莫志剛

（貴州省工程技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督站貴州貴陽550003）

CFG樁復(fù)合地基的實(shí)用設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用

莫志剛

（貴州省工程技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督站貴州貴陽550003）

目前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土木工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，對原有軟弱地基的處理成為建筑設(shè)計(jì)和施工越來越被關(guān)注的環(huán)節(jié)。本文在現(xiàn)有CFG樁復(fù)合地基研究成果的基礎(chǔ)上對CFG樁復(fù)合地基承載特性作了系統(tǒng)的分析，并對其中數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了較為全面的研究。

CFG樁復(fù)合；地基設(shè)計(jì)；方案設(shè)計(jì)；承載力

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，工程建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，現(xiàn)代土木工程建設(shè)對地基的要求越來越高。地基土層的分布及工程性質(zhì)復(fù)雜，且多具有區(qū)域性，導(dǎo)致地基設(shè)計(jì)不僅要針對不同的地質(zhì)條件、不同的結(jié)構(gòu)物特征來選擇最合適的基礎(chǔ)型式、尺寸和布置方案。地基處理的最佳方案，關(guān)系到整個工程質(zhì)量，投資和進(jìn)度的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

1　CFG樁復(fù)合地基的定義

CFG樁（Cement Flyash Gravel Pile）如圖1所示，全稱為水泥粉煤灰碎石樁，由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，通過機(jī)械成樁制成的可變強(qiáng)度樁，調(diào)整水泥摻量及配比（強(qiáng)度等級在C5～C30之間變化）。在CFG樁和樁間的混合下，褥墊層將與CFG樁復(fù)合地基共同工作，所以可根據(jù)復(fù)合地基性狀及計(jì)算進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。CFG樁一般不采用計(jì)算配筋，并且再次利用工業(yè)廢料——粉煤灰和石屑作摻和料，從而降低工程的造價。

圖1　CFG樁復(fù)合地基示意圖

2　CFG樁復(fù)合地基理論探討

2.1CFG樁樁體材料及其性狀

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混合料坍落度對樁體強(qiáng)度有影響，前者越小，則后者越高。但是當(dāng)CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究是使用長螺旋壓灌施工時，情況便會不同?；旌狭咸涠鹊脑龃蟮揭欢〝?shù)值，可能造成混合料分解，造成施工時的堵管。混合料坍落度倘若過小則會導(dǎo)致泵不能正常使用。綜合以上因素，CFG樁混合料坍落度的數(shù)值最好為16～20cm，而施工當(dāng)中盡量避免取低值。

2.2垂直荷載作用下CFG樁復(fù)合地基的性狀

CFG樁、樁間土和褥墊層一起形成復(fù)合地基，在垂直荷載作用下，樁和樁間土都要發(fā)生變形。雖然樁的模量遠(yuǎn)比土的模量大，樁比土的變形小，但是由于在基礎(chǔ)下面設(shè)置了褥墊層，樁可以向上刺入，伴隨這一變化過程，墊層材料不斷調(diào)整補(bǔ)充到樁間土上，以保證在任一荷載下樁和樁間土始終參與工作。

CFG樁復(fù)合地基由于設(shè)置了褥墊層，在一定荷載作用下，隨著時間的變化，樁間土表面的變形不斷增加，單樁和土的荷載分擔(dān)均為一常值，它不隨時間變化而變化。CFG樁復(fù)合地基隨著荷載的增加，樁承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比逐漸增加，土承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比逐漸減小。剛性基礎(chǔ)下的CFG樁復(fù)合地基在荷載一定時，隨樁長增加而增大，隨樁距減小而增大。土的強(qiáng)度越低，荷載的百分比越大；褥墊層越薄，總荷載的百分比越大；剛性基礎(chǔ)下的CFG樁群樁復(fù)合地基，樁所處的位置不同，受力的大小也不同，一般是角樁受力最大，邊中樁次之，中心樁最小。

CFG樁、樁間土和褥墊層一起形成復(fù)合地基，在垂直荷載作用下，樁和樁間土都要發(fā)生變形。雖然樁的模量遠(yuǎn)比土的模量大，樁比土的變形小，但是由于在基礎(chǔ)下面設(shè)置了褥墊層，樁可以向上刺入，伴隨這一變化過程，墊層材料不斷調(diào)整補(bǔ)充到樁間土上，以保證在任一荷載下樁和樁間土始終參與工作。

