CFG 樁在高擋土墻地基加固中的應(yīng)用

劉 毅，蔡佳愿

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引 言

擋土墻是邊坡支護的一種主要形式，在土建工程中應(yīng)用很廣。隨著我國建設(shè)的快速發(fā)展，擋土墻工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大。隨著擋土墻高度的增加，其對地基承載力的要求也越來越高。一般的土質(zhì)地基通常難以滿足地基承載力的要求。如何有效、安全、經(jīng)濟地提高擋土墻下地基承載力，是一個非常有意義的課題。

當(dāng)天然地基不滿足上部結(jié)構(gòu)要求時，則需要進行地基處理，CFG 樁即是一種有效的地基處理方法。CFG 樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。CFG 樁可適用于堅硬、密實的土質(zhì)地基，有效提高土質(zhì)地基的承載力，與樁基相比，其可以摻入粉煤灰且無需配筋，還能充分發(fā)揮樁間土的承載能力，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

CFG 樁復(fù)合地基在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，促使了國內(nèi)外專家對其的深入研究。閻明禮等［1－3］對 CFG 樁的作用機理、設(shè)計方法進行了全面的闡述和系統(tǒng)的研究，探討了 CFG 樁復(fù)合地基在水平荷載作用下的承載性狀。董必昌等［4］分析了 CFG 樁復(fù)合地基的變形模式，推導(dǎo)出全新的樁土應(yīng)力比公式。鄧躍光等［5］探討了樁復(fù)合地基工程設(shè)計的問題，指出了 CFG 樁在設(shè)計過程中需要注意的事項。楊麗君等［6］對 CFG 樁復(fù)合地基中的褥墊層的主要作用進行了研究，并探討了墊層材料和厚度對加固作用的影響。

本文針對 CFG 樁復(fù)合地基在擋土墻地基加固的應(yīng)用，以某擋土墻工程為應(yīng)用實例，結(jié)合有限元模型，分析了其作為擋土墻地基的可行性和注意事項。

1 CFG 樁加固機理

CFG 樁復(fù)合地基的加固機理主要可概括為樁體的置換作用和褥墊層的調(diào)整均化作用。

由于 CFG 樁的壓縮性比樁間土小，因此基礎(chǔ)傳遞給地基的附加應(yīng)力，隨著地層變形逐漸集中到樁體上，大部分荷載將由樁體承受，樁間土受力相應(yīng)減小，以此提高地基承載力。CFG 樁身具有黏結(jié)強度，在荷載作用下不會出現(xiàn)壓脹變形，樁承受的荷載可通過樁周摩擦阻力和樁端阻力傳至深層地基中。

經(jīng)張尚東等［7］進行的現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，CFG 樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比較大，為 37～55。為了充分地發(fā)揮樁間土的承載能力，宜采用疏樁設(shè)計。同時在設(shè)計中，應(yīng)在樁頂與基礎(chǔ)之間設(shè)置褥墊層，不僅可以提供樁頂刺入的條件，也可以減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著樁頂向上刺入褥墊層，墊層材料不斷調(diào)整補充至樁間土上，保證了樁和樁間土始終一起參與工作，這是 CFG 樁與樁基最明顯的差異。

與普通復(fù)合地基設(shè)計不同，在擋土墻工程中，墻后土體產(chǎn)生的主動土壓力將通過擋土墻身傳遞給地基，造成較大的偏心荷載和水平荷載，對地基設(shè)計有非常大的影響。當(dāng)基礎(chǔ)受水平荷載時，樁、土將共同分擔(dān)水平荷載，分擔(dān)比例與褥墊層厚度有關(guān)。水平荷載傳遞如式（1）、（2）所示［8］。

式中：Q 為總水平荷載，kN；Qp為傳到樁上的水平力，kN；Qs為傳到樁間土上的水平力，kN；ps為樁間土分擔(dān)的荷載，kN；μ 為基礎(chǔ)和土之間的摩擦系數(shù)，通常為 0.25～0.45。

當(dāng)褥墊層厚度為 0 時，上部荷載主要由樁承擔(dān)，因此 ps較小，Qs也很小，此時水平荷載主要由樁來分擔(dān)，樁承受較大的水平荷載。

當(dāng)褥墊層厚度增大，褥墊層、樁體和樁間土可以整體作為土體來承受水平荷載。基礎(chǔ)底部水平荷載通過褥墊層向下傳遞時，作用在樁頂和樁間土上的切應(yīng)力相差不大，單根 CFG 樁頂受的剪力如式（3）所示。

式中：m 為 CFG 樁復(fù)合地基置換率，%；A 為單根 CFG 樁所對應(yīng)地基處理面積，m2；τp為基礎(chǔ)傳到復(fù)合地基頂部的切應(yīng)力，kPa。

