陳欽元

(安徽廣播電視大學(xué)，合肥 230022)

一、引言

CFG樁(Cement Fly-ash Gravel Pile)是水泥粉煤灰碎石樁的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是由水泥、粉煤灰及碎石加水拌和形成的高黏結(jié)強(qiáng)度樁，其和樁間土、褥墊層一起形成的復(fù)合地基。近年來(lái)，相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者關(guān)于CFG樁應(yīng)用于砂土、粉土等軟土復(fù)合地基方面的研究取得了一定的成果。閻明禮對(duì)CFG樁復(fù)合地基的作用機(jī)理、設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了全面研究，對(duì)CFG樁復(fù)合地基在豎直荷載和水平荷載條件作用下承載力性能做了全面闡述[1]；董必昌等研究了CFG樁在工程實(shí)踐中的變形特性[2]；李廣信等對(duì)CFG樁加固后基坑的變形進(jìn)行了詳細(xì)分析[3-5]。研究發(fā)現(xiàn)，CFG樁復(fù)合地基中的樁—土受力狀況與其他地基中的樁—土受力狀況大不相同。CFG樁體本身具有很強(qiáng)的黏聚力來(lái)傳遞荷載至持力層[6]；樁體本身具有剛性樁的性能，全部樁長(zhǎng)都發(fā)揮樁的側(cè)摩阻力，樁端在持力層中有較高的端阻力。其具有承載力提高幅度大，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣、剛性樁形狀明顯、變形小等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[7]；并且其工藝簡(jiǎn)單、取材方便、經(jīng)濟(jì)適用，成了處理軟土地基的優(yōu)選方法。

馬祥東把CFG樁復(fù)合地基應(yīng)用在石灰?guī)r溶地區(qū)建筑工程軟土地基的處理上，分析該工程沉降觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，工程變形量在正?？煽胤秶鷥?nèi)，變形速率穩(wěn)定，沉降沒(méi)有出現(xiàn)異常的變化現(xiàn)象，符合一般工業(yè)與民用建筑工程變形量的規(guī)定要求[8]。CFG樁成熟的研究成果應(yīng)用到工程實(shí)踐上，較好地解決了不良地質(zhì)條件下滿(mǎn)足地基承載力要求的難題；在消除地基液化現(xiàn)象方面通過(guò)工程實(shí)踐證明其效果明顯，為天然地基不能滿(mǎn)足建設(shè)工程地基承載力的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

黃河三角洲是黃河在今山東濱州市、東營(yíng)市以下以及向下沖積而成的三角洲平原。該平原地下水位高，土壤鹽漬化嚴(yán)重，其地層的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件成因復(fù)雜，具有級(jí)配差、壓縮性大、承載力小的特點(diǎn)。本地區(qū)地基處理問(wèn)題極為突出，在潟湖相、溺谷相淤積一帶尤其嚴(yán)重。該地區(qū)的東營(yíng)世紀(jì)城項(xiàng)目軟土地基采用了CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行了加固。

二、工程案例

東營(yíng)世紀(jì)城項(xiàng)目位于東營(yíng)市順安路以東，一期工程地上擬建17棟住宅樓，建筑面積424 566 m2。本文所要研究的1號(hào)住宅樓工程的復(fù)合地基應(yīng)用，位于場(chǎng)地西南角，建筑面積20 986 m2，建筑高度51 m，地上十四層，地下二層，平面尺寸102.0×14.0 m，剪力墻結(jié)構(gòu)。地基加固形式采用CFG樁復(fù)合地基，樁徑400 mm，樁長(zhǎng)15 m，共586根?；A(chǔ)底面標(biāo)高在6.20 m，降水方案采用16米深井降水，基坑放坡1∶0.75，邊坡錨桿噴漿混凝土支護(hù)。

(一)工程地質(zhì)條件

本工程建設(shè)場(chǎng)地位于東營(yíng)市開(kāi)發(fā)區(qū)，在地貌單元上屬黃河下游沖積平原，微地貌形態(tài)為低平場(chǎng)地形狀，場(chǎng)地內(nèi)地形平坦、起伏不大。該場(chǎng)區(qū)范圍所處大地構(gòu)造位于華北平原拗陷區(qū)之濟(jì)陽(yáng)拗陷以東地區(qū)，在地下隆起區(qū)及拗陷區(qū)曾經(jīng)有小地震情形發(fā)生。建設(shè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)沒(méi)有巖石特性，大地表層主要是被第四紀(jì)河流沖積帶來(lái)的沉降物所全部覆蓋。本地區(qū)的地下各層土質(zhì)以黏性土層、淤泥層夾雜粉土層為主，粉細(xì)砂分布不均勻，粉土層中局部分布有軟土地層。場(chǎng)地地下水主要為第四系孔隙潛水，勘探的本地區(qū)地面下水位埋深在4.5～4.9 m。此水位僅為勘察期間的實(shí)測(cè)水位，不是歷史最高水位，季節(jié)性水位變化幅度1.0～2.0 m[9]。

