CFG樁復(fù)合地基的基本原理及工程應(yīng)用

李 培

（山西省地質(zhì)勘查局二一七地質(zhì)隊(duì)水工環(huán)技術(shù)中心，山西 大同 037008）

近年來(lái)，隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合地基技術(shù)在工程中得到了越來(lái)越多的廣泛應(yīng)用。特別是CFG樁復(fù)合地基是近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種新型的地基加固技術(shù)，因其費(fèi)用低、施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的推廣和應(yīng)用。其樁體材料采用碎石、砂（石屑）、粉煤灰、水泥等材料加水配合而成，目前常采用螺旋鉆機(jī)或振動(dòng)沉管樁機(jī)等設(shè)備進(jìn)行成孔。樁體與樁間土及褥墊層三部分構(gòu)成的承載力較高的 CFG樁復(fù)合地基。

CFG樁適應(yīng)于多層建筑、高層建筑的地基處理，處理的地基土包括：雜填土、素填土、新近沉積土、淤泥、淤泥質(zhì)土及一般承載力較低的黏性土、粉土、砂土、黃土等。對(duì)高層建筑除了上述土層外，還包括一些承載力較高，但不能滿(mǎn)足上部結(jié)構(gòu)要求的黏性土、粉土、砂土或者用于控制高層建筑與裙房之間的差異沉降（高層與裙房基礎(chǔ)不設(shè)沉降縫），在高層建筑地基中也常采用CFG樁復(fù)合地基。

1 CFG樁復(fù)合地基原理

在CFG樁復(fù)合地基中，上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載是由CFG樁體、樁間土和褥墊層共同承擔(dān)的。褥墊層將上部基礎(chǔ)傳來(lái)的基底壓力或水平力通過(guò)適當(dāng)?shù)淖冃我砸欢ǖ谋壤峙浣o樁及樁間土使二者共同受力，同時(shí)樁間土由于樁的擠密作用提高了承載力，而樁又由于周?chē)馏w的側(cè)應(yīng)力的增加而改善了受力性能。下面就CFG樁復(fù)合地基中的樁體、樁間土和褥墊層的作用機(jī)理進(jìn)行分析討論。

1.1 樁的加固作用

1.1.1 對(duì)地基土具有一定的擠密作用

對(duì)于填土、松散粉細(xì)砂、粉土，由于振動(dòng)沉管CFG樁的振動(dòng)和側(cè)向擠壓作用使樁間土孔隙比減小，含水量降低，土的干密度和內(nèi)摩擦角有所增加，土的物理力學(xué)性能得到改善，從而提高樁間土的承載力。

1.1.2 樁體的排水作用

CFG樁復(fù)合地基在成樁初期，因樁孔內(nèi)和周邊充填過(guò)濾性較好的粗顆粒填料，在地基中形成了滲透性能良好的人工豎向排水、減壓的通道，使孔隙水沿樁體向上排出，可以有效地消散和防止振沖產(chǎn)生的超孔隙水壓力的增高，加速地基的排水，這種排水作用不但不會(huì)降低樁體強(qiáng)度，而且可以使土體強(qiáng)度恢復(fù)并超出原土體天然承載力。

1.1.3 預(yù)震效應(yīng)

CFG樁復(fù)合地基成樁過(guò)程中，振沖器以一定的振動(dòng)頻率或沖擊水平向加速激振土體，使填料和地基土在提高相對(duì)密實(shí)度的同時(shí)獲得強(qiáng)烈的預(yù)震。提高了砂土抗液化能力。

1.1.4 樁的置換作用

CFG樁中的水泥經(jīng)水解和水化反應(yīng)以及與粉煤灰的凝硬反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶化合物，它能使樁體的抗剪強(qiáng)度和變形模量大大提高，所以在荷載作用下，CFG樁的壓縮性明顯比樁間土小，因此，基礎(chǔ)傳給復(fù)合地基的附加應(yīng)力，隨地層的變形逐漸集中到樁體上，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。大部分荷載將由樁周和樁端承受，樁間土應(yīng)力相應(yīng)減小，于是復(fù)合地基的承載力比原有地基承載力有所提高。