由此可見，樁體所受水平荷載的比例大體與面積置換率 m 相當(dāng)，且隨著褥墊層厚度增大，該比例越接近于置換率 m 。此時樁受的水平荷載很小，水平荷載主要由樁間土承擔(dān)。

2 工程應(yīng)用實例

2.1 工程概況

某擋土墻工程墻高 13.3 m，基礎(chǔ)寬度 5.07 m，埋深 1.5 m，采用毛石混凝土擋土墻進行支護，邊坡安全等級為一級。由于擋土墻高度較高，按規(guī)范計算每延米擋土墻基底所受總豎向力為 1 850 kN，總水平力為 517 kN，作用于基底的合力偏心距為 0.19 m。經(jīng)驗算持力層地基承載力要求不應(yīng)小于 396 kPa，天然地基難以滿足，因此采用 CFG 樁復(fù)合地基進行處理。

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭示，地基土自上而下依次如下所示。

①素填土：主要以粉質(zhì)黏土為主，含少量建筑垃圾、碎磚塊等，稍密狀，層厚 0.9～4.5 m。

⑤-2硬塑狀黏性土：主要為粉質(zhì)黏土質(zhì)，黏性較好，為砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖風(fēng)化殘積土，層厚2.4～6.3 m。

⑥全風(fēng)化砂巖、砂質(zhì)泥巖，為紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，厚 0.5～6.7 m，差別大。

⑦-1 強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖：粉砂質(zhì)、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。

2.3 地基處理方案

對地質(zhì)較不利鉆孔進行分析，擋土墻基礎(chǔ)持力層為 ⑤-2 層硬塑狀黏性土，地基承載力特征值 250 kPa，無法滿足擋土墻對地基承載力的要求。通過對樁基和 CFG 樁復(fù)合地基進行比選，考慮其經(jīng)濟性，采用了 CFG 樁進行地基加固。CFG 樁復(fù)合地基處理后樁間土的承載力特征值可取天然地基承載力特征值，因此可以有效地發(fā)揮原有地基土的天然承載力，在此基礎(chǔ)上發(fā)揮樁體的荷載傳遞效果，可以有效地提升地基承載力。

根據(jù)勘察報告，樁間土承載力特征值為 250 kPa。根據(jù)樁周土摩阻力和端承力計算單樁承載力特征值 為 682 kN。復(fù)合地基承載力計算公式如式（4）所示。

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；Ra為樁截面積，m2；λ 為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可取 0.8；β 為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，可取 0.9；fsk為樁間土承載力，kN。反算置換率 m 不應(yīng)小于 0.07。

綜上所述，本工程地基處理設(shè)計方案為 CFG 樁復(fù)合地基，樁徑 500 mm，間距 1.7 m，置換率 7.8 %，單樁長度 9 m，樁端進入全風(fēng)化泥巖或者強風(fēng)化泥巖，正三角形布置，位于擋土墻下方，共布置 4 排。褥墊層材料采用級配碎石，厚度 300 mm。

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用有限元軟件 Plaxis 3D 建立的相關(guān)模型，結(jié)合軟件特點，進行以下假設(shè)。

1）在模擬計算中，采用摩爾-庫倫理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫倫強度準(zhǔn)則。

2）邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，即模型四周水平方向固定，底部水平和豎直方向均固定。

3）引入接觸單元，模擬樁與土層、褥墊層與土之間的接觸問題。

有限元建模過程中，墻后填土和褥墊層均采用土單元模擬，CFG 單樁的模擬采取軟件里“Embedded pile”單元，此單元需要賦予樁體側(cè)摩阻力及端承阻力，使得其模擬出來的情況最大化接近實際工程。建立計算模型時各土層采用的材料性質(zhì)參數(shù)如表1 和表2 所示。

表2 “Embedded pile”單元參數(shù)表

3.2 計算過程

1）模擬地基初始應(yīng)力狀態(tài)。此步產(chǎn)生的位移在下步計算時初始化為零。

2）施工 CFG 樁和鋪設(shè) 30 cm 厚碎石墊層。

3）澆筑擋土墻墻身，回填墻前覆土和部分墻后填土。

4）回填全部墻后填土，并激活擋土墻頂部使用期荷載。

3.3 計算結(jié)果

有限元計算模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 計算模型有限元網(wǎng)格劃分

表1 土層和模擬材料參數(shù)表

采用天然地基和 CFG 樁復(fù)合地基，擋土墻施工完成至使用期的總位移等值云圖分別如圖2～3 所示。

圖2 天然地基擋土墻總位移云圖

圖3 CFG 樁復(fù)合地基擋土墻總位移云圖

由圖2 和圖3 可見，CFG 樁復(fù)合地基能有效地減少擋土墻墻身的位移，但對墻后填土的作用很小。主要原因是 CFG 樁位于擋土墻墻身下方，能有效地提高地基剛度，減小擋土墻的豎向位移。墻后填土的變形主要由擋土墻的水平位移引起，CFG 樁復(fù)合地基對此影響較小。