東營(yíng)世紀(jì)城1號(hào)樓建設(shè)場(chǎng)地在黃河沖洪積地層上，場(chǎng)地上層是填土，下面土層由沖洪積而形成。工程勘察委托書(shū)要求深(60.0 m)范圍勘察，地層構(gòu)成自上而下依次為：表層素填土(Q4 ml)、全新世(Q4al)粉土層、細(xì)微砂及粉黏土，晚更新世(Q3al)細(xì)砂、粉土及中粗砂層；按照土層特性其組成成分和土體力學(xué)性質(zhì)劃分，在受委托勘察的60 m范圍內(nèi)共分為10大土層。根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)及綜合場(chǎng)地巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)，各巖土層力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

(二)地基承載力計(jì)算

取1號(hào)住宅樓的地基進(jìn)行計(jì)算。

1.根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)5.2.4條進(jìn)行計(jì)算

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)，

(1)

式中：fa——修正后的地基承載力特征值(kPa)；

fak——地基承載力特征值(kPa)；

ηb、ηd——基礎(chǔ)寬度和埋置深度的地基承載力修正系數(shù)；

γ——基礎(chǔ)底面以下土的重度(kN/m3)；

b——基礎(chǔ)底面寬度(m)；

γm——基礎(chǔ)底面以下土的加權(quán)平均重度(kN/m3)；

d——基礎(chǔ)埋置深度(m)。

每層荷載按17 kN估算，基底的平均壓力值為272 kN；基礎(chǔ)底面標(biāo)高6.2 m，即基礎(chǔ)埋深6.5 m，以第3層粉質(zhì)黏土作為天然地基持力層，筏形基礎(chǔ)，其承載力特征值按fak=130 kPa采用，由《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011) 中表5.2.4得ηb=0.3、ηd=1.6；γ=19.6 kN/m3；γm=17.0 kN/m3；b>6 m，取6 m；場(chǎng)區(qū)為整體地下車(chē)庫(kù)，折算土層厚度為2.5 m，d取2.5 m；由公式(1)計(jì)算得經(jīng)深度、寬度修正后的天然地基持力層承載力特征值fa為：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)=

130+0.3×19.6×(6-3)+1.6×17.0×(2.5-0.5)≈

183 kPa

2.根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)5.2.5條進(jìn)行計(jì)算

fa=Mbγb+Mdγmd+McCk，

(2)

式中：fa——修正后的地基承載力特征值(kPa)；

Mb、Md、Mc——承載力系數(shù)；

ηb、ηd——基礎(chǔ)寬度和埋置深度的地基承載力修正系數(shù)；

γ——基礎(chǔ)底面以下土的重度(kN/m3)；

b——基礎(chǔ)底面寬度(m)；

γm——基礎(chǔ)底面以下土的加權(quán)平均重度(kN/m3)；

d——基礎(chǔ)埋置深度(m)；

Ck——基底下一倍短邊寬度的深度范圍內(nèi)土的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。

根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，取:φuu=10.5°，γ=19.6，γm=17.0，C=32 ，Mb=0.19，Md=1.80，Mc=4.23。由公式(2)確定地基承載力特征值fa為：

fa=Mbγb+Mdγmd+McCk=0.19×19.6×6+1.80×17.0×2.5+4.23×32≈222 kPa

由計(jì)算看出，1號(hào)樓基礎(chǔ)底部平均壓力值均大于經(jīng)深度、寬度修正和根據(jù)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定的地基承載力特征值，采用天然地基，筏板基礎(chǔ)不能滿(mǎn)足上部荷載要求，故需要進(jìn)行復(fù)合地基處理或采用樁基。

(三)地基處理方案選擇的分析

1.地基處理方案的比選

該過(guò)程可選擇的地基處理方案有：預(yù)應(yīng)力管樁、混凝土灌注樁、CFG樁復(fù)合地基。

(1)預(yù)應(yīng)力管樁。樁身強(qiáng)度很高，可以直接打入地層，同時(shí)樁間土可以承擔(dān)少部分荷載，單體承載力高，且施工工期短，質(zhì)量易于控制。但是施工造價(jià)與其他施工方案相比要高；同時(shí)施工時(shí)噪音大，會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境造成不利的影響，不適合在城區(qū)施工；如果遇到不均勻的地層，需要復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)接樁、截樁施工。

(2)混凝土灌注樁。在相同的條件下(地層、處理深度、置換率)，較預(yù)應(yīng)力管樁施工造價(jià)稍高，但是施工質(zhì)量控制難度大，容易產(chǎn)生頸縮或者直接斷裂的現(xiàn)象。

