CFG樁復(fù)合地基在工程中的應(yīng)用

劉 小 紅

(運(yùn)城市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 運(yùn)城 044000)

CFG樁復(fù)合地基在工程中的應(yīng)用

劉 小 紅

(運(yùn)城市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 運(yùn)城 044000)

介紹了CFG樁處理地基的加固機(jī)理和適用范圍，總結(jié)了CFG樁的設(shè)計(jì)步驟及在各種類(lèi)型基礎(chǔ)下布樁的注意事項(xiàng)，同時(shí)對(duì)CFG樁與其他樁組成的多樁型復(fù)合地基進(jìn)行了闡述，為CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

CFG樁，褥墊層，復(fù)合地基，承載力

1 CFG樁處理地基的加固機(jī)理

CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石等混合料加水拌合后再在土中灌注形成豎向增強(qiáng)體的復(fù)合地基，是由樁和樁間土共同承擔(dān)荷載。CFG樁具有擠密作用和置換作用。根據(jù)樁體材料的不同，復(fù)合地基的樁體分為散體材料樁，一般粘結(jié)強(qiáng)度樁和高粘結(jié)強(qiáng)度樁。而CFG樁屬于高粘結(jié)強(qiáng)度樁，它的樁體模量比散體材料樁大，所以它能把豎向荷載傳遞到樁頂下一定深度的樁段內(nèi)。此時(shí)CFG樁可全樁長(zhǎng)發(fā)揮側(cè)阻力，所以樁越長(zhǎng)，復(fù)合地基承載力提高的幅度就越大。同時(shí)當(dāng)樁端落在硬土層時(shí)又可以發(fā)揮樁的端阻作用。從而不僅使復(fù)合地基的承載力得到提高，地基的沉降量也很小。因此設(shè)計(jì)CFG樁復(fù)合地基時(shí)，應(yīng)盡量使樁端落在硬土層上。

1.1 CFG樁處理地基的置換作用和擠密作用

CFG樁由于樁體強(qiáng)度和模量均大于樁間土，在荷載作用下，樁頂應(yīng)力比樁間土表面應(yīng)力大，樁承擔(dān)了大部分荷載，從而減小了樁間土承擔(dān)的荷載，這就是樁的置換作用。另外，對(duì)松散的填土、松散的粉細(xì)砂、粉土，采用振動(dòng)沉管法施工工藝可使樁間土孔隙比減小，密實(shí)度增加，從而提高了樁間土的強(qiáng)度，這就是CFG樁的擠密作用。

1.2 褥墊層的作用

CFG樁與樁基礎(chǔ)中的樁雖然強(qiáng)度等級(jí)相同，但它們?cè)谑芰r(shí)卻明顯不同。主要是由于CFG樁上設(shè)置了褥墊層。褥墊層是CFG樁形成復(fù)合地基的必要條件。樁基礎(chǔ)是一種深基礎(chǔ)，主要是由樁和樁頂承臺(tái)承擔(dān)荷載。而CFG樁是復(fù)合地基，是由樁和樁間土共同承擔(dān)豎向荷載。為了保證樁土共同承擔(dān)荷載，褥墊層就顯得很重要。褥墊層是由砂、碎石等散體材料組成，是起協(xié)調(diào)樁和樁間土之間荷載分擔(dān)比例作用的。設(shè)置褥墊層后，在豎向荷載作用下，由于樁的模量大于樁間土的模量，樁間土的變形就大于樁頂變形，樁向褥墊層刺入。與此同時(shí)，褥墊層不斷調(diào)整使豎向荷載轉(zhuǎn)移到樁間土上?；A(chǔ)通過(guò)褥墊層始終與樁間土保持接觸，一部分荷載就會(huì)轉(zhuǎn)移到樁間土上。當(dāng)褥墊層厚度過(guò)大時(shí)，樁土應(yīng)力比偏小，樁不能承擔(dān)更多的荷載，此時(shí)復(fù)合地基承載力也不高。但若褥墊層厚度過(guò)小時(shí)，樁間土的承載力還沒(méi)有充分發(fā)揮，應(yīng)該是樁間土承擔(dān)的荷載大多由樁承擔(dān)了，使樁過(guò)早地達(dá)到了極限承載力，此時(shí)復(fù)合地基的承載力也不會(huì)高。因此褥墊層的厚度要取得合適，宜為樁徑的0.4倍～0.6倍。