CFG樁復(fù)合地基在剛性基礎(chǔ)下樁間土的應(yīng)力分布為：在基礎(chǔ)邊緣應(yīng)力較大，在基礎(chǔ)中間部分比較小。

2.3垂直荷載作用下CFG樁復(fù)合地基的變形特性

在通常情況下，樁體的模量越大，軸向力引起樁的壓縮變形越小，其可忽略不計(jì)。但樁任一斷面處的位移，可看為與樁頂?shù)奈灰葡嗟?，而在此基礎(chǔ)上建立CFG樁復(fù)合地基，呈現(xiàn)變形模式。復(fù)合或天然地基變形的差異主要緣于樁的影響，其原因?yàn)椋孩僭趶?fù)合地基中，樁間土的變形受到樁的制約，其側(cè)向變形受到限制，這樣導(dǎo)致土的垂向變形減小。②因?yàn)槿靿|層的設(shè)置，在復(fù)合地基中，樁存在負(fù)摩擦區(qū)，而樁給樁間土一個向上的作用力，使得其產(chǎn)生阻止樁間土的變形。

2.4邊載對CFG樁復(fù)合地基承載特性的影響

大量地基實(shí)驗(yàn)研究了邊載對CFG樁復(fù)合地基承載性狀的影響，其中分析了CFG樁復(fù)合地基承載力和變形性狀、CFG樁復(fù)合地基中樁的承載性狀、CFG樁復(fù)合地基樁間土性狀和CFG樁復(fù)合地基樁、土荷載分擔(dān)。

（1）CFG樁復(fù)合地基承載力和變形性狀中，邊載作用讓CFG樁復(fù)合地基承載力大為提高，在同一荷載下，有邊載條件的沉降量要較低。其原因?yàn)?，邊載作用抑制了基礎(chǔ)外側(cè)土體向上隆起，使得同一深度處的變形趨于平穩(wěn)。

（2）CFG樁復(fù)合地基中樁的承載性狀實(shí)驗(yàn)表明，CFG樁復(fù)合地基中的單樁承載力要比自由單樁大的多，同時還表明，無邊載條件下復(fù)合地基中樁的荷載差別較小，這些都說明邊載對復(fù)合地基中單樁承載力的影響不大。

（3）CFG樁復(fù)合地基樁間土性狀的研究表明，邊載對復(fù)合地基樁間土承載力的提高具有明顯的作用，有邊載條件下樁間土的承載力遠(yuǎn)大于無邊載條件下樁間土的承載力，可見，邊載對復(fù)合地基中單樁承載力的影響不大，復(fù)合地基承載力的提高，主要是邊載使樁間土承載力提高所引起的。

（4）CFG樁復(fù)合地基樁、土荷載分擔(dān)的研究表明，在同一荷載水平時，有邊載條件下樁頂受力比無邊載條件下的小，樁土應(yīng)力比也小，而樁間土則不同，有邊載條件下樁間土受力比無邊載條件下樁間土受力大。

2.5CFG樁復(fù)合地基褥墊層作用

褥墊層，如圖2所示，其設(shè)置為CFG樁復(fù)合地基在受荷后提供了樁上、下刺入的條件，保證了樁與樁間土始終是共同承擔(dān)荷載。褥墊層的作用主要表現(xiàn)在以下四個方面，即保證樁與樁間土始終是共同承擔(dān)荷載、調(diào)整樁和土荷載分擔(dān)比、減小基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中、調(diào)整樁和土水平荷載分擔(dān)。

圖2　CFG樁復(fù)合地基褥墊層

其中，褥墊層的設(shè)置厚度不宜太小，如果厚度太小，不宜充分發(fā)揮樁間土的承載能力；同樣，褥墊層的設(shè)置厚度也不宜太大，如果厚度太大，不宜充分發(fā)揮樁的作用，通過大量工程實(shí)踐的總結(jié)，褥墊層的設(shè)置厚度一般宜為20～30cm。

