CFG樁在城市道路軟基處理中的設計及應用

鄭 平，王洪強

（華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

0 前言

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成的高粘結強度樁。CFG樁與素混凝土樁的區(qū)別僅僅在于樁體材料的構成不同，而在受力和變形特性方面沒有什么區(qū)別。它在樁體材料配比上比素混凝土樁更追求經(jīng)濟效益，在有條件的地方應盡量利用工業(yè)廢料作為摻和料。

本文結合福建省莆田市某城市道路K0+580工點軟基處理，就CFG樁的設計過程作以簡要說明。

1 CFG樁復合地基工作原理及適用性

CFG樁復合地基由樁、樁間土及褥墊層三部分構成。樁與基礎通過褥墊層(如砂、碎石等)和基礎相聯(lián)系。褥墊層技術是CFG樁復合地基的一個核心技術，褥墊層將上部基礎傳來的基底壓力通過適當?shù)淖冃我砸欢ǖ谋壤峙浣o樁及樁間土，使二者共同受力。同時土體受到樁的擠密而提高承載力，而樁又由于周圍土的側應力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一個復合地基的受力整體，共同承擔上部基礎傳來的荷載。

CFG樁由于自身的特點及加固機理，主要適用于處理粘性土、粉土、砂土和已自重固結的素填土等地基。對淤泥質土應按地區(qū)經(jīng)驗或通過現(xiàn)場試驗確定其適用性。同時，CFG樁復合地基屬于剛性樁復合地基，具有承載力提高幅度大、地基變形小等優(yōu)點，可適用于多種基礎形式，如條形基礎、獨立基礎、箱形基礎和筏板基礎等。

2 工程概況

莆田某大道為城市主干道，路幅寬度70m，雙向八車道外加輔道的斷面形式，設計速度80 km/h。由于沿線分布有深厚的淤泥及淤泥質土，軟基處理量較大。根據(jù)當?shù)剀浕幚斫?jīng)驗、施工工藝水平及本項目的進度安排，采用振動沉管CFG樁處理方案。

該工點樁號K0+580。區(qū)域的地貌類型屬海積平原，地勢高差較小，河道呈U型穿過此段落，該工點河道深約3m。場地內(nèi)自上而下土層為：（1）淤泥，厚度約 7.6 m；（2）淤泥夾砂，厚約 0.7 m；（3）殘積砂質粘性土，厚約8 m。其中淤泥及淤泥夾砂具高壓縮性、易觸變、低強度等特點，屬高壓縮性土，工程性能極差。殘積砂質粘性土屬中壓縮性土，工程性能中等，可作為路基持力層。

3 設計步驟

3.1 設計參數(shù)的選取

CFG樁復合地基設計主要確定5個設計參數(shù)，分別為樁長、樁徑、樁間距、樁體強度、褥墊層厚度及材料。針對某一具體工程，樁長、樁徑及褥墊層厚度是明確的。設計時，可事先假定設計參數(shù)值，若承載力及沉降滿足要求，表明假設成立，否則，需調(diào)整樁間距、樁體強度或樁長。

（1）樁長l。CFG樁復合地基要求樁端落在好的持力土層上，這是CFG樁復合地基設計的一個重要原則。因此，樁長是CFG樁復合地基設計時首先要確定的參數(shù)。設計時根據(jù)勘察報告，分析各土層，確定樁端持力土層和樁長。本次設計要求樁端進入殘積砂質粘性土不少于0.5m。本工點包含河道回填厚度、淤泥層及淤泥夾砂層深度共11.3m，故樁長取12m。

（2）樁徑d。CFG樁的樁徑取決于所采用的成樁設備，一般為350～600 mm。根據(jù)莆田地區(qū)成樁工藝，本次樁徑取400mm。

（3）樁間距 s。一般樁間距 s=3 d～5 d，也有振動沉管成樁采用6 d間距。間距大小取決于設計要求的復合地基承載力和變形、土性與施工機具。一般設計要求的承載力大時s取小值，但必須考慮施工時相鄰樁之間的影響，就施工而言希望采用大樁距大樁長，因此的大小應綜合考慮。本次設計樁間距取4 d，正三角形布置。

（4）樁體強度。原則上，樁體配比按樁體強度控制，樁體試塊抗壓強度應滿足下式要求：

式中：fcu——樁體混合料試塊（邊長150mm立方體）標準養(yǎng)護28 d立方體抗壓強度平均值，kPa；

Ra——單樁豎向承載力特征值，kN；

Ap——樁的截面積，m2。

本次樁體強度按C15混凝土強度等級設計。

（5）褥墊層厚度。褥墊層厚度一般取15～30 cm，材料科用粗砂、中砂、碎石、級配砂石（最大粒徑不大于30mm）。本次設計結合工程經(jīng)驗、土性及樁間距，褥墊層厚度取60 cm。

3.2 復合地基承載力計算

3.2.1 單樁承載力特征值計算

當采用單樁載荷試驗時，應將單樁極限承載力除以安全系數(shù)2；當無單樁載荷試驗時，可按下式估算：

式中：μp——為樁的周長（m）；

n——樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

qp、Ap——樁周第層土的側阻力、樁端端阻力特征值（kPa）；

li——第層土的厚度（m）。

根據(jù)地質勘察報告，各土層參數(shù)見表1。

表1 各土層設計計算指標及有關參數(shù)

