于桩基。此观点工程界早已取得共识，复合地基中褥垫层的抗震性能也使复合地基在高烈度区能够应用。
近年来随着土木工程的快速发展，由于桩基础工程质量问题或者已施工桩基工程后建筑移位、加高而需对工程基础处理的实例较多，应用CM三维高强复合地基理论也成功处理了深圳、东莞、广州、南京等多栋高层建筑，处理效果很好。
1 复合地基
1.1 复合地基的概念
复合地基中的桩与桩基础中的桩在构造与传力上是不相同的。很多工程师及同行往往会应用桩基础概念来说明复合地基，这是应用复合地基的阻力之一。
（1）桩基础中桩顶与基底、基底下土面是在同一个水平面上的，而复合地基中桩顶与基底、地基土面分别在三个标高上，而且随着荷载的变化而变化，而不能用力学的刚度分配概念分析套用。
（2）复合地基中桩的受力状态是优于桩基础的，简单用桩基试验来检测复合地基承载力是不合适的。
（3）褥垫层厚度的变化会改变复合地基中桩的受力情况，在褥垫层厚度加到一定值时，桩对复合地基强度没有贡献。
（4）复合地基强度不是简单的单桩承载力叠加地基土的承载力。
（5）随着复合地基强度的提高，复合地基已发展到不能理解为仅处理软地基。运用“缺多少、补多少”的概念进行设计可取得较大经济效益。
1.2 复合地基的分类
复合地基包括单一型复合地基和组合型复合地基两种，单一型复合地基又分水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基两类。竖向增强体复合地基，也称桩体复合地基。根据竖向增强体的性质可将复合地基分为四类。
（1）柔性桩复合地基：以散体材料为主的桩型，如砂桩、碎石桩、矿渣桩、石灰桩、灰土桩复合地基等；
（2）亚刚性桩复合地基：如水泥土桩、CFG桩复合地基等；
（3）刚性桩复合地基：素混凝土桩复合地基。
（4）组合型复合地基：为改变应力场、更有效提高复合地基强度而用空间不同刚度组合而成的复合地基，CM三维高强复合地基就是组合型复合地基的一种。
1.3 复合地基的工作原理
在上部荷载作用下，增强体和天然地基土体通过变形协调共同承担荷载作用是形成复合地基的基本条件。
在基础下设置一定厚度的褥垫层，即使桩端落在较好土层上，也能保证一部分荷载通过褥垫层作用在桩间土上，借助褥垫层的调整作用，使给定荷载作用下桩、土受力时程曲线均为常值。
当褥垫层厚度 时，桩对基础的应力集中很显著，和桩基础一样，需要考虑桩对基础的冲切破坏。
当 大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。
桩顶对应的基础底面测得的反力 与桩间土对应的基础底面测得的反力 之比用 表示 ， 值与褥垫层厚度 的变化如图1-1所示。当褥垫层厚度大于10cm时，桩对基础底面产生的应力集中已显著降低，当 为20cm时， 值已接近为1.0。
由前面的讨论可知，垫层厚度过小，复合地基中桩受力较大，并且桩对基础将产生很显著的应力集中，需考虑桩对基础的冲切，势必导致基础加厚。如果基础承受水平荷载作用，可能造成复合地基中的桩断裂。
图1-1 值与垫层厚度关系曲线
褥垫层厚度过大，会导致桩、土荷载分担比较低，此时桩承担的荷载太小，实际上复合地基中桩的设置已失去了意义。这样设计的复合地基承载力，不会比天然地基有较大的提高。
综合以上分析，结合大量的工程实践总结，褥垫层厚度取10cm～30cm为宜。当褥垫层设置为合适的厚度时，不但桩对基础产生的应力集中小，可不考虑桩对基础的冲切作用，基础受水平荷载作用时，不会发生桩的折断，而且能充分发挥桩间土的承载能力。
1.4 复合地基的应力场
柔性散体及亚刚性材料，其加筋材料Es（材料参数）值仅为101～3Mpa，其地基强度的提高必然受到前述加筋体有效工作长度的限制，例如深层搅拌桩复合地基，在加固深度大于（20～30）d（加筋体直径）后，其地基强度不会再增加。
根据现场试验及工程实践数据，以邓肯.张非线性空间有限元模型加以大容量计算机计算，对复合地基的工作机理及应力场予以探讨。发现复合地基中加筋体的刚度变化在复合地基中存在由量变到质变的过程。
以下是亚刚性桩及刚性桩复合地基应力等值线图形，桩长设置在临界长度内，并设置了200mm厚的褥垫层。
图1-2 应力等高线图
图A为亚刚性桩复合地基应力等高线图形。在现行规范中的柔性及亚刚性复合地基中应力场状况之高应力线仅在于浅层及加固体内部，且由于土与加劲体的Es值差距不大，应力线甚至可以贯穿加劲体与土。由于加劲体的侧胀有利于调动地基土参与工作，但由于加劲体Es值较低，因而，加筋体的有效工作长度较短，复合地基不可能取得较高强度。