(3)CFG樁復(fù)合地基。樁體本身的擠密加固與置換作用使得CFG樁復(fù)合地基具有較高強(qiáng)度特性，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)復(fù)合地基模量大、建筑物沉降量小。采用的排土成樁工藝有施工快、無(wú)振動(dòng)、低噪音的特點(diǎn)，且質(zhì)量易控制。施工時(shí)可以摻入工業(yè)廢料粉煤灰、不配筋，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，造價(jià)低。

根據(jù)上述地基處理方案中樁的數(shù)量，同時(shí)參照消耗量定額，計(jì)算三種施工方案的施工總價(jià)并進(jìn)行比對(duì)。三種處理方案的施工總價(jià)見(jiàn)表2。

表2 三樁型施工總價(jià)對(duì)比表

綜上所述，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，施工難易程度，承載力和沉降因素，選擇CFG樁復(fù)合地基處理方案。

2.CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)15 m，樁端持力層在第5層粉質(zhì)黏土層，中壓縮性土層，地基承載力特征值為180 kPa。根據(jù)常用的施工機(jī)械可施工的樁徑情況，選擇樁徑為400 mm，樁體混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20，褥墊材料為中砂，厚度取200 mm。

水泥粉煤灰碎石樁承載力通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)荷載實(shí)驗(yàn)確定，單樁承載力特征值Ra=511 kN。選擇正方形布樁，取樁間距為1.5 m，需布置586根樁。

(1)復(fù)合地基承載力計(jì)算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)7.1.5條進(jìn)行復(fù)合地基承載力計(jì)算：

fspk=λmRa/AP+β(1-m)fsk

(3)

式中：fspa——復(fù)合地基承載力特征值(kPa)；

λ——單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；

m——面積置換率；

Ra——單樁豎向承載力特征值(kN)；

AP——樁的截面積(m2)；

β——樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；

fsk——處理后樁間土承載力特征值(kPa)。

按正方形布樁，樁間距取1.5 m，面積置換率m=0.056為樁間土強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)，取β=0.9代入公式(3)計(jì)算為：

fspk=λmRa/AP+β(1-m)fsk=0.056×511÷0.1256+0.8×(1-0.056)×110=310.9 kPa

經(jīng)修正后復(fù)合地基承載力特征值fa= 329.1 kPa，滿(mǎn)足要求。

(2)CFG樁復(fù)合地基沉降計(jì)算

CFG樁復(fù)合地基的沉降量計(jì)算按照經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算，為加固區(qū)變形量s1、下臥層變形量s2之和，按分層總和法計(jì)算沉降。確定沉降計(jì)算深度15.3 m，深度范圍內(nèi)的計(jì)算沉降量為44.39 mm，相對(duì)應(yīng)的Vz=3.7 m土層沉降量為1.45 mm，滿(mǎn)足△Sn≤0.025∑VzSi，故計(jì)算的沉降深度滿(mǎn)足規(guī)范。

根據(jù)沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs=0.4，可得總沉降量為：

S=ψs∑Si=17.76 mm

(四)CFG樁復(fù)合地基的施工與檢測(cè)

1.施工

本著合理有序、方便施工的原則，設(shè)計(jì)網(wǎng)格式正方形布樁方式，采用由正中間南北方向開(kāi)始，由中間向兩邊依次平行推進(jìn)，以避免樁間土被擾動(dòng)，必要時(shí)采用間隔跳打的施工方法。

(1)樁孔放線(xiàn)確定位置：按照施工順序，施工樁機(jī)器就位后，先把樁機(jī)器調(diào)整好水平度。如果施工的場(chǎng)地有坑洼時(shí)，就先把樁機(jī)架體的支腿、基礎(chǔ)座調(diào)整好，施工時(shí)保證是水平的機(jī)座，鉆桿要垂直旋轉(zhuǎn)。樁中心位置偏中小于等于20 mm，鉆桿垂直偏差1.5%以?xún)?nèi)。

(2)啟動(dòng)鉆孔程序：樁機(jī)開(kāi)啟后，看樁機(jī)的水平指示要在水平位置，操作提升機(jī)平穩(wěn)放下鉆桿及鉆頭至地面樁孔位置，檢查鉆桿垂直及鉆桿尖心對(duì)準(zhǔn)樁位點(diǎn)，操作開(kāi)始鉆孔，平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)下沉鉆桿至樁底標(biāo)高位置。

