CFG樁復(fù)合地基試驗(yàn)分析

彭世江

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡(jiǎn)稱(即Cement FIyash Gravel Pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。CFG樁復(fù)合地基通過(guò)褥墊層與基礎(chǔ)連接，無(wú)論樁端落在一般土層還是堅(jiān)硬土層，均可保證樁間土始終參與工作。由于樁體的強(qiáng)度和模量比樁間土大，在荷載作用下，樁頂應(yīng)力比樁間土表面應(yīng)力大。樁可將承受的荷載向較深的土層中傳遞并相應(yīng)減少了樁間土承擔(dān)的荷載。這樣，由于樁的作用使復(fù)合地基承載力提高，變形減小，再加上CFG樁不配筋，樁體利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，大大降低了工程造價(jià)。

CFG樁復(fù)合地基的加固機(jī)制為褥墊層受上部基礎(chǔ)荷載作用產(chǎn)生變形后，以一定比例的荷載分擔(dān)給樁及樁間土，使二者共同受力。同時(shí)土體在CFG樁施工中受到樁的擠密作用而提高一定的承載力，樁又由于周圍土體的擠密對(duì)樁的約束加強(qiáng)樁的受力狀態(tài)，二者共同作用，形成了一個(gè)復(fù)合地基受力整體，共同承擔(dān)上部基礎(chǔ)傳來(lái)的荷載。顯然，上部荷載作用大小及樁土的結(jié)構(gòu)性態(tài)和力學(xué)特性不同，準(zhǔn)確了解樁及樁間土的受力情況在CFG樁復(fù)合地基工程中是非常重要的[1-4]。

1 工程概況

該高層建筑物位于南充嘉陵區(qū)，為8棟電梯公寓，建筑物高度為72.2 m，其層數(shù)為21層，框剪結(jié)構(gòu)。建筑物安全等級(jí)為I級(jí)，屬I類高層建筑?；A(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，埋深-6.2 m。地基土為粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂，不能直接作為基礎(chǔ)持力層，需要采用復(fù)合地基進(jìn)行加固處理。進(jìn)過(guò)論證采用了CFG樁復(fù)合地基方案。CFG樁樁長(zhǎng)8～11 m，樁直徑600 mm，正三角形布置，樁中心距為1.8 m，樁端至于稍密卵石層上。單樁豎向承載力1 700 kN，復(fù)合地基承載力特征值fspk滿足550 kPa。

場(chǎng)地在地貌上屬于嘉陵江水系I級(jí)階地，砂卵石層為地下水的主要含水層，其厚度約6.0 m，粉土為弱透水層，勘察期間測(cè)得場(chǎng)地地下水初見(jiàn)水位埋深為6.0～7.0 m。場(chǎng)地內(nèi)自上而下的土層順序及主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 褥墊層在復(fù)合地基中的作用及設(shè)計(jì)原則

在CFG樁的設(shè)計(jì)中，褥墊層是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它對(duì)最終沉降、調(diào)整樁土應(yīng)力比、調(diào)整樁土水平荷載，起重要作用，太厚了樁的優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)揮，太薄了應(yīng)力過(guò)于集中在樁上，土的作用沒(méi)有發(fā)揮。由于褥墊層的存在，在荷載剛開(kāi)始作用時(shí)，樁和樁間土共同承擔(dān)上部荷載，這時(shí)的樁土應(yīng)力比比較小；隨著荷載的增加，土體進(jìn)入極限承載力狀態(tài)，樁逐漸承擔(dān)外部增加的荷載，樁土應(yīng)力比不斷增大(如果沒(méi)有褥墊層，由于在相同荷載作用下，土體的沉降變形比樁的刺入和壓縮變形大，此時(shí)土體可能處于懸空狀態(tài)，外部荷載大部分作用于樁上，沒(méi)有充分發(fā)揮樁間土的作用，這樣設(shè)計(jì)的樁數(shù)必將增加，會(huì)增加工程的造價(jià))。

無(wú)褥墊層條件下剛性樁復(fù)合地基是先發(fā)揮樁的承載力，隨后，荷載往土體轉(zhuǎn)移，從樁土共同承擔(dān)的受力機(jī)理來(lái)說(shuō)，應(yīng)該為另一種剛性樁復(fù)合地基。又由于樁體與基礎(chǔ)連接，它顯然不屬于樁基礎(chǔ)的范疇，可以認(rèn)為它是介于復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)之間的一種復(fù)合地基。

因此，在CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)樁間土的極限承載力，復(fù)合地基承載力，樁土應(yīng)力比等因素考慮褥墊層的材料和厚度，來(lái)保證樁土變形協(xié)調(diào)，充分發(fā)揮樁間土的極限承載力。本工程基礎(chǔ)底面清底結(jié)束后，鋪設(shè)30～35 cm砂卵石褥墊層，采用平板振動(dòng)器壓實(shí)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 儀器埋設(shè)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)按承載力和沉降量設(shè)計(jì)的復(fù)合地基樁基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法的可靠性，對(duì)采用該法設(shè)計(jì)的川北高層建筑物，在樁頂和褥墊層上，褥墊層下(土層上)埋設(shè)土壓力盒，進(jìn)行短期觀測(cè)試驗(yàn)，包括天然地基、單樁、樁間土和復(fù)合地基載荷等試驗(yàn)。

3.2 天然地基土承載力分析

天然地基土的承載力通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)慢速維持荷載試驗(yàn)取得。本次地基土載荷試驗(yàn)采用1.0 m×1.0 m承壓板，面積為1.0 m2。根據(jù)荷載-沉降關(guān)系，由于其P-S曲線圖呈現(xiàn)出緩變型，無(wú)明顯比例界限荷載和極限荷載，在這里按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于地基土載荷試驗(yàn)要求來(lái)求得天然地基承載力基本值。