1.2 褥墊層的作用

1.2.1 減小和減緩基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中

當(dāng)樁頂與基礎(chǔ)間不設(shè)褥墊層，樁頂直接與基礎(chǔ)接觸的 CFG樁對(duì)基礎(chǔ)的應(yīng)力集中和鋼筋混凝土對(duì)承臺(tái)或樁上基礎(chǔ)應(yīng)力集中現(xiàn)象類(lèi)似，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮樁對(duì)基礎(chǔ)的沖切破壞，造成基礎(chǔ)尺寸的增加，如果設(shè)置一定厚度的褥墊層，由于褥墊層產(chǎn)生應(yīng)力擴(kuò)散作用，使基底的應(yīng)力擴(kuò)散范圍增大，相應(yīng)應(yīng)力集中減小。有試驗(yàn)研究表明：當(dāng)厚度等于零時(shí)，樁對(duì)基礎(chǔ)的沖切相當(dāng)明顯，隨著褥墊層厚度的增加 CFG樁對(duì)基礎(chǔ)的沖切逐漸減小，當(dāng)厚度大于300 nm時(shí)應(yīng)力集中已經(jīng)很小，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮樁對(duì)基礎(chǔ)的集中應(yīng)力。

1.2.2 保證CFG樁共同承擔(dān)荷載

在CFG樁復(fù)合地基中，由于基礎(chǔ)是通過(guò)褥墊層與樁和樁間土進(jìn)行聯(lián)系。故當(dāng)基礎(chǔ)承受荷載時(shí)先傳給褥墊層，通過(guò)褥墊層傳給樁和樁間土，由于褥墊層的存在，樁可以向上刺入。樁頂上的墊層材料在受壓的同時(shí)會(huì)擠向周?chē)鷺堕g土，以保證在任一荷載下樁和樁間土始終參與工作，樁間土首先承受較多荷載并發(fā)生沉降變形。隨著樁間土沉降的增大，樁間土?xí)粩嗟貙⒑奢d通過(guò)樁側(cè)摩阻力傳遞給樁。因此，褥墊層能保證樁間土在任意荷載作用下都始終參與工作，并最大限度地發(fā)揮其承載力。

當(dāng)樁頂與基礎(chǔ)間不設(shè)褥墊層，樁頂直接與基礎(chǔ)相接觸時(shí)，樁與樁間土的變形相同，由于樁的變形模量遠(yuǎn)大于土的變形模量，受荷載后，絕大部分荷載由樁承擔(dān)，樁間土承擔(dān)的荷載很少，隨著荷載的增加，樁的沉降增加，此時(shí)，樁間土也承擔(dān)了一定的荷載增量。

基礎(chǔ)和樁之間設(shè)置一定厚度的褥墊層，在上部荷載作用下，樁間土的抗壓強(qiáng)度小于樁的抗壓強(qiáng)度，樁頂出現(xiàn)應(yīng)力集中，由于褥墊層在受壓時(shí)具有塑性，褥墊層中與樁接觸的部分產(chǎn)生壓縮量，其他部分也向下移動(dòng)，壓縮樁間土，使其發(fā)揮作用。褥墊層的作用就在于使基礎(chǔ)傳遞的荷載通過(guò)其塑性調(diào)節(jié)作用將荷載傳到樁間土，達(dá)到共同承擔(dān)荷載的目的。

1.3 樁間土的作用

（1）承擔(dān)豎向、水平荷載。

（2）對(duì)樁具有約束的作用，可以提高樁的承載力。CFG樁復(fù)合地基由于樁間土承受荷載，產(chǎn)生的正向壓力，增大了樁周的摩阻力；從而樁端處圍壓增加，樁承受荷載的能力增加。

2 CFG樁基在工程中的應(yīng)用

CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)主要依據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值要求，確定樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距、樁體材料強(qiáng)度等有關(guān)參數(shù)極為重要，試用實(shí)體工程作以下闡述：

