CFG樁在非自重濕陷性黃土地層中的應(yīng)用

孫金龍

(北京礦務(wù)局綜合地質(zhì)工程公司，北京 102300)

0 引言

水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)復(fù)合地基技術(shù)近年來日臻成熟，應(yīng)用較廣，經(jīng)濟技術(shù)指標較好，其原理是利用水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂石等加水拌和形成的高黏結(jié)強度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基[1]。這種復(fù)合地基一方面發(fā)揮了樁間土固有的承載力，另一方面充分利用了CFG樁強度比樁間土高的特點，在承受較大地基荷載的同時，能夠?qū)俄敽奢d向深部地層傳遞，從而減少樁間土荷載，提高承載力的同時，減少地層壓縮變形。由于充分發(fā)揮了樁間土、樁體共同承載荷載的作用，以及發(fā)揮了CFG樁不配筋、摻合料成本低的經(jīng)濟優(yōu)勢，使得CFG樁復(fù)合地基技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

在濕陷性黃土地區(qū)進行地基處理時，需要消除黃土的濕陷性，通常采用樁基礎(chǔ)、墊層法、強夯法、擠密法、預(yù)浸水法等，成本相對較高。在非自重濕陷性黃土地區(qū)，選用上述地基處理方法時，都沒有發(fā)揮非自重濕陷性黃土地層的濕陷起始壓力能夠承擔部分荷載的作用。從理論上講，如果能夠部分利用非自重濕陷性黃土地層的濕陷起始壓力，再通過補充部分承載力，從而達到建筑物對承載力和沉降控制的要求，可以有效降低地基處理成本?？紤]到現(xiàn)有CFG樁復(fù)合地基工藝可以有效利用樁間土承載力的特點，將CFG樁應(yīng)用在非自重濕陷性黃土地區(qū)地基處理工程中，可以有效降低非自重濕陷性黃土地區(qū)地基處理成本[2]。

本研究以張家口下花園區(qū)鴻翔美域住宅小區(qū)一期1#—4#樓地基處理工程為例驗證上述理論可行性。利用該工程地基處理地層為非自重濕陷性黃土的特點，從設(shè)計到施工，將CFG樁復(fù)合地基技術(shù)引入到該項目地基處理工程中，通過施工管理、復(fù)合地基檢測、竣工驗收及后期的監(jiān)測，證明了將CFG樁復(fù)合地基技術(shù)應(yīng)用于非自重濕陷性黃土地層中，能夠滿足建筑物對地基處理的要求，能夠較大幅度節(jié)省地基處理成本。

1 工程概況

本工程擬建場地位于河北省張家口市下花園新開發(fā)區(qū)，擬建場地長約370 m，寬約200 m，占地面積約74000 m2。其中1#—4#住宅樓均為地上12層、地下1層建筑。

該區(qū)域?qū)儆谥袊鴿裣菪渣S土工程地質(zhì)分區(qū)中Ⅳ山西—冀北地區(qū)，距離北京120 km。依據(jù)勘察報告，該場地屬于山前沖洪積扇地貌單元，場地巖性上部為黃土狀粉土(以下簡稱粉土)、角礫、粉質(zhì)黏土，下部為砂礫巖。本場地第①層雜填土地質(zhì)時代為Q42，不能作為地基持力層。第②層粉土、第③層粉質(zhì)黏土的地