對(duì)于低壓縮土和砂土，可以取s/b=0.01～0.015，其在P-S曲線上對(duì)應(yīng)的荷載值即為承載力基本值。本次試驗(yàn)采用s/b=0.012對(duì)應(yīng)荷載值為天然地基土的承載力基本值。

從表2可以看出，極差與平均值之比為16.5%<30.0%，可以取平均值165 kPa作為天然地基土的承載力基本值。

表2 天然地基土載荷試驗(yàn)承載力基本值匯總

3.3 樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β分析

對(duì)于CFG剛性樁復(fù)合地基承載力特征值常采用如下經(jīng)驗(yàn)公式估算：

fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk

(1)

式中：fspk復(fù)合地基承載力特征值(kPa)；m為面積置換率；Ap為單樁的截面面積(m2)；fsk為天然地基承載力特征值(kPa)；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；Ra為單樁承載力特征值(kN)。

由于所做的復(fù)合地基試驗(yàn)未做到破壞，于是可以假設(shè)每一級(jí)荷載都為復(fù)合地基承載力特征值，來(lái)反算樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β，可得以下樁的樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β，見(jiàn)表3。

3.4 復(fù)合地基承載力分析

根據(jù)反算得出樁間土承載力發(fā)揮系數(shù),來(lái)驗(yàn)算復(fù)合地基的承載力,在本工程取樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β為0.90。從現(xiàn)場(chǎng)單樁的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看,加載到1 680 kN時(shí),樁的承載力也沒(méi)有達(dá)到極限,因此取單樁的承載力特征值為840 kN,進(jìn)行復(fù)合地基的校核。樁間土取天然地基土的承載力基本值，即基本值為165 kPa，帶入特征值經(jīng)驗(yàn)公式(1)估算得。CFG剛性樁復(fù)合地基承載力為615kPa>550kPa,滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β

3.5 CFG樁受力過(guò)程及樁土應(yīng)力比分析

樁-土作用是一個(gè)典型的非線性過(guò)程。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)在褥墊層逐級(jí)加荷載時(shí),可以將樁-土過(guò)程簡(jiǎn)化為兩個(gè)階段：第一階段,當(dāng)荷載較小時(shí),平均各樁頂?shù)暮奢d小于單樁極限承載力時(shí)，褥墊層頂部的反力相對(duì)于樁頂處的反力要較大一些,而且隨著時(shí)間的增長(zhǎng),樁土的分擔(dān)比也隨著發(fā)生變化，土承擔(dān)的比例會(huì)越來(lái)越少。因此,可以近似地認(rèn)為在第一階段,土充分發(fā)揮了較大的承載力。第二階段，當(dāng)荷載不斷的增加時(shí),樁承擔(dān)的荷載隨著外部荷載的增加不斷的增加,此時(shí),土基本已經(jīng)達(dá)到土的極限承載力了,因此,這個(gè)階段外部增加的荷載幾乎全部由樁來(lái)承擔(dān)。在整個(gè)過(guò)程中， CFG樁復(fù)合地基褥墊層下的土體只在第一階段時(shí)，才真正參與了共同承擔(dān)上部荷載的工作；在第二階段,樁-土共同承擔(dān)外部荷載,此時(shí),樁和土共同工作的極限承載力要大于外部荷載之和。圖1是某樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果圖。從圖1不難看出，在荷載加載過(guò)程中，樁間土就達(dá)到極限承載力后，土體承載力基本維持不變，在后期繼續(xù)加載階段，外部荷載幾乎全部由樁來(lái)承擔(dān)，此時(shí)，樁間土基本維持極限承載力狀態(tài)。

圖1 樁土共同分擔(dān)荷裁隨時(shí)間變化過(guò)程在整個(gè)加載過(guò)程

樁土應(yīng)力比隨外部荷載加載情況在不停的變化。隨著外部荷載的增加，樁土應(yīng)力比亦逐漸增大，樁上應(yīng)力集中越來(lái)越明顯。從實(shí)測(cè)的樁頂反力和樁間土的極限承載力來(lái)看，樁頂反力是不斷變化的，而樁間土在達(dá)到極限承載力后，幾乎沒(méi)有多少變化。在加載過(guò)程中，由于樁頂荷載不停的變化，因此可以證明，樁土應(yīng)力比在加載過(guò)程中是不斷變化的。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成果(圖2)可以驗(yàn)證。

圖2 樁-土分擔(dān)比隨荷載變化曲線

從圖2還可以看出在荷載穩(wěn)定后，由于褥墊層的調(diào)整作用，樁間土達(dá)到極限承載力后，樁頂應(yīng)力和樁間土表面應(yīng)力基本保持不變，此時(shí)樁土應(yīng)力比基本保持不變。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于設(shè)置墊層的CFG剛性樁復(fù)合地基，其受力特征是首先發(fā)揮樁間土的承載力極限值，隨著外部荷載的增加，樁承擔(dān)其余增加的外部荷載。

(2)隨著施工荷載的增加，樁體所分擔(dān)的荷載有所增加，且增加較快，樁間土分擔(dān)比有所較低，其原因是樁間土基本發(fā)揮了其承載力特征值。

(3)在加載過(guò)程中，實(shí)測(cè)的樁頂反力和樁間土反力是不斷變化的，說(shuō)明樁土分擔(dān)比也是不斷變化的，與工程界固定的分擔(dān)比有別。

(4)在荷載穩(wěn)定后，由于褥墊層的調(diào)整作用，樁間土承達(dá)到極限承載力后，樁頂應(yīng)力和樁間土表面應(yīng)力基本保持不變，此時(shí)樁土應(yīng)力比基本保持不變。