图B为刚性桩复合地基应力等高线图形。发现复合地基中应力场远不是现行规范中复合地基情况，由于刚性桩其有效工作长度大幅度提高，极有利于调动深层土的承载力。但是，很容易发现：除接触部分由于垫层效应的原因及桩端部分的高应力以外，桩和桩间的土几乎没有应力线。这在一些软土地基（fk<120kpa）中，在长期荷载作用下将造成大量荷载向加筋体处转移，形成地基土下陷，安全度将大幅度下降。
1.5 复合地基的补强概念设计
桩基承载力是由桩周表面与土的摩擦力及端部承载力所构成，桩基中的桩间土是不发挥作用的。而复合地基则利用了原天然土承载力，可以就土的承载力实行“缺多少，补多少”的原则进行设计，而且建筑物设有地下室时，地下室部分挖除土重可以抵消一部分上部建筑对地基土的附加荷载。
2 CM三维高强复合地基
2.1 CM三维高强复合地基的概念
对于现行的规范方法，超过临界长度后，盲目增加桩长已不可能再提高复合地基承载力，其原因是超出临界长度的那部分桩体已经不能再提供承载力。
基于前述分析及试验研究，CM三维高强复合地基设计中在刚性桩与土之间介入了一个刚度桩，即亚刚性桩，再通过褥垫层作用，使复合地基的应力场产生了质的变化。CM三维高强复合地基是将C桩（刚性桩）和M桩（亚刚性桩）根据其竖向Es值、临界长度不同而长短交叉布置，由C桩，M桩，土和垫层有机组合而成的新型地基。设计中将C桩（刚性较长桩）桩端放在相对较好的土层上，M桩（亚刚性较短桩）桩端放在稍好土层上或C桩桩长1/2～1/3处。CM三维高强复合地基使C桩、M桩及桩间土在平面刚度组合和空间刚度梯度上形成了最佳的应力场，从而更多的调动了深层土参加工作，提高了桩间土参与工作系数值，大幅度提高了复合地基的承载力，同时使建筑物的沉降大幅降低。
2.2 CM三维高强复合地基的特点
图2-1 CM桩三维刚度梯度图
（1）平面上形成极有利的三个刚度梯度，ES数量级各为：土：101MPa；M桩（亚刚性桩）：102MPa～103MPa；C桩（刚性桩）：103MPa～104MPa。极利于桩土协调变形。
（2）竖向利用了桩的有效工作长度不同，设计成M桩（亚刚性桩）短，C桩（刚性桩）长。从而在竖向形成三个刚度梯度，成为三层地基，即，基底以下：
第一刚度：C桩 + M桩 + 土；
第二刚度：C桩 + 土；
第三刚度：原天然土。
（3）新型复合地基改变了刚性与亚刚性桩复合地基应力场与变形场，由于充分调动了深层土的承载力，这不仅降低了造价也减少了变形。
（4）M桩桩端效应提高了C桩承载力，可以调动深层土参加工作，利于形成桩土的三维应力状态。
（5）CM三维高强复合地基不仅可以较大幅度提高地基强度，而且可以沿竖向改变强度及刚度，使其更接近附加应力的作用曲线。同时，对于特殊地质（如岩溶地质）下卧层因附加应力的扩散而提高了安全度。
应力场：加筋范围全场地通过应力等值线，使被加固的桩间土处于有利的三向应力状态，使土的参与工作系数大于1（可达到1.4～1.6）。与此同时桩端土的高应力又调动了桩端土的强度。（见图2-2）
图2-3 CM复合地基及刚性桩复合地基变形场
由于M桩的加入，减少了刚度大的C桩桩身的负摩擦，也加速了土的固结。
由于刚度大的C桩桩距的缩小从而使复合地基可以得到极高的强度，强度提高3?～20倍，变形只有天然地基的10%—20%。
2.3 CM三维高强复合地基的作用机理
（1）垫层作用
复合地基中的垫层对协调加筋体与土的变形是行之有效的，因为加筋体对垫层刺入效应的过程就是调动土参加工作的过程，垫层的作用，可概括为4个特点：
①铺设垫层可协调桩土变形并调动浅层土参加工作，保证桩和桩间土共同承担荷载，使桩间土的强度得到充分发挥。
②调整桩和桩间土垂直荷载分担比。
③减少桩顶对基础底面的应力集中现象，从而不需要考虑桩对基础的冲切破坏。
④由于基础与地基间的柔性垫层能有效的对建筑物地震力进行卸载，有利于抗震，从而广泛的应用于地震区。
（2）桩的作用
①由于附加应力是由上至下逐渐减少的，CM三维高强复合地基就是利用这一特点在取得了高强度的复合地基的同时把原桩基对地基的强大集中力转换为上部结构对地基的随深度而减少的均匀附加应力。设置桩型时，采用长C桩和短M桩的合理布置，有效地控制了地基的沉降。
②由于桩的存在，使桩间土的变形受到桩的约束，侧向变形受到限制，从而使土的垂直变形减小。