2.1 工程地質(zhì)條件

某小區(qū)住宅樓18層，基礎(chǔ)埋深5.0 m，在勘察深度范圍內(nèi)，地層由上到下可分為：①雜填土：褐黃、褐灰色，以粉土、建筑垃圾為主，層厚0.5～1.5 m，承載力為90 kPa；②粗砂：褐黃色，中密，層厚5.0～6.0 m，承載力為220 kPa；③粉土：褐黃色，稍密，層厚1.5～2.5 m，承載力為160 kPa；④中砂：褐黃色，中密，層厚1.0～2.0 m，承載力為180 kPa；⑤粉質(zhì)黏土：褐黃色，可塑，層厚8.0～10.0 m。

2.2 地基處理方案

天然地基：基底持力層為②粗砂，滿(mǎn)足上部荷載要求，但軟弱下臥層③粉土不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。樁基采用鉆孔灌注樁、預(yù)制樁或其他樁型，不考慮天然地基承載力，造成天然地基承載力的浪費(fèi)，這樣造價(jià)也很高，最終決定采用CFG樁進(jìn)行地基處理。

2.3 CFG樁的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.3.1 單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

式中：u：樁的周長(zhǎng)，m；

n：樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

qsik、qpk：樁周第i層土的側(cè)阻力、樁端端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

li：第i層土的厚度，m；

Ap：樁的截面面積。

2.3.2 處理后CFG樁復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求

fspk＝mRa/Ap＋αβ（1－m）fsk＝502 kPa＞320 kPa

式中：fspk：復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

Ra：?jiǎn)螛稑O限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

α：樁間土強(qiáng)度提高系數(shù)，通常α＝1；

β：樁間土強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)，取0.8；

m：面積置換率；

fsk：處理后樁間土承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

2.3.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

（1）樁徑：一般取350～600 mm。本工程選用400 mm單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，根據(jù)地質(zhì)情況，選取第⑤層的粉質(zhì)黏土層作為持力層，按照公式計(jì)算單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為492 kPa。

（2）樁長(zhǎng)：由于持力層為⑤粉質(zhì)黏土，樁端井入持力層不宜小于二倍的樁徑。樁長(zhǎng)實(shí)際是6～8 m。

（3）面積置換率m及樁間距s：由m＝d2/de2＝0.087式中，d：樁徑；

樁間距一般為3～6倍樁徑，根據(jù)樁土面積置換率計(jì)算樁間距公式如下：

本工程三角形布樁，樁間距為1.2 m。

（4）樁體強(qiáng)度：

樁頂應(yīng)力 δp＝Ra/Ap＝492/3.14×0.22＝3917 kN/m2

樁體強(qiáng)度按≥3倍樁頂應(yīng)力確定，即

（5）褥墊層：褥墊層虛鋪0.23 m，夯實(shí)至0.20 m。

2.4 CFG樁的施工

本工程采用長(zhǎng)螺旋樁機(jī)成樁工藝，待樁檢測(cè)合格后，進(jìn)行人工清槽，同時(shí)進(jìn)行樁頭剔鑿處理。清槽時(shí)，嚴(yán)格監(jiān)控樁頂標(biāo)高。清土和截樁時(shí)，不得造成樁頂以下樁身斷裂和擾動(dòng)樁間土。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)CFG樁復(fù)合地基基本原理的闡述和論證，得出結(jié)論：CFG樁在地基加固方面是一種行之有效的方法。

（2）通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行分析，在CFG樁復(fù)合地基工程設(shè)計(jì)中，必須根據(jù)工程的地質(zhì)條件和環(huán)境因素來(lái)合理選取參數(shù)。

（3）CFG樁和樁基相比，可明顯節(jié)約工程造價(jià)，因此是值得推廣的好方法，為在軟弱地基土建設(shè)不同類(lèi)型的多層工業(yè)與民用建筑及水工建筑開(kāi)創(chuàng)了廣闊前景。

1 楊軍等.CFG樁復(fù)合地基在高層建筑地基處理中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998

2 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94－2008）