2 CFG樁的適用范圍

CFG樁適用于處理粘性土、粉土、砂土和自重固結(jié)已完成的素填土地基。對(duì)淤泥質(zhì)土應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。CFG樁的施工工藝有幾種。其中振動(dòng)沉管施工工藝屬于擠土成樁工藝，適用于粉土、粘性土和素填土地基。但在飽和粘性土地基施工時(shí)，擠土?xí)斐傻孛媛∑?，擠斷已打樁。因此應(yīng)采用較大樁距布置或施工時(shí)采用隔樁跳打措施。同時(shí)在硬的粘性土、密實(shí)砂土中施工時(shí)，振動(dòng)會(huì)擾動(dòng)樁間土，容易使樁間土土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度喪失，承載力降低。而長(zhǎng)螺旋鉆孔施工工藝除用于粉土、粘性土和素填土地基外，由于這種工藝沒(méi)有振動(dòng)效應(yīng)，還可以用于砂土地基。而泥漿護(hù)壁成孔工藝則適用于地下水位以下的粘性土、粉土、砂土、碎石土和風(fēng)化巖層等地基。因此在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的場(chǎng)地土類(lèi)型來(lái)決定采用哪種施工工藝。

3 CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)步驟

1)確定樁長(zhǎng)和樁徑。

因?yàn)镃FG樁落在硬土層上時(shí)，不僅可以發(fā)揮樁的端阻作用提高地基承載力，而且復(fù)合地基沉降量也小。因此首先要查看地質(zhì)報(bào)告，選擇承載力相對(duì)較高的土層作為樁端持力層。同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)氐某蓸对O(shè)備確定樁徑。然后根據(jù)JGJ 79—2012的式7.1.5-3確定單樁豎向承載力特征值Ra。

2)確定樁間距S。

樁間距一般為3倍～6倍樁徑。樁間距的大小取決于設(shè)計(jì)要求的復(fù)合地基承載力和變形、土性和施工機(jī)具。一般設(shè)計(jì)要求的承載力大時(shí)S取小值。在已知樁間土承載力特征值、單樁承載力特征值和上部荷載需要的復(fù)合地基承載力特征值后，根據(jù)JGJ 79—2012 的7.1.5-2可求出面積置換率m。由m=d2/de2即可求出樁間距S。其中d為樁徑;de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑。等邊三角形布樁時(shí)de=1.05S,正方形布樁時(shí)de=1.13S。根據(jù)上述公式計(jì)算出的樁間距不合理時(shí)，應(yīng)調(diào)整樁長(zhǎng)重新計(jì)算樁間距。

3)計(jì)算復(fù)合地基的變形。

復(fù)合地基變形計(jì)算按地基基礎(chǔ)規(guī)范的5.3.5計(jì)算。注意此時(shí)地基變形計(jì)算深度應(yīng)大于復(fù)合土層的深度。同時(shí)各復(fù)合土層的壓縮模量等于天然地基壓縮模量的a倍，a=fspk/fak。如果計(jì)算的變形值不能滿足規(guī)范要求，則應(yīng)調(diào)整樁長(zhǎng)和樁距重新計(jì)算。

4)設(shè)計(jì)樁身強(qiáng)度等級(jí)。

根據(jù)單樁承載力特征值Ra,由JGJ 79—2012的式7.1.6-1和7.1.6-2即可確定樁體試塊立方體抗壓強(qiáng)度平均值,從而就確定了樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)。CFG樁的樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般在C15～C25之間。

4 CFG樁的平面布置

CFG樁可只在基礎(chǔ)范圍內(nèi)布置，并根據(jù)建筑物的荷載分布、基礎(chǔ)形式和地基土性狀，合理確定布樁參數(shù)。

1)條形基礎(chǔ)下可采用單排布樁，此時(shí)應(yīng)樁距小些，復(fù)合地基承載力高些，從而基礎(chǔ)寬度小一些。但是當(dāng)線荷載較大，單排布樁不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用雙排布樁或之字形布樁。

2)對(duì)相鄰柱荷載相差較大的獨(dú)立基礎(chǔ)，應(yīng)按變形控制確定樁長(zhǎng)和樁距。即荷載大的獨(dú)基下的復(fù)合地基通過(guò)減小樁距或增大樁長(zhǎng)來(lái)達(dá)到高的承載力。這樣荷載大的獨(dú)基下土的承載力高，荷載小的獨(dú)基下土的承載力相對(duì)較低，從而保證兩相鄰獨(dú)基的沉降差滿足規(guī)范要求。

3)筏板基礎(chǔ)下布樁。當(dāng)滿足以下條件時(shí)，筏板基礎(chǔ)可在整個(gè)基礎(chǔ)范圍內(nèi)均勻布樁：a.地基土比較均勻；b.上部結(jié)構(gòu)剛度較好；c.梁板式筏基梁的高跨比或平板式筏基板的厚跨比不小于1/6時(shí)；d.相鄰柱荷載與柱間距的變化不超過(guò)20%時(shí)。不滿足以上條件時(shí)，基底壓力不滿足線性分布假定，此時(shí)應(yīng)在柱(平板式筏基)和梁(梁板式筏基)邊緣每邊外擴(kuò)2.5倍板厚的面積范圍內(nèi)布樁。需要注意的是，此時(shí)的設(shè)計(jì)基底壓力應(yīng)按布樁區(qū)的面積重新計(jì)算。另外，對(duì)于框架—核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒處荷載大，通常在核心筒外擴(kuò)一倍筏板厚的范圍內(nèi)宜減小樁距或加大樁長(zhǎng)，而弱化外框架柱部位的布樁，以使整個(gè)基礎(chǔ)沉降均勻。筏板下布樁時(shí)還應(yīng)注意到：筏板基礎(chǔ)沿地下室外墻出挑時(shí)，在外墻以外的筏板下應(yīng)布一排樁。而當(dāng)筏板邊緣與地下室外墻在一個(gè)垂直面上時(shí)，此時(shí)最外排樁應(yīng)布置在外墻下。