此外，上述兩種工況對應(yīng)的整體穩(wěn)定系數(shù)分別為 1.255 和 1.380，可見 CFG 樁復(fù)合地基對提升邊坡?lián)跬翂Φ恼w穩(wěn)定性具有一定的作用，但效果并不明顯。然而根據(jù)崔哲［9］等對某發(fā)生了嚴(yán)重滑塌事故擋土墻的分析，當(dāng)采用 CFG 樁進行基底處理設(shè)計時，應(yīng)確認(rèn)是否存在潛在的滑動面穿過 CFG 樁樁身，如存在，則應(yīng)慎重考慮 CFG 樁的抗剪能力，當(dāng)樁基基礎(chǔ)需要考慮抗剪設(shè)計時，不建議采用 CFG 樁。因此，出于安全保守考慮，擋土墻進行整體穩(wěn)定性考慮的時候，可不考慮 CFG 樁的作用。如有必要，應(yīng)通過試驗以取得復(fù)合地基的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

每跨計算單元分布有 4 根 CFG 樁，由墻趾向墻踵方向依次編號。其單樁受力情況如表3 所示，不同位置單樁受力情況略有差異，靠墻趾一側(cè)單樁豎向荷載最大 411.5 kN，墻踵位置荷載最小。每跨計算單元內(nèi) CFG 樁承受豎向總荷載 1 582.1 kN，上部基礎(chǔ)傳遞的總荷載為 1 850×1.7=3 145 kN，樁體受力占總荷載的 50.3 %，大大減小了樁間土承受的豎向荷載，因此能有效地提高地基承載力。

表3 CFG 樁頂荷載計算結(jié)果

擋土墻下 CFG 樁剪力的分布形式如圖4 所示，最大剪力發(fā)生于樁頂，其值即為樁頂?shù)乃胶奢d。為研究褥墊層厚度對樁頂水平荷載的影響，在有限元分析中，采用了不同碎石墊層厚度對其進行了模擬，結(jié)果如圖5 所示。

圖4 CFG 樁樁身剪力模擬分布圖

圖5 樁頂水平荷載與碎石墊層厚度關(guān)系圖

由圖5 可見，褥墊層厚度對樁頂所受的水平荷載有較大的影響。當(dāng)褥墊層厚度較小時，樁頂水平荷載與褥墊層厚度近似呈反比線性關(guān)系，隨著褥墊層厚度增大而減小。這一點與閻明禮等的研究相符。而在褥墊層厚度為 0 時，數(shù)值計算得出的作用于樁頂水平荷載之和還是明顯小于總水平荷載，即在不設(shè)置褥墊層的條件下，樁土依然共同承受水平荷載，比例接近于 1∶1，并非完全由樁體承擔(dān)。當(dāng)褥墊層厚度超過 30 cm 以后，其厚度對樁頂水平荷載影響逐漸減小，此時單樁頂水平荷載為 35.3 kN，占總水平荷載的 16.1 %，其值大于 CFG 樁復(fù)合地基置換率，經(jīng)驗算水平承載力滿足安全要求。

4 結(jié) 論

通過對工程實例的分析介紹，運用有限元 Plaxis 3D 軟件對擋土墻下 CFG 樁復(fù)合地基進行數(shù)值模擬，分析了 CFG 樁對擋土墻地基加固的作用與樁體受力情況，得出如下結(jié)論。

1）CFG 樁復(fù)合地基能有效地提高地基承載力，可滿足高擋土墻對地基承載力的要求，與此同時還能有效地減少擋土墻墻身的豎向沉降，但對水平位移作用不大。

2）CFG 樁復(fù)合地基能提高擋土墻邊坡的整體穩(wěn)定性，但效果有限，在進行擋土墻支護設(shè)計中，不建議考慮 CFG 樁的作用。如需考慮，應(yīng)通過試驗以取得復(fù)合地基的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

3）對于擋土墻下的 CFG 樁復(fù)合地基，褥墊層厚度對其所受水平荷載有至關(guān)重要的影響。隨著褥墊層厚度的增大，樁體所受水平荷載迅速減小，為防止 CFG 樁被剪壞，褥墊層厚度不宜小于 20 cm。