砂土層地基上CFG樁復(fù)合地基處理與優(yōu)化設(shè)計

陸曉磊，趙云輝，蒲攀宇

（1中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊，江蘇 南京 210000；2防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065200）

0 前言

隨著近年來城市發(fā)展速度的加快，高層建筑物越來越多，這對地基基礎(chǔ)的承載力、沉降量和穩(wěn)定性的要求也就越來越高。在進行設(shè)計前，應(yīng)綜合分析工程地質(zhì)條件，合理選擇地基處理方法，以提高其適用性和經(jīng)濟性[1]?；A(chǔ)工程中一般采用地基處理和樁基礎(chǔ)兩類措施來改善工程特性[2]。在北京地區(qū)，CFG樁復(fù)合地基處理技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，對于一般工程來說，此項技術(shù)既經(jīng)濟又安全可靠[3]。CFG樁由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，用各種成樁機械制成的具有一定強度的可變強度樁，一種低強度混凝土樁，可充分利用樁間土的承載力共同作用，并可傳遞荷載到深層地基中去，具有較好的技術(shù)性能和經(jīng)濟效果。許多專家或者學(xué)者對其進行過研究，黃生根[4]通過現(xiàn)場試驗研究了帶帽CFG樁的承載力性能以及CFG樁中土的受力特性，發(fā)現(xiàn)帶帽CFG樁承載力發(fā)揮程度遠大于土的承載力發(fā)揮程度；岳強[5]等通過工程實例，詳細介紹了規(guī)范中CFG樁的設(shè)計方法及在工程設(shè)計過程中存在的問題，具有一定的理論指導(dǎo)意義；桑松魁[6]等依托靜荷載試驗研究了CFG樁復(fù)合地基的承載性狀與沉降變形的主要影響因素，發(fā)現(xiàn)CFG樁復(fù)合地基的沉降變形主要來自樁身的壓縮量；于猛[7]等分析了CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計方法，給出了四種情況CFG樁復(fù)合地基的實用設(shè)計方法，并提供了具體算例為相關(guān)工程設(shè)計提供參考；李國勝[8]比較了多個規(guī)范，總結(jié)了CFG樁復(fù)合地基設(shè)計方法，并探討了CFG樁穿越不同土層時的設(shè)計方法。

通過總結(jié)的成果，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)者研究內(nèi)容局限在CFG樁本身的性能、試驗設(shè)計計算以及加固效果，對于樁端持力層位于砂土層上的CFG樁復(fù)合地基的地基處理和優(yōu)化設(shè)計相關(guān)的研究內(nèi)容較少。為了擴大CFG樁的應(yīng)用范圍和適用性，本文介紹了CFG樁持力層在砂土層地基上的復(fù)合地基處理方法，并對方案進行了優(yōu)化設(shè)計，可為工程實踐和進一步的研究提供參考依據(jù)。

1 工程概況及地質(zhì)條件

工程為北京市海淀區(qū)某擬建21層住宅樓，其中地上18層，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深11.3m。地基持力層承載力標(biāo)準(zhǔn)值為200kPa。要求地基承載力設(shè)計值達到360kPa。擬建場區(qū)自然地面標(biāo)高約在41.50～44.50m。根據(jù)場區(qū)周邊揭示基巖的深層地質(zhì)資料，擬建場區(qū)的覆蓋層厚度約在160m左右。地面以下至基巖頂板之間的土層巖性以粘性土、粉土與砂土、碎石土交互沉積土層為主。在本工程巖土工程勘察的勘探深度范圍內(nèi)（最深36.00m）的地層，按成因類型、沉積年代可劃分為人工堆積層、新近沉積層和第四紀(jì)沉積層三大類，并按巖性及工程特性劃分為10個大層及亞層，現(xiàn)分述如下。

表層為人工堆積之一般厚度為0.40～3.80m的房渣土、碎石填土①層，粘質(zhì)粉土素填土、粉質(zhì)粘土素填土①-1層及細砂素填土①-2層。

人工堆積層以下為新近沉積之粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土②層，砂質(zhì)粉土②-1層及粘土、重粉質(zhì)粘土②-2層；細砂、中砂③層，細砂、粉砂③-1層、圓礫③-2層及砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土③-3層；受人為取土影響，局部該大層缺失。

新近沉積層以下為第四紀(jì)沉積之粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土④層，粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土④-1層及有機質(zhì)重粉質(zhì)粘土、有機質(zhì)粘土④-2層；細砂、中砂⑤層，圓礫⑤-1層及粉質(zhì)粘土⑤-2層；粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土⑥層，粘土、重粉質(zhì)粘土⑥-1層，砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土⑥-2層及細砂⑥-3層；粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土⑦層，粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土⑦-1層，粘土、重粉質(zhì)粘土⑦-2層及細砂、中砂⑦-3層；細砂、中砂⑧層及圓礫、卵石⑧-1層；粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土⑨層，粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土⑨-1層及有機質(zhì)粘土、有機質(zhì)重粉質(zhì)粘土⑨-2層；細砂、中砂⑩層。具體參數(shù)見表1。

地基土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表 表1

2 CFG樁工程設(shè)計應(yīng)用

2.1 設(shè)計方法

按照規(guī)范[9]要求進行承載力的計算，首先確定面積置換率，可按下式計算：

式中：m為樁土面積置換率；d為樁身平均直徑（m）；de為1根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，按正方形布樁de=1.13s。