③亚刚性桩M桩的介入改变了刚性桩及亚刚性桩复合地基应力场，使加固土体处于有利的三向应力状态，使土的参与工作系数大于1。同时，桩端土高应力又调动了桩间土的强度。
④亚刚性桩M桩的介入不仅调动了浅层土也调动了深层土参加工作，刚性桩C桩调动了桩端土参加工作，使整个CM三维高强复合地基处于高应力状态。
⑤由于C桩（刚性桩）强度较大及其受力特点可使复合地基承载力大幅提高。
⑥由于复合地基中刚性桩C桩桩端通常置于较好土层，故一般能在得到较高地基强度的同时控制地基变形。
⑦与桩基相比，桩基中桩对地基土的强大集中力，由于垫层作用，已改变为随深度而减少的附加应力。国内大量的工程证实，采用CM三维高强复合地基沉降远小于相同地质的摩擦端承桩，在一定覆盖层时，接近端承桩基础。
2.4 CM三维高强复合地基的强度理论
CM三维高强复合地基使C桩、M桩及桩间土在平面刚度组合和空间刚度梯度上形成了较佳的应力场，从而更多的调动了深层土参加工作，提高了桩间土参与工作系数值，大幅度提高了复合地基的承载力，CM三维高强复合地基在竖向三个刚度梯度使得处理后的复合地基强度较原状土承载力可提高3?～8倍。
根据《刚性-亚刚性桩三维高强复合地基技术规程》（DBJ/T 15－79－2011），CM三维高强复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，或采用增强体的载荷试验结果和其桩间土的承载力特征值结合经验计算，初步设计时也可下式估算：
2.5 岩溶地质CM三维高强复合地基的稳定问题
岩溶地质存在以下主要特点：
（1）溶洞分布情况不易查明。形成的溶洞位置、大小毫无规律、走向不定、变化不一，对于浅层溶洞成群分布、洞径大；
（2）上覆土层的特殊性存在土洞，特别是接近水位变化或下覆岩层面；
（3）不存在强风化、中风化灰岩层，直接进入微风化；
（4）岩面倾角大；
（5）往往在微风化面存在一层软塑粘土；
（6）岩体洞穴顶板的不稳定易发生变形，造成地基失稳；
（7）土洞或塌陷岩溶发育地质，特别是薄顶板以上存在抗剪强度较低的软土或砂性土，施工中极易形成塌陷漏斗会瞬时塌陷。
基于上述形成特点，若采用各种桩基（预应力管桩、旋挖灌注桩、冲孔灌注桩、预制桩）必定会带来种种困难，不仅工程安全性存在隐患，施工工期无法确定，工程造价也无法估量。
若采用CM三维高强复合地基，通过采用长螺旋桩机施工的素混凝土桩对溶土洞进行处理，将上部荷载较均匀的传至地基，将强大的集中力变为均匀的、较小的附加应力，且附加应力随着深度的加大而减小。同时因采用的是复合地基处理方式，桩端处附加应力较小，桩端落至岩面可不考虑桩端对岩面的冲切问题，桩无须穿透溶洞顶板。且刚性桩施工机械能对处理地基范围内已存土洞进行随时填堵；对浅层开口溶洞（通向覆盖土层的溶洞）进行封口及对薄顶板击穿封堵、以避免形成新的土洞（截断形成土洞必须的储藏空间）。
采用长螺旋灌注桩机施工素混凝土桩可有效处理土、溶洞，减少处理填堵溶洞的混凝土量，施工工期和投资可控，施工风险小，还能有效的解决岩溶地基的失稳问题。
2.6 CM三维高强复合地基的优点
（1）由于CM三维高强复合地基特殊的桩位布置，调整和改善了场地内平面及竖向的刚度分布，以合理的桩距形成了土的三维应力状态，使土的强度得到较大幅度的提高和充分的利用，因此可根据具体的工程技术要求，设计成不同承载力的高强度地基。
（2）由于竖向刚度的优化，使之成为三层地基，从而减少了复合地基的沉降，使沉降远远小于天然地基的沉降，有效地控制了建筑物的沉降，也解决了建筑物的不均匀沉降。
（3）与普通桩基础相比，由于充分调动了桩间土参与工作，使材料用量减少，而且桩体多采用低价材料，不需配筋，相对桩基可以节约造价30%-50%以上。
（4）使土的参与工作系数大于1，充分利用天然地基土的承载力。
（5）如施工设备采用长螺旋灌注桩机，则施工速度快，成桩质量好，无污染，噪声小，且大大缩短了施工工期，有时达1/3以上。
（6）由于CM三维高强复合地基的受力特性和施工特点，使其可用于处理多种特殊地质和广泛应用在各种建筑、市政工程。
2.7 CM三维高强复合地基的优异抗震性能
在桩基工程中桩是基础的一部分，桩通过钢筋锚入承台形成刚性连接，场地地震的水平运动加速度直接作用于基础上从而传至上部结构。而CM三维高强复合地基的桩是地基，且桩与基础间设置了一层垫层。垫层本身是松散材料，在场地地震力作用时可产生较大的剪切变形，由于剪切变形的时程滞后效应，使建筑物底面在水平往复地震力中对基础具有卸载作用，而CM三维高强复合地基不同刚度梯度更能使基础底面反力趋于均匀，因而目前已广泛用于海口、北京等高烈度区。