5 CFG樁與其他復(fù)合地基處理方法的聯(lián)合使用

由兩種或兩種以上類(lèi)型的樁組成的復(fù)合地基稱(chēng)為多樁型復(fù)合地基。例如，當(dāng)?shù)鼗翆觾?nèi)有兩個(gè)較好的樁端持力層，考慮到樁距不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，選定樁距后，如果讓樁端全落在淺層的硬土層，即采用全短樁方案，承載力和變形不能滿足要求。而讓樁端全落在深層的硬土層時(shí)，設(shè)計(jì)又過(guò)于保守，造成浪費(fèi)。此時(shí)就可采用長(zhǎng)短樁相結(jié)合的方案，即長(zhǎng)樁和短樁間隔布置。另外對(duì)于液化地基上的高層建筑，就可以采用碎石樁+CFG樁的地基處理方案。由碎石樁來(lái)消除地基的液化，并提高一部分地基承載力，CFG樁再提高一部分地基承載力。對(duì)于濕陷性黃土地區(qū)的高層建筑，單一采用換土墊層法或灰土擠密樁法雖然能消除地基的濕陷性，但地基承載力不能滿足要求。此時(shí)可先用素土擠密樁消除地基的濕陷性，然后再用CFG樁提高地基的承載力。

由于CFG樁可只在基礎(chǔ)范圍內(nèi)布置，因此在液化土地基和濕陷性黃土地基，碎石樁和素土擠密樁可按地基處理規(guī)范的要求布置，最外排樁要寬出基礎(chǔ)外緣一定范圍。樁長(zhǎng)則應(yīng)穿過(guò)可液化土層和濕陷性黃土層。對(duì)于褥墊層的設(shè)置，一般長(zhǎng)短樁結(jié)合的復(fù)合地基，墊層厚度取長(zhǎng)樁直徑的1/2。對(duì)于液化地基，取CFG樁徑的1/2。對(duì)于濕陷性黃土地基，墊層厚度宜為300 mm,且墊層材料應(yīng)為灰土。

多樁型復(fù)合地基的承載力計(jì)算及變形計(jì)算與單一為CFG樁復(fù)合地基的計(jì)算相似。

6 工程實(shí)例

運(yùn)城市瑋昊房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司建設(shè)的雙塔新村住宅樓位于山西省臨猗縣城內(nèi)，場(chǎng)地土為Ⅱ級(jí)自重濕陷性黃土。地基土自上而下依次為：①濕陷性粉土，平均厚度6.20 m，fak=115 kPa;②濕陷性粉土，平均厚度6.90 m，fak=130 kPa;③粉土，平均厚度5.0 m，fak=140 kPa;④粉土，平均厚度5.5 m,fak=160 kPa。本建筑為17層的剪力墻結(jié)構(gòu)，總高度為52.50 m，要求處理后的復(fù)合地基承載力特征值為300 kPa。由于有一層地下室，本建筑的基底標(biāo)高為自然地坪下4.5 m，基底下未處理的濕陷性土層厚度為8.60 m，根據(jù)濕陷性黃土規(guī)范，本建筑的濕陷性土層處理厚度應(yīng)為全部濕陷性土層厚度的2/3，因此先用樁長(zhǎng)6 m，樁距800，正方形布置的素土擠密樁消除濕陷性，施工完后檢驗(yàn)得其樁間土的濕陷性已消除。再用樁長(zhǎng)17 m，樁距1.6 m的CFG樁處理地基，CFG樁持力層為第④層土。該工程現(xiàn)已竣工，復(fù)合地基承載力和沉降均滿足要求。

CFG樁由于施工速度快、工期短、質(zhì)量容易控制、工程造價(jià)低，有非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。

[1] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

On application of CFG pile’s composite foundation in projects

Liu Xiaohong

(YunchengArchitecturalDesignResearchInstitute,Yuncheng044000,China)

The paper introduces the consolidation mechanism and applied scopes of the CFG pile’s treatment foundation, sums up the design steps for the pile and the precautions for laying out the piles under various types of foundations, and illustrates the multiple composite foundation with CFG pile and others, so as to accumulate experience for applying CFG pile’s composite foundation.

CFG pile, mattress layer, composite foundation, loading capacity

1009-6825(2015)05-0038-03

2014-12-06

劉小紅(1973- ),女，工程師

TU473.1

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