CFG樁單樁承載力特征值計算公式：

其中，μp為樁的周長，取 μp=3.14×600=1884mm；n為土層數(shù)；qsi為樁長范圍內(nèi)土層極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度 (m)；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，按地區(qū)經(jīng)驗取αp=1；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，根據(jù)勘察報告取qp=700kPa；Ap為樁截面面積，取 Ap=3.14×0.3×0.3=0.28；

樁體試塊抗壓強度平均值應(yīng)滿足下式要求：

然后計算復(fù)合地基特征值，計算公式如下：

式中，β為樁間土承載力折減系數(shù)，取β=0.8；fsk為處理后樁間土的承載力特征值，取fsk=350kPa；

樁數(shù)的確定按下式計算：

式中，n為樁數(shù)，A為基礎(chǔ)底面面積。

2.2 CFG樁工程設(shè)計

比較表1中土層參數(shù)，⑤-1層圓礫土其天然地基承載力與其他土層相比較大，作為CFG樁樁端持力層較為合適。

該設(shè)計中采用CFG樁中的長螺旋鉆中心壓灌工藝，根據(jù)規(guī)范成樁樁徑宜為350mm～600mm，樁間距宜為3～5倍樁徑。采用正方形布樁；樁頂與基礎(chǔ)之間的褥墊層材料選用碎石，厚度200mm。初步設(shè)計樁徑600mm，樁間距2.0m，有效樁長4.0m。按公式（1）和公式（2）分別計算出面積置換率m=0.07和單樁承載力特征值 Ra=680.12kN，由公式（3）計算可知，fcu=9626.67kPa，為滿足規(guī)范[10]要求，該設(shè)計需采用標(biāo)號C20的商品混凝土方。根據(jù)公式（4）算得復(fù)合地基特征值為428.87kPa，滿足要求設(shè)計要求 360kPa，根據(jù)公式（5）求得樁數(shù)143根。

用分層總和法計算沉降量，計算公式為：

式中：S1為加固區(qū)沉降量；S2為非加固區(qū)沉降量。

依據(jù)規(guī)范[9]中沉降計算方法，按1m分層，則當(dāng)前深度向上取厚度為1m的土層深度16m。計算結(jié)果見表2，該深度下土的沉降值為△s'n=2.087mm，計算△s'n/∑△s'i=0.0196≤0.025，所以本層土已滿足要求。按分層總和法計算出的地基沉降量106.67mm。

最終沉降計算公式：

分層總和法沉降計算 表2

式中：Ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)。

復(fù)合地基沉降計算中Ψs的取值與地基變形計算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值有關(guān)，該計算公式為：

3 CFG樁優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)規(guī)范要求成樁樁徑宜為350mm～600mm，樁間距宜為3～5倍樁徑，由公式（1）計算得其面積置換率在0.03～0.09之間。所以為保證V最小，取最小值0.03。當(dāng)面積置換率為0.03時，通過公式（1）反推可得樁間距為5倍樁徑。所以當(dāng)樁徑d=400mm，s取2000mm，根據(jù)公式（5）計算得n=137根，同時得到當(dāng)樁 徑 d=500mm，s取 2500mm，n=88 根，當(dāng)樁徑d=600mm，s取3000mm，n=67根。

由于樁徑d，樁間距s以及樁長L是變化的，這就涉及到如何選取能達到在保證滿足設(shè)計要求的前提下成本費用最少的目標(biāo)，其中，成本費用=材料費+人工費+機械租賃費。根據(jù)相關(guān)資料顯示，北京地區(qū)的CFG樁樁體材料價格約為每立方米450元，每根樁產(chǎn)生的成孔、排土、垃圾清運等其它費用約為1600元，因根據(jù)該工程地質(zhì)勘查報告資料所示，為保證樁端持力層位于較大承載力地層上，本設(shè)計采用固定樁長4m。表3為總費用計價表。

總費用計價表 表3

總費用與樁徑函數(shù)圖

根據(jù)表3擬合得到樁徑規(guī)格與總費用的函數(shù)圖像，如下圖所示。

從圖1中可得，當(dāng)樁徑取470mm時，總費用最低。結(jié)合CFG樁螺旋鉆鉆桿規(guī)格考慮，并不具備470mm的鉆桿，所以在該工程條件背景下樁徑只能取500mm，使得總費用最低。所以最終設(shè)計取樁徑500mm，樁間距2.5m，樁長4m。經(jīng)計算得復(fù)合地基特征值為364.04kPa，最終沉降量27.92mm。滿足要求。

4 結(jié)論

①CFG樁復(fù)合地基處理承載力較低的砂土層地基可行的，其樁端具有非常明顯的端承作用，處理后的復(fù)合地基承載力和地基沉降量均符合設(shè)計要求。該方法施工簡便，振動及噪聲小，本文的計算分析方法可為類似的實際工程提供參考依據(jù)；

②原地基處理方案中，CFG樁徑為500mm，樁間距為2m，經(jīng)此方案處理后的地基承載力大且地基沉降量小，但需額外增加約26.6萬元的工程造價，未能體現(xiàn)工程設(shè)計的經(jīng)濟性理念。在進行CFG樁復(fù)合地基處理和樁體直徑的選擇時，應(yīng)充分進行計算，并不是樁體直徑越小，工程造價越低。通過上述的設(shè)計驗算及優(yōu)化，設(shè)計樁長5m，樁徑500mm。地基經(jīng)過處理后，復(fù)合地基的承載力可以達到364.04kPa?；A(chǔ)的最終沉降量為27.92mm，滿足使用要求。