結合表1及設計參數(shù)，經(jīng)計算Ra=249（kPa）。

3.2.2 復合地基承載力特征值計算

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》，CFG樁復合地基承載力特征值應通過現(xiàn)場地基載荷試驗確定，初步設計時也可按下式估算：

式中：fspk——復合地基承載力特征值（kPa）；

fsk——處理后樁間土承載力特征值（kPa），宜按當?shù)亟?jīng)驗取值，如無經(jīng)驗時，可取天然地基承載力特征值；

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——樁間土承載力折減系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗取，如無經(jīng)驗時可取0.75～0.95，天然地基承載力較高時取大值。

結合單樁承載力特征值，本工點范圍天然地基承載力平均約60 kPa，置換率為0.057，取0.8，可計算得出 fspk=158（kPa）。

樁體強度 fcu=5.95（MPa）

故樁體設計強度等級滿足要求。

3.2.3 承復合地基承載力的確定

復合地基承載力取值標準應考慮上部荷載大小，以確保上部荷載作用下地基穩(wěn)定為原則?？紤]到理論計算時取值參數(shù)的不精確性及土層性質不確定性，為確保工程質量的安全，并考慮施工過程中的諸多不可預見的對施工質量不利的影響因素，對理論計算結果進行折減，折減系數(shù)取0.85，得到樁間距1.6 m的CFG樁復合地基承載力特征值為134.5 kPa。本工點設計填土厚度約3.5m，考慮到本工點為橋頭段及路面荷載和安全儲備因素，因此設計樁間距1.6m的CFG樁復合地基承載力特征值不小于130 kPa為合格。

3.3 沉降計算

由于中分帶寬8 m，考慮到遠期交叉口車道拓寬的需要，可壓縮中分帶作為左轉及掉頭車道，本次設計進行全斷面布樁。

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》，復合地基沉降采用分層總和法進行計算。

地基土總沉降S由瞬時沉降Sd、主固結沉降Sc和次固結沉降Ss三部分組成，

由于瞬時沉降和次固結沉降的影響因素較復雜，實際計算時用沉降修正系數(shù)ms來反映瞬時沉降和次固結沉降的影響，地基土總沉降為主固結沉降Sc與沉降修正系數(shù)ms的乘積，即：

其中：Ei為各計算土層的土體壓縮模量，加固層采用復合土體模量Eci，下臥層采用天然地基壓縮模量Esi。復合土體模量Eci等于天然地基土體壓縮模量Esi與模量提高系數(shù)ξ的乘積，即Eci=ξ×Esi。模量提高系數(shù)ξ為復合地基承載力特征值fspk與天然地基承載力特征值fak之比，即ξ=fspk/fak。ΔPi、ΔHi為各計算土層的平均附加應力和土層厚度。

代入相關參數(shù)，經(jīng)計算，該工點最終填土厚度與復合地基工后沉降量見表2。

表2 CFG樁處理前后地基工后沉降計算值

經(jīng)過CFG樁處理后，地基承載力得到大幅提高，沉降量大幅減小。

4 CFG樁施工

（1）施工工藝及程序

本項目成樁工藝為振動沉管灌注樁施工工藝。CFG樁施工前應具備“三通一平”的條件，試樁完成后，施工順序如下：樁位放樣→樁靴埋設→樁機就位→沉管至設計深度→管內(nèi)關注混合料→留振→樁管振拔至地表面→超灌成樁、樁封頂→樁機移位。

（2）施工時采取的措施

由于本工程土質大多為淤泥及淤泥質土，性能較差，為防止縮頸斷樁及竄孔現(xiàn)象，施工工程中嚴格控制拔管速度，采用靜壓振拔技術，即沉管時不啟動馬達，將沉管沉至預定標高，填滿料后再啟動馬達振動拔管，沉管過程中做好記錄。施工順序為隔樁跳打，并嚴格控制CFG樁的施工質量，注意觀測打樁時地面是否發(fā)生隆起,因為斷樁常常和地面隆起相聯(lián)系。

當CFG樁在鑿除浮漿后或由于1.5m以內(nèi)的淺部斷樁造成樁體頂面標高低于設計樁頭底面標高時，應采用強度高出樁身一級的混合料進行接樁。接樁部分的樁徑應比設計樁徑大20 cm，與既有樁體的咬結長度不小于20 cm。

5 結語

（1）CFG樁復合地基不但可以使地基承載力得到大幅度的提高，而且具有沉降變形小、適用范圍廣、造價低、施工方便等優(yōu)點，其社會和經(jīng)濟效益非常明顯。

（2）結合大量工程實踐，往往工后一段時期承載力和沉降并沒有得到保證。從安全角度出發(fā)，建議計算的復合地基承載力進行折減，折減系數(shù)可取0.8左右。

（3）本工程針對淤泥質土厚度較大的特點采用靜壓振拔技術、適當增大樁間距等的做法是合理的，減少了竄孔及斷樁問題。

（4）對于中分帶較寬的道路，是否全斷面布樁應結合交通組織的需要進行考慮。

[1]閆明禮,張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[2]建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2002.

[3]建筑地基處理技術規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2002.