3　CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1CFG樁復(fù)合地基承載力計(jì)算

復(fù)合地基是樁間土和樁共同承載，其計(jì)算是根據(jù)樁間土承載力和單樁承載力進(jìn)行組合相加。CFG樁復(fù)合地基承載力用如下公式估算：

fsp.k——復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

式中：m——面積的置換率；

Ap——樁截面的面積（m2）；

fs.k——天然地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

η——樁間土強(qiáng)度的提高系數(shù)，其值為加固后樁間土承載力與加固前樁間土承載力標(biāo)準(zhǔn)值之比。η=0；

λ——樁間土強(qiáng)度的利用度，一般取λ=0.9～0.95；變形要求高的工程則取λ=0.75～0.9；

R28——樁體28d的立方體試塊強(qiáng)度。

倘若使用單樁靜載荷試驗(yàn)來求得單樁極限承載力Ru后，留可按如下式：

地基在經(jīng)CFG樁處理后，可考慮基礎(chǔ)寬度和深度對地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值的修正問題，其中寬度不作修正，且深度地基承載力修正系數(shù)一般取1.0，CFG樁復(fù)合地基在深度修正后，其地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fa為：

fa=fsp.k+γ0（d-1.5）

式中：γ0——底面以上土的平均重度，地下水位以下取有效重度；

d——基礎(chǔ)埋置的深度，m，一般以自室外地面的標(biāo)高算起。

CFG樁復(fù)合地基承載力的計(jì)算，需滿足建筑物荷載要求，當(dāng)承受軸心荷載時，應(yīng)為：

PK≤fa

式中：PK——荷載標(biāo)準(zhǔn)所組合基礎(chǔ)底面處的平均壓力值。

當(dāng)承受偏心荷載時，除滿足上式外，還應(yīng)滿足下式要求：

PKMax≤1.2fa

式中：PKMax——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合基礎(chǔ)底面邊緣的最大壓力值。

3.2CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

在CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)之前，首先要對施工場區(qū)巖土進(jìn)行勘察，其次在此基礎(chǔ)上提出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)報告，并確定其設(shè)計(jì)的五個參數(shù)：

（1）樁長l：CFG樁復(fù)合地基要求其端持力層需選擇較好的土層，樁長l受建筑物對地基承載力是否變形、土質(zhì)條件和設(shè)備能力等因素影響。樁長確定后，可按如下公式計(jì)算樁的承載力。

式中：Up——樁的周長；

qsik——第n層土與土性和施工工藝有關(guān)的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值：

hi——第n層土厚度；

qpk——與土性和施工工藝有關(guān)的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

K——安全系數(shù)，取2.0。

（2）CFG的樁徑d，一般根據(jù)常用的施工設(shè)備來選取，一般樁徑的設(shè)計(jì)為350～600mm之間。

（3）樁間距s及其布樁原則：樁間距取值由地基承載力和變形、土質(zhì)條件和施工設(shè)備等因素決定，設(shè)計(jì)時一般要求地基承載力取大，s取小值，但其中必須考慮相鄰樁之間的影響。

（4）樁體的強(qiáng)度：樁體試塊抗壓強(qiáng)度需滿足如下公式：

fcu≥3Rk/Ap

式中：fcu——樁體混合料試塊，其標(biāo)準(zhǔn)為養(yǎng)護(hù)28d立方體抗壓強(qiáng)度平均值（邊長為150mm立方體）；

Rk——豎向單樁承載力的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

Ap——樁的截面積，m2。

（5）褥墊層厚度及材料：褥墊層設(shè)置厚度一般20～30cm為宜，褥墊層材料可用粗砂、中砂來配以較好的砂石、碎石作為原料。

4　結(jié)論

本文對CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)方法及工程中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的研究，通過敘述了復(fù)合地基的發(fā)展與研究現(xiàn)狀、較全面地闡述了CFG樁復(fù)合地基的承載特性、加固機(jī)理、設(shè)計(jì)方法，說明了CFG樁復(fù)合地基法具有其它地基處理方法不可比擬的優(yōu)勢。

[1]周軍紅，王程亮，曹巖.減沉疏布CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用[J].工程勘察，2011，39（7）：28～31.

[2]郭黨生，史本全，趙振國，等.CFG長短樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2009：26～28.

[3]黎杉.高速公路CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用研究[J].路基工程，2013（3）：21～24.

[4]梁保國，郝振賢，徐國社，等.CFG樁復(fù)合地基沉降計(jì)算研究[J].山西建筑，2009，35（16）：103～105.

TU473.1

A

1673-0038（2015）16-0062-03

2015-3-25

莫志剛（1973-），男，漢族，河南西平人，高級工程師，碩士研究生，主要從事建設(shè)工程勘查設(shè)計(jì)工作。