2.8 CM三维高强复合地基的适用范围
（1）适用地质
CM三维高强复合地基可用于粘性土层、也可用于透水系数较大或具有承压水的砂性土层及粘性土与砂性土的互层，此外也可用于岩溶地质、花岗岩球状风化体密集地质、密集漂卵石层地质、深厚覆盖层地质、深厚流塑状淤泥层地质、杂回填土地质、湿陷性黄土地质的工程，并适用于高烈度地震区。
（2）适用工程
①基坑支护及滑坡整治；
②机场、堆场、高速公路等工程；
③多、高、超高层建筑及需严格控制沉降的建筑；
④原场地已有桩基础，又需要改设计，而对基础进行处理的地基和对桩基工程的事故加固处理。
2.9 CM三维高强复合地基的施工桩型和布桩
根据建筑结构类型、荷载性质、桩的使用功能、持力层土类、地下水位、施工设备、施工环境和制桩材料供应条件等择优选择桩型。
（1）M桩施工桩型
M桩按照设计可采用深层搅拌桩、高压喷射注浆法、钻孔灌注法、长螺旋钻孔灌注法、锤击或振动沉管等方法施工。
（2）C桩施工桩型
C桩按照设计可采用沉管灌注桩、钻孔灌注桩、长螺旋钻孔灌注桩、旋挖桩、预应力管桩、预制方桩以及其他设计选用的特殊刚性桩进行施工。根据每种桩施工的特性，其适用的范围也不同。
①沉管灌注桩，适用于粉粘土、粉土、淤泥和淤泥质土、人工填土及无密实厚砂层地基。
②泥浆护壁钻孔灌注桩，适用于粉土、砂土、人工填土、碎（砾）石土及风化岩层分布的地基。包括地质情况比较复杂、夹层多、风化不均、软硬变化较大的岩层。
③长螺旋钻孔灌注桩，适用于粘性土、粉土、砂土等地基，以及对噪音及泥浆污染要求严格的场地。
④预应力管桩、预制方桩一般可沉入到坚硬的泥土层、密实的砂土层、以及强风化岩层，不宜用于孤石和障碍物多的地层；当需贯穿较厚的密实砂层或卵石层时，宜先试桩，在石灰岩地区则应慎重采用。
⑤旋挖桩，适用于各种土层且能钻进中、微风化岩层。
推荐长螺旋钻孔灌注桩施工。它具有以下特点：1、不用泥浆护壁，无噪音无污染；2、对场地土不会产生超净孔隙水压力；3、不易断桩，在软土中成桩质量好；4、钻进能力强，可穿过密实中粗砂，可进入强风化岩层上部（N=50左右）；5、施工速度快，每天可施工600m～1000m；6、施工造价低；7、直径可在400mm～800mm间变化。
（3）布桩
桩径不宜过小或过大，因为桩径过小，施工质量不容易控制，桩径过大，需加大垫层厚度才能保证桩土共同承担上部结构传来的荷载。C桩桩径宜采用300mm～600mm，M桩桩径宜采用400mm～700mm。桩距应根据设计要求的复合地基承载力、建筑物控制沉降量、土性、施工工艺等确定，宜取2.5～8倍桩径。设计的桩距首先要满足承载力和变形量的要求，从施工角度考虑，尽量选用较大的桩距，以防止新打桩对已打桩的不良影响。在满足承载力和变形要求的前提下，可以通过调整桩长来调整桩距，桩越长，桩间距可以更大。桩顶和基础间应在基础下满铺褥垫层。褥垫层在桩顶以上的厚度宜取200mm～300mm，当桩径大、桩距大、土层压缩性高时褥垫层厚度取大值，反之取小值。褥垫层材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石，最大粒径不宜大于20mm。当使用粉细砂时应掺入25%～30%碎石。
2.10 CM三维高强复合地基的检测
复合地基设计检测分为承载力检测与施工检测。承载力检测一般采用静荷载试验方法，荷载加到极限荷载，得到复合地基极限承载力，它是为设计者提供复合地基承载力设计依据，是对设计方案的检测。施工检验是对工程桩按一定的比例数进行随机抽检，检验桩身强度是否满足设计要求和桩身结构完整性，是对施工质量的检测，施工检验主要采用动测法和抽芯法。
复合地基中桩与桩基中的桩工作状况是不一样的，而且复合地基中并不是简单的桩承载力加土的承载力，因而复合地基承载力检测不应采用单桩承载力检测，而应执行国家规范的原位静载试验。故通常采用2根C桩和2根M桩组合而成的复合地基进行静载试验，荷载板尺寸由总体置换率确定，只有这样才能真正反映CM三维高强复合地基处理后的地基强度。
3 CM三维高强复合地基沉降计算方法的探讨
当前复合地基的变形计算理论正处于不断发展和完善的过程中，还无法精确地计算应力场从而为地基变形计算提供更合理的模式，特别是土层取样试验误差及加固土层模量合理取用的局限，难以提供精确的结果。
基础总沉降量S由三部分组成，一为垫层的压缩量S1，二为加固区范围内土层的压缩量S2，三为下卧层在附加应力作用下的压缩量S3。即
