李允忠，鄭假余

(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250001)

CFG樁處理濕陷性黃土的設(shè)計(jì)方法

李允忠，鄭假余

(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250001)

利用振動(dòng)沉管水泥粉煤灰碎石樁(Cement Flyash Gravel Pile, CFG)消除黃土濕陷性，并提高地基承載力。為消除黃土濕陷性，達(dá)到樁間土擠密效果，CFG樁按照灰土擠密樁布樁原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于樁間距較小，為減少對(duì)相鄰樁的影響，CFG樁采用隔樁跳打原則進(jìn)行施工。施工后經(jīng)過檢測(cè)，場(chǎng)地黃土濕陷性完全消除，承載力滿足了設(shè)計(jì)要求。

CFG樁；濕陷性黃土；地基承載力。

1 概述

CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等材料加水拌合而成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，屬于剛性樁。CFG樁地基處理后由樁、土和褥墊層一起構(gòu)成復(fù)合地基，樁和樁間土通過褥墊層協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)上部荷載。CFG樁與樁基相比，工程造價(jià)一般較低；與碎石樁、灰土樁等散體材料樁相比，CFG樁可以發(fā)揮樁的側(cè)阻力，當(dāng)樁端落在較好的土層時(shí)，還具有較大的端承力，可以將樁身所受荷載傳遞到較深的土層。

CFG樁適用范圍較廣，常用于處理粘性土、粉土、砂土、素填土等土層。CFG樁本身具有一定的強(qiáng)度，可以提供較高的承載力，達(dá)到改善加固深度內(nèi)的地基變形性狀，減小工后沉降的目的。CFG樁用于處理濕陷性黃土，主要是利用振動(dòng)沉管施工工藝對(duì)樁間土進(jìn)行擠密，達(dá)到破壞黃土原有的結(jié)構(gòu)，消除黃土濕陷性的目的，其原理類似于灰土擠密樁對(duì)樁間土的擠密作用。

2 工程概況

某變電站工程位于濕陷性黃土地區(qū)，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，地層條件如下：

①黃土狀粉土：黃褐色，稍濕，稍密，層厚0.80～1.40 m。

②黃土狀粘土：黃褐色，濕，可塑～硬塑狀態(tài)，有大孔隙，層厚1.00～2.20 m。

③黃土狀粉土：黃褐色，濕，稍密～中密，有大孔隙，層厚2.20～4.00 m。

④粉土：褐黃色，濕，中密～密實(shí)，夾粘性土薄層及砂土透鏡體，層底最大埋深為9.45 m。

地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)場(chǎng)地黃土狀土的濕陷性分析結(jié)果，濕陷性土在站址區(qū)普遍分布，最大濕陷系數(shù)為0.026，濕陷類型為非自重濕陷性黃土場(chǎng)地，濕陷量Δs值為22.5 ～81.0 mm，濕陷等級(jí)為I級(jí)(輕微)，最大濕陷深度6.10 m。

3 地基處理設(shè)計(jì)方案

該工程地基處理要求消除黃土的濕陷性，處理后地基承載力特征值不小于150 kPa。通過各種地基處理方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件比選，確定采用CFG樁進(jìn)行地基處理。

3.1 CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)

(1) CFG樁采用振動(dòng)沉管施工工藝，樁徑取為0.45 m。

(2) 為消除黃土濕陷性，樁間距s按照灰土擠密樁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，采用正三角形布置，孔心距按式(1)計(jì)算：

式中：s為樁孔之間的中心距離( m)；d為樁

孔直徑( m)；ρdmax為樁間土的最大干密

度(t/ m3)；d為地 基處理前土的平均干

密度(t/ m3)；為樁間土經(jīng)成孔擠密后的

平均擠密系數(shù)，不宜小于0.93。

經(jīng)過計(jì)算，本工程確定CFG樁的樁間距取為1.10 m。

(3) 樁長(zhǎng)按照穿透濕陷土層進(jìn)入非濕陷土層設(shè)計(jì)，樁端進(jìn)入④層粉土0.50 m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為5.5 m。

(4) CFG樁體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C10。

(5) 褥墊層的設(shè)計(jì)：CFG樁清除樁頂浮漿厚度不小于200 mm，鋪設(shè)褥墊層，褥墊層采用3∶7灰土分層碾壓密實(shí)處理，厚度300 mm，壓實(shí)系數(shù)不小于0.95。

CFG樁設(shè)計(jì)剖面和平面布置見圖1。

圖1 CFG樁設(shè)計(jì)剖面和平面布置圖

3.2 CFG樁復(fù)合地基承載力計(jì)算

(1) CFG樁單樁承載力

單樁豎向承載力特征值Ra按照式(2)計(jì)算：

式中：up為樁的周長(zhǎng)；qsi為樁周第i層土的側(cè)

阻力特征值(kPa)；li為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度； αP為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取1.0；qp為樁端端阻力特征值

(kPa)；Ap為樁的截面積(m2)。

各地層CFG樁計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 CFG樁單樁承載力計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，單樁豎向承載力特征值Ra=205 kN。