(3)灌料樁體材料及提升：鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)施工至設(shè)計(jì)的持力層后，觀(guān)察土質(zhì)情況，若持力層有起伏，及時(shí)調(diào)整，確保樁端在設(shè)計(jì)的持力層中以后，啟動(dòng)灌注材料混凝土泵送設(shè)備?；炷敛脊軠p少?gòu)澋?，泵?chē)與鉆機(jī)在50米內(nèi)，應(yīng)先泵入混凝土并停頓10～15秒，把鉆桿芯管充滿(mǎn)后，操控卷?yè)P(yáng)機(jī)平穩(wěn)緩慢升高鉆桿，提鉆桿的速度應(yīng)根據(jù)土層情況確定，泵送量要保證管內(nèi)有一定高度的混凝土。

(4)灌料完成、移機(jī)：壓力灌注樁充盈系數(shù)1.0～1.2為宜，施工后樁頂?shù)幕炷烈叱鲈O(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高0.5 m左右，成樁后，先人工清除鉆桿及泵管內(nèi)的混凝土，再用清水把鉆桿、泵管清洗干凈。做好灌注材料的計(jì)劃控制、節(jié)約使用和現(xiàn)場(chǎng)的安全文明施工管理工作。

(5)清除樁間土、鑿樁頭：為保護(hù)好成樁質(zhì)量，樁間土清理用小型設(shè)備配合人工清理進(jìn)行，樁頭用人工鑿平，清理樁頭表面浮動(dòng)的碎渣、泥土。

2.檢測(cè)

在CFG樁施工完成28天后，按照施工規(guī)范的規(guī)定，對(duì)樁身強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。 樁身強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)量一個(gè)單位工程不少于3根，并不少于設(shè)計(jì)總樁數(shù)量的0.5%～1%?，F(xiàn)場(chǎng)選取40號(hào)、197號(hào)、310號(hào)三根試驗(yàn)樁，實(shí)驗(yàn)復(fù)合地基承載力特征值分別為600 kPa、597 kPa、622 kPa，能滿(mǎn)足最大極限差距規(guī)定的平均值30%的條件和單樁設(shè)計(jì)590 kPa要求，且檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示樁身完整無(wú)缺陷，從p～s曲線(xiàn)圖(圖1、圖2、圖3)的分析看出，在各級(jí)加載下復(fù)合地基沉降均能穩(wěn)定，曲線(xiàn)未出現(xiàn)陡降段，呈緩變拋物線(xiàn)型。試驗(yàn)結(jié)果表明，本工程的樁身完整性好，CFG復(fù)合地基承載力特征值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

按照規(guī)范要求，應(yīng)抽取不少于總樁數(shù)10%的樁進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)力試驗(yàn)，檢測(cè)樁身完整性。本工程共檢測(cè)60根工程樁，均無(wú)明顯缺陷，樁身完整。

圖1 40號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線(xiàn)

圖2 197號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線(xiàn)

根據(jù)規(guī)范及工程需要，共設(shè)置6個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。沉降監(jiān)測(cè)從各監(jiān)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定之后開(kāi)始監(jiān)測(cè)，首次監(jiān)測(cè)采用三次監(jiān)測(cè)取平均值法作為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始值。監(jiān)測(cè)開(kāi)始以后，樓房每上升2層監(jiān)測(cè)一次。全程共分14個(gè)觀(guān)測(cè)周期。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行變形分析，建筑物沉降隨時(shí)間增加而增大，但累計(jì)最大沉降量為21.80 mm(1/4)，累計(jì)平均沉降量為14.86 mm(1/2)，與前文分層總和法所計(jì)算得到了17.76 mm的沉降值相吻合，與設(shè)計(jì)值(30 mm)相比變形較小，在控制范圍內(nèi)。

圖3 310號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線(xiàn)

三、結(jié)語(yǔ)

東營(yíng)世紀(jì)城1號(hào)樓工程所處大地構(gòu)造內(nèi)主要存在較厚的沖洪積形成的粉質(zhì)黏土，力學(xué)性質(zhì)較差，壓縮性大，地下水位埋深淺，且有季節(jié)性變化大的特點(diǎn)，是黃河三角洲地區(qū)土層工程地質(zhì)的典型代表。本文通過(guò)對(duì)該工程地基加固的分析與設(shè)計(jì)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1.通過(guò)方案對(duì)比，選擇CFG樁復(fù)合地基加固該工程的地基，不僅復(fù)合地基的承載力大，地基沉降小，而且性?xún)r(jià)比高。

2.該工程CFG樁復(fù)合地基的施工難度小，無(wú)振動(dòng)，噪音小、工期短，獲得了較好的社會(huì)效益。

3.地基沉降觀(guān)測(cè)結(jié)果在控制范圍內(nèi)，而且大大降低了建筑物的沉降值。

4.該工程建設(shè)的實(shí)踐證明，CFG樁復(fù)合地基解決黃河三角洲地區(qū)地基處理問(wèn)題合理可行。