鉴于目前笔者设计和施工的大量工程实测数据结果（大量的工程证明建筑物平均累计沉降控制在10mm以下）显示，工程实测数据比此法计算值要小，笔者以为以现场静载试验的切线模量法计算出的复合地基沉降更接近于工程实践。
4 CM三维高强复合地基解决工程疑难地质问题
4.1 强发育岩溶地质
强发育岩溶地质在我国分布广泛，由于溶洞是空间存在的，走向不定，连通性好，分布不规则；微风化岩面高低起伏，岩面总体及局部倾角大；溶槽地段在微风化岩面上常有软塑或流塑状软土层、无粘聚力的砂层，极易产生塌陷漏斗，致使岩溶瞬时失稳。若采用桩基础必会带来种种难题，不仅工程造价、工期不可控，而且易产生施工安全和工程安全问题。采用CM三维高强复合地基，能在施工过程中随时对处理范围内存有的土洞进行填堵、溶洞进行封堵，避免产生新的土洞，有效解决岩溶地质稳定问题。CM三维高强复合地基近年在广东、广西、湖南等地成功处理了过千万平方米的工程难题，不仅保证了工程的安全性，且具有较高的环保、技术及经济效益。
2008年在广东省土木建筑学会成功召开以“岩溶”为主题的复合地基会议后，CM三维高强复合地基在广东岩溶地区得到更为广泛的应用和长足的发展。该项技术解决强发育岩溶地质问题已十分成熟。
华发?四季名苑工程由广州华枫投资有限公司投资兴建，工程位于白云山西北侧、东侧临近白云大道北、西邻岭南新世界，工程为5座26-32层高层建筑物、2座6-8层多层建筑物及地下室2层，总建筑面积约为18万平方米。场地为强发育岩溶地质，见洞率约为50%。
图4-2 华发?四季名苑典型地质剖面图
采用CM三维高强复合地基处理后复合地基承载力特征值大于500kPa，建筑监测结果表明建筑物累计平均稳定沉降为10.5mm。相较于桩基础，CM三维高强复合地基降低工程造价30%以上，缩短工期1/2以上。
4.2 花岗岩球状风化体密集地质
花岗岩地区在我国南方分布总面积达23.9万平方千米，主要分布在广东、福建及广西东南部，长江流域的湖南、江西南部，安徽、湖北东部与西南部以及四川省局部地区。其中，花岗岩构造地层在广州地区的东北部和南部，包括越秀山、白云山、从化、增城、天河、黄埔、番禺等地域分布广泛。
花岗岩残积土石英及粘粒含量均较高，具有不均匀性及各向异性、扰动性、软化特性和崩解性。在天然状态下它们具有较低的压缩性、较高的承载力和较大的抗剪强度，但遇水后力学性质显著降低。花岗岩残积土或强风化土层中还有可能埋藏着大小不等，随机分布的球形风化孤石，其体量并不是很大，一般只在1.0～5.0m左右，并且其三向（垂直向与水平向）的尺寸相对较为接近。因球形风化孤石存在的随机性，事前对其存在的可能性及确切的位置较难预测。
应对该种花岗岩球状风化孤石密集地质，若采用冲孔灌注桩，目前广东工程中通常采用的方法是建议作超前钻探以查明场地球状风化孤石分布和桩端持力层的完整性、连续性，并以中、微风化岩为桩基持力层，同时特别注意要穿过上部球状风化体，因为事前对其存在的可能性及确切的位置较难预测，应避免将球状风化体误判为达到了持力层。工程应用中往往出现以下情况：
① 耗费较多的资金和时间用于超前钻，逐桩探查孤石的位置，但目前超前钻还不能逐一查清孤石的大小范围；
② 施工中会遇到较大的困难，冲孔桩容易因孤石偏位、倒倾；
③ 误判孤石为持力层，往往需要补钻探孔。
若采用预制桩，又因球形风化孤石的随机存在，遇到孤石时桩端无法穿越，易造成断桩，断桩率高。
花岗岩地质的风化孤石只存在于全、强风化岩层及残积土层中，原状天然地基土具有较高的强度，再者，在花岗岩地质上，通常没有软弱下卧层及不良的洞穴，因而我们以复合地基的方法解决风化孤石问题。
针对孤石问题我们采取的信息化设计与施工方法：
①首先根据建筑荷载、基础型式，确定基础平面尺寸和地基处理强度，估算建筑变形；
②设计中对于孤石不同深度的加筋体单桩承载力分别计算，并给予补桩指导和位置（加筋体桩的端反力qsp可不小于残积土层或全、强风化岩层值）；
③设计中留有孤石存在的补桩施工位置；
④在施工时若发现先前未探明孤石，将施工记录发设计，根据现场情况调整设计图纸；
⑤施工后根据施工图进行强度、沉降复核验算。
采用复合地基方法可以充分利用原地基土承载力，显著提高工程其经济效益。强度上以“缺多少、补多少”为原则，采用CM三维高强复合地基可以达到强度500kPa以上；变形上在变桩基为复合地基过程中可将上部结构传来的强大集中力转变为均匀的、较小的附加应力，且附加应力随深度增加而逐渐减小，借此以控制建筑的总变形，以减少建筑的差异变形。