(2) 面積置換率 m

CFG樁面積置換率按式(3)計(jì)算：

式中：d為樁身平均直徑(m)；de為一根樁分擔(dān)

的處理地基面積的等效圓直徑(m)。

經(jīng)計(jì)算，面積置換率 m = 0.1518

(3) 復(fù)合地基承載力

復(fù)合地基承載力按式(4)計(jì)算：

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.8；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.8。經(jīng)計(jì)算，復(fù)合地基承載力fspk=221 kPa。

3.3 樁體強(qiáng)度驗(yàn)算

CFG樁樁體強(qiáng)度按式(5)計(jì)算：

根據(jù)式(5)，樁體強(qiáng)度σp=1.26 MPa。樁體抗壓強(qiáng)度fcu=10 MPa≥4λRa/Ap=4.03 MPa。經(jīng)驗(yàn)算，樁體強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 CFG樁的施工

CFG樁施工采用DZ40型振動(dòng)沉管打樁機(jī)成孔。對(duì)于滿堂布樁, 施工順序采用從一邊向另一邊推進(jìn)的方案。為減小對(duì)相鄰樁的影響，采用隔樁跳打施工工藝。施工示意圖見圖2。

4.1 原材料及配合比

(1) 原材料：水泥采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用三級(jí)灰；砂采用Ⅱ區(qū)級(jí)配的中砂, 細(xì)度模數(shù)2.55，含泥量小于3%；碎石采用粒徑1～3 cm的碎石。

樁體混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C10，坍落度為30～50 mm，每立方米配合比材料用量見表3。

圖2 隔樁跳打施工示意圖

表3 CFG樁配合比每立方米材料用量

經(jīng)過室內(nèi)抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，7天抗壓強(qiáng)度為11.8 MPa，28天抗壓強(qiáng)度為16.9 MPa。

(2) 一般情況下充盈系數(shù)為1.1～1.2。

4.2 CFG樁的施工

(1) 樁機(jī)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)、沉管入土深度確定機(jī)架高度和沉管長(zhǎng)度，進(jìn)行設(shè)備組裝。

(2) 樁機(jī)就位，調(diào)整沉管與地面垂直，確保垂直度偏差不大于1%。

(3) 啟動(dòng)馬達(dá)，沉管到預(yù)定標(biāo)高，停機(jī)。

(4) 記錄電流表上的電流，并對(duì)土層變化處予以說明。

(5) 停機(jī)后立即向管內(nèi)投料，直到混合料與進(jìn)料口齊平?；旌狭习丛O(shè)計(jì)配比經(jīng)攪拌機(jī)加水拌和，拌和時(shí)間不得少于1 min，當(dāng)粉煤灰用量較多，攪拌時(shí)間還要適當(dāng)延長(zhǎng)。加水量按坍落度3～5 cm控制，成樁后浮漿厚度以不超過20 cm為宜。

(6) 啟動(dòng)馬達(dá)，留振5～10 s，開始拔管，拔管速率為1.2～1.5 m/min，拔管過程中不允許反插。如上料不足，在拔管過程中空中投料，以保證成樁后樁頂標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(7) 沉管拔出地面。確認(rèn)成樁符合設(shè)計(jì)要求后，用粒狀材料或濕粘性土封頂，然后移機(jī)進(jìn)行下一根樁的施工。

(8) 施工過程中，抽樣做混合料試塊，并測(cè)定28天抗壓強(qiáng)度。

(9) 施打順序采用隔樁跳打，并從一邊向另一邊推進(jìn)的方案。

5 CFG樁施工效果檢驗(yàn)

CFG樁施工完成后采用單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)、低應(yīng)變、土工試驗(yàn)等手段進(jìn)行了施工效果檢測(cè)。

5.1 單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)

單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)采用圓形承壓板，壓板直徑為1.16 m，壓板下設(shè)中粗砂找平，試驗(yàn)采用壓重平臺(tái)反力裝置，試驗(yàn)堆載重量不小于360 kN。

根據(jù)載荷試驗(yàn)結(jié)果，22個(gè)點(diǎn)的載荷試驗(yàn)在加荷至設(shè)計(jì)承載力2倍(300 kPa)時(shí)，最大沉降為8.56～35.84 mm之間。按照相對(duì)變形取s/d=0.01確定復(fù)合地基承載力特征值為159～300 kPa之間，按照最大壓力一半取值為150 kPa，所以滿足設(shè)計(jì)承載力150 kPa的設(shè)計(jì)要求。復(fù)合地基承載力特征值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見圖3。根據(jù)載荷試驗(yàn)曲線分析，該復(fù)合地基承載力還有一定的潛力可以發(fā)揮。典型復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線見圖4。

圖3 復(fù)合地基承載力特征值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖4 典型復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線

5.2 低應(yīng)變檢測(cè)