总之，在花岗岩球状风化体密集地质采用复合地基方法进行施工，必须将施工信息数据及时通知设计人员，设计人员据此进行复核及调整设计。
大湖一号花园工程位于清远市石角镇美林湖社区东侧，广花盆地北麓边缘。工程为3栋19层住宅楼、4栋别墅，地下室1层，剪力墙结构，总建筑面积32400平方米。该工程属花岗岩地质，存有孤石，见孤石率53.5%，孤石埋深3m至28m，厚度0.3m至5m，平均厚度约为3.5m。
通过采用CM三维高强复合地基设计施工，处理后地基承载力特征值fspk>500kPa，工程现已投入使用，监测结果表明建筑物平均稳定沉降为5.5mm。相较于原冲孔灌注桩基础方案，CM三维高强复合地基降低工程造价2/3，大大缩短工期。
图4-4 太湖一号花园项目典型地质钻孔柱状图
4.3密集漂卵石层地质
卵石地质在我们国家分布面积十分广阔，主要以河道和地质淤积平原较常见，可分为沙卵、泥卵、纯卵三种地质。
广东清远地区局部存在颗粒大小不定、形状不定、排列无规则且含量高（可高达90%）的漂卵石层，且卵石和漂石强度高、漂卵石层下往往存在软土层，漂卵石层易渗水。基桩钻进难、易漏浆、卡钻及孔口易塌落，施工对钻具磨损严重，采用潜孔锤引孔增加造价、延长工期，且对周边建筑物产生不良影响的事故时有发生，故不建议采用桩基础。CM三维高强复合地基通过改进施工工艺，用“以柔克刚、灵活变通”的处理原则，以低造价、短工期的静态施工方法，成功处理了密集漂卵石层地质，且该地质条件下施工的刚性桩与亚刚性桩桩身强度都非常高，提高了整个工程的安全系数。
图4-5 悦生创展明珠花园项目
由清远市悦生创展房地产有限公司投资兴建的佛岗悦生创展明珠花园，为13栋17～25层住宅楼及附属建筑组成，占地32714 m2，总建筑面积为151902 m2，主体设计单位为圣帝国际建筑工程有限公司。场地位于岩溶地区，密集卵石层平均厚度约为8m，卵石含量高达90%。
图4-6 悦生创展明珠花园项目典型地质剖面图
CM三维高强复合地基处理后复合地基承载力特征值大于500kPa，建筑物平均稳定沉降约6mm。相较于桩基础方案，CM三维高强复合地基能降低工程造价1/3以上，缩短工期2/5以上。
4.4深厚覆盖层地质
我国河流众多，各地河流在河床中广泛分布有覆盖层。覆盖层是指经过各种地质作用而堆积在基岩上的土层（松散堆积物）。深厚覆盖层是指厚度大于40m的覆盖层。覆盖层具有成因类型复杂、结构松散、层次不连续、厚度变化较大、物理力学性质不均匀性等特点。
在我国长三角地区（上海、常州、南京、无锡等）常存在20m至100m厚的第四系残积软土层，由于岩面埋深大，若采用桩基础，桩基压缩层厚度大，沉降较大，且工程造价高。CM三维
图4-7 金置广场项目
图4-8 金置广场项目典型地质钻孔柱状图
高强复合地基利用附加应力随深度增加而减小的原理，在竖直方向形成三级刚度梯度，根据附加应力大小及沉降要求确定加固深度，CM桩桩端无须置于岩层中，大大降低了工程造价，且用该技术处理后的工程平均稳定沉降控制在10mm以内。
金置广场工程位于无锡市前西街与五爱北路交界的西北角，由无锡金宇置业有限公司投资兴建。工程为30层高层主楼和18层副楼，地下室1层，建筑面积约6万平方米，主体由无锡市民用建筑设计院设计，基底下80m厚第四系残积层，钻探未见岩层。
工程采用CM三维高强复合地基技术，处理后复合地基承载力特征值大于500kPa，建筑物平均、稳定沉降约8.3mm。同钻孔灌注桩基础相比较，由业主方提供的资料，本工程基础总造价降低约30%，施工工期缩短1/3以上，收到较好的经济效益。
4.5深厚流塑状淤泥层地质
深厚流塑状淤泥层地质在我国长三角地区、珠三角地区广为分布，如广东珠海、长江三角洲、东莞麻涌镇和红梅镇等十镇、广州南沙、广州金沙洲等存有厚度大于15米的淤泥及淤泥质土层。该土层天然含水量高、孔隙比大，高压缩性，低强度、透水性弱，易产生流变。
珠江三角洲淤泥层地质含有较多的有机质和较高的含氮量。含氮量是代表软土组成成分的一项综合性指标，与软土的物理力学性质具有密切的相互关系，随着含氮量的增高，土的塑性增强，压缩性增大，抗剪强度降低。淤泥层地质中有机质含量增加，使土的分散性加大，含水量增高，压缩性增大，强度减小，承载力降低，对土的工程性质影响非常大。此外，由于有机质软土具有蠕变性，沉降量较大，而且沉降完成时间较长，次固结沉降占很大的比例，导致在工程设计和施工很难准确的估算出沉降值，从而给工程竣工后带来更大的沉降隐患。