CFG樁施工完成后，隨機(jī)抽取10%的樁進(jìn)行了樁身完整性檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，樁身波速值大部分在2000～2500 m/s之間。根據(jù)檢測(cè)曲線分析，受檢樁大部分為Ⅰ類樁和Ⅱ類樁，也出現(xiàn)了少部分的Ⅲ類樁和Ⅳ類樁。典型低應(yīng)變檢測(cè)曲線見圖5。

圖5 低應(yīng)變檢測(cè)不同樁身完整性試驗(yàn)曲線

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，受檢樁中的Ⅲ類樁和Ⅳ類樁，經(jīng)分析存在兩個(gè)方面的因素：一個(gè)因素是振動(dòng)沉管施工由于振動(dòng)力較大，并具有擠土效應(yīng)，后施工的樁容易對(duì)已施工的樁造成水平向擠壓變形，雖然施工過程中采取了隔樁跳打的施工方法，還是產(chǎn)生了縮頸、斷樁等不良現(xiàn)象。另一個(gè)因素是為消除黃土的濕陷性，按照灰土擠密樁布樁原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用了較小的樁間距進(jìn)行布樁，而對(duì)于采用擠土成樁工藝的CFG樁來說，樁間距越小，對(duì)相鄰樁的影響越大，從而出現(xiàn)部分?jǐn)鄻丁?/p>

從上述因素分析，對(duì)于通過振動(dòng)沉管施工的CFG樁來消除黃土濕陷性，由于選擇較小的樁間距，會(huì)出現(xiàn)部分Ⅲ類樁和Ⅳ類樁；對(duì)于滿堂布樁的CFG樁復(fù)合地基來說，只要將Ⅲ類樁和Ⅳ類樁控制在一定比例范圍內(nèi)，一般不會(huì)對(duì)整個(gè)地基產(chǎn)生不利影響。

5.3 樁間土濕陷性檢測(cè)

CFG樁施工完成后，對(duì)樁間土采取原狀土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)分析，判斷樁間土的濕陷性是否消除。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，樁間土試驗(yàn)指標(biāo)見表4。

表4 樁間土試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)樁間土的天然孔隙比指標(biāo)分析，處理后土的密實(shí)性比處理前有了較大提高，振動(dòng)沉管施工工藝對(duì)樁間土有明顯的擠密效應(yīng)，處理后的樁間土消除了濕陷性。

6 結(jié)論

(1) CFG樁采用振動(dòng)沉管施工工藝成樁，按照灰土擠密樁設(shè)計(jì)原則進(jìn)行布樁，通過對(duì)樁間土的擠密效應(yīng)可以達(dá)到消除黃土濕陷性的目的。

(2) 相比柔性樁復(fù)合地基，同樣樁長(zhǎng)的CFG樁可取得較高的地基承載力，并減少工后沉降變形。

(3) 由于需要通過擠土效應(yīng)消除黃土濕陷性，CFG樁布樁間距較小，應(yīng)采用隔樁跳打的工藝進(jìn)行施工，盡量減小對(duì)相鄰樁的影響。

(4) 在振動(dòng)沉管施工過程中，CFG樁會(huì)有部分樁出現(xiàn)縮頸、側(cè)擠造成的斷樁現(xiàn)象，應(yīng)采用低應(yīng)變方法進(jìn)行抽查，只要斷樁控制在一定比例范圍內(nèi)，對(duì)于滿堂布樁的復(fù)合地基一般不會(huì)發(fā)生其他不利影響。

(5) CFG樁復(fù)合地基應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，以確定消除黃土濕陷性的合理樁間距，減少斷樁比例。

[1] JGJ79－2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S]．

[2] 龔曉南． 地基處理手冊(cè)(第三版)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

[3] 劉宇，高峰．CFG樁處理飽和黃土地基試驗(yàn)研究[J]． 甘肅科技，2008，24(2)．

[4] 董忠級(jí)，王建智．CFG樁在濕陷性黃土地基中的應(yīng)用[J]．工程勘察，1998，(4)．

[5] 黃薛，何瑞，魏海紅．CFG樁復(fù)合地基在濕陷性黃土地層中的應(yīng)用[J]．西部探礦工程，2011，(3)．

Design Method of Treatment of Collapsible Loess with CFG Pile

QI Yun-zhong, ZHENG Jia-yu
(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.Ltd., Jinan 250001, China)

In the paper, the vibrating sinking-pipe CFG pile is introduced to eliminate the collapsibility of loess, and to improve the bearing capacity of foundation soil. To eliminate the collapsibility of loess, CFG pile is carried out in accordance with the principle of lime-soil coMPaction pile design method to coMPact the soil between piles. Due to the pile spacing is small, CFG pile is constructed by the principle jumping every other pile to reduce the influence on adjacent pile. According to the test results after construction, the collapsibility of loess is completely eliminated, and the bearing capacity meets the design requirements.

CFG pile; collapsible loess; bearing capacity of foundation soil.

TU4

B

1671-9913(2015)05-0006-05

2015-05-14

李允忠(1973- )，男，山東德州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程設(shè)計(jì)工作。