目前，在深厚流塑状淤泥层地质若采用桩基础，随着时间推移，淤泥土体产生次固结沉降，原本的低承台桩基会变成高桩承台基础。该种基础形式在水平力的作用下，由于承台及部分桩身露出地面或局部冲刷线，减少了自由段桩身侧面的土抗力，桩身的内力和位移都将大于低承台桩基，在稳定性方面也不如低承台桩基。在深厚流塑状淤泥层地质该种基础形式必须考虑压屈对稳定的影响，可通过增加断面或大幅折减承载力，特别是当预应力管桩不易嵌入岩石时，在施工中较小的侧向力就可能产生大幅位移，致使深厚淤泥使桩身稳定不能满足要求。
采用CM三维高强复合地基，通过利用多层、多泵、多管、独立喷浆的新设备，提出了“四低”新工艺施工技术—低掺量（新工艺并未增加水泥的掺量，水泥掺量仍为土重的15%-18%）、低转速（小于30转/min）、低提升及下沉速度（小于30cm/min）、低压力（小于0.3MPa），在深厚流塑状淤泥层地质采用大直径水泥搅拌桩代替常规小直径水泥搅拌。大直径水泥搅拌桩的水化热能改善桩周土的状态，有利于提高桩侧摩阻力和桩间土的承载力；采用大直径搅拌桩可以提高M桩的桩身强度，桩身强度较小时，桩侧摩阻力和桩端反力取值较低，桩身强度较大时则可适当提高其取值，从而M桩单桩承载能力得到了提高。采用大直径搅拌桩，桩和土形成的复合土体的压缩模量将大大提高，且桩对桩间土具有较大的阻止土体侧向变形的作用，在垂直荷载作用下，由于土体侧向变形的限制，减少了侧向变形，也就减小了垂直变形，故采用该种施工措施的高强复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。该种新型地基处理技术创造了岩土工程界搅拌桩在流塑状淤泥层桩身强度从0.6MPa提高至2.0MPa以上、淤泥土层强度由40kPa提高到625kPa、处理后建筑物平均稳定沉降控制在10mm以内等多项重大突破，为今后同类工程的设计计算提供了参考依据。
图4-9 敏捷东城水岸项目
清远敏捷东城水岸一期工程位于广东省清远市清城区东城大道北侧，由敏捷房地产开发有限公司投资。该项目主要为8栋地上32层，地下2层的高层住宅楼群，总建筑面积约20万平方米。根据地勘资料，基底存在12m至18m厚的淤泥层，淤泥层下为见洞率极高（施工见洞率达80%-90%）的岩溶地质。
采用CM三维高强复合地基技术，不仅解决了深厚淤泥、岩溶稳定问题，同时将淤泥地基强度由40kPa提高至625kPa以上，建筑物平均稳定沉降约为8.5mm。相较于冲孔灌注桩方案，CM三维高强复合地基降低1/2的工程造价，缩短4/5的工期。
4.6湿陷性黄土层地质
湿陷性黄土广布于我国东北、西北、华中和华东部分地区，该地质颗粒组成以粉土粒为主，含量常在60%以上；其土质结构疏松、天然孔隙比一般在1.00左右。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小，在一定压力作用下受水浸湿后，其结构迅速破坏，强度迅速降低，并发生显著的附加下沉现象。若采用灰土挤密桩复合地基会受到强度限制，处理后地基强度无法达到高强的效果。根据灰土的材料特性，改良CM三维
图4-10 敏捷东城水岸项目典型地质剖面图
图4-11 西峰区商业步行街项目
图4-12 西峰区商业步行街项目典型地质钻孔柱状图
高强复合地基的CM桩（将灰土挤密桩作为M桩）及改变褥垫层组成材料（将常规的碎石垫层改为三七灰土或二八灰土垫层），以减水、隔水双重作用消除地基湿陷性，此种方法同样适用于膨胀土地质。通过简单的构造设计处理后，不仅满足强度和变形的要求，同时收到很好的环保、技术、经济效益。
庆阳市西峰区商业步行街位于甘肃省庆阳市西峰区中心，由庆阳圣鼎地产有限公司投资开发，该项目共建设十二栋12层高层，一栋18层高层，总建筑面积约8.5万平方米。场地为湿陷性黄土地基。
采用CM三维高强复合地基技术成功解决湿陷性黄土地基问题。降低总造价35%以上，缩短施工工期1/3以上，收到较好的经济效益。
4.7桩基工程事故或加固处理
在改革开放形势下，工程基础施工完后常会出现移位、工程变动（楼层加高）、设计调整、桩质量事故等问题。采用CM三维高强复合地基处理技术将原有桩基转变为复合地基，将上部结构强大的集中力，转变为随深度增加而减小的附加应力，利用“缺多少、补多少”原则，充分利用原施工桩承载力及地基土承载力，使原施工桩、桩间土及CM桩通过褥垫层作用共同承担上部荷载，对事故工程做简单处理。该技术在深圳、肇庆、南海、东莞、南京已成功解决了大量此类工程问题。
图4-13 广东某住宅项目
广东某工程原设计为预应力管桩+筏板的基础型式，管桩施工后，发现大部分管桩单桩承载力达不到设计值。通过改为CM三维高强复合地基，有效地利用原有管桩，通过新增适量的C桩和M桩，原桩基承载力不足的问题得到有效解决。该技术新增的工程量少，施工简便快捷，质量容易保证，而且工期短、造价低。
图4-14 广东某住宅项目典型地质剖面图
4.8市政道路工程
因CM三维高强复合地基能够较严格地控制沉降变形，被应用在“市政工程”、“路桥拓建工程”及“桥台跳车处理工程”中。该技术成功运用于佛开高速公路工程，并获得较高的经济效益、技术效益、环保效益和社会效益。
图4-16 佛开高速公路项目典型地质钻孔柱状图
5 CM三维高强复合地基的建筑经济效益
采用CM三维高强复合地基能大幅度的降低工程造价：
（1）与桩基础相比较，桩基础受力是由桩周表面与土的摩擦力及端部承载力，桩间土不能发挥作用，而CM三维高强复合地基利用了原天然土承载力，那么设计中可以就土的承载力缺多少补多少，持力层强度高，经济效益良好。
（2）上部建筑对土的附加应力是随着深度而减少的，所以，CM三维高强复合地基中地基土的处理深度有可能远比桩基础的桩长小。
（3）由于采用复合地基，因而地下室部分挖除土重抵消上部建筑对地基土的附加荷载。
（4）CM三维高强复合地基中的加筋体材料可以采用低价材料，C桩无钢筋，可采用低标号的砼。
（5）与桩基比较，单位体积材料所发挥承载力要高于桩基础。
（6）采用CM三维高强复合地基较桩基础可以大幅度缩短工期。
6 近年来CM三维高强复合地基在广州地区应用的工程实例
近年来，CM三维高强复合地基由于其经济效益、技术效益、环保效益在全国地区得到了广泛应用，详见下表6-1：
表6-1 近年采用CM三维高强复合地基部分工程
7 结语
十余年来，CM三维高强复合地基应用于国内诸多省市不同地质，配合使用我国自主开发研究的长螺旋钻孔泵送混凝土设备，解决了岩溶地质、花岗岩球状风化体密集地质、密集漂卵石层地质、深厚覆盖层地质、深厚流塑状淤泥层地质、市政道路工程、桩基工程事故及加固处理工程等八大工程疑难问题，取得了良好的技术、经济、环保效益，是目前国际上能达到强度最高、处理后建筑物沉降最小的高强复合地基。
参考文献：
[1]沙样林，CM三维高强复合地基理论与应用[J]，同济大学2003年第6期。
[2]许敏、沙祥林，元辰大厦CM三维复合地基的设计[J]，建筑结构2004年第10期。
[3]沙祥林，CM三维高强复合地基[J]，第十届土力学及岩土工程学术会议论文集，2007年10月。
[4]沙祥林，花岗岩地区含球形风化孤石的复合地基处理方法实践，广东省土木学会论文集（获论文一等奖），2008年。
作者简介：
沙祥林（1942-），男，江苏南京人，高级工程师，1965年毕业于上海同济大学。中国土木工程学会土力学及基础学会四、五、六、七、八届现任理事，CM三维高强复合地基专利发明人。因复合地基研究7次获国家、省“八五十大科技成就奖”、省部科技进步奖。《CM三维高强复合地基技术规程》和《刚性-亚刚性桩三维高强复合地基技术规程》主编人。现任广州中技建筑工程有限公司总工程师。电话：18998313535；Email：cmdj_s@163.com。地址：广州市萝岗区光谱西路69号。
古兰芳（1984-），女，岩土工程师、一级建造师，从事岩土工程设计，至今已设计CM复合地基工程达过千万平方米建筑面积，发表了《广花盆地岩溶地质CM三维高强复合地基实践》、《花岗岩地区含球形风化孤石的复合地基处理方法实践》等论文，同时也是《刚性-亚刚性桩三维高强复合地基技术规程》主编人。电话：18666029590；Email：cmdj_sj@163.com。
奚贤慧（1987-），女，岩土工程硕士、工程师、注册建造师，从事岩土工程设计。
邓继键（1987-），男，岩土工程硕士、工程师、注册建造师，从事岩土工程设计。
论文作者:卵石地质及桩基事故处理工程等的应用与发展
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/17
标签：地基论文; 地质论文; 刚性论文; 承载力论文; 工程论文; 应力论文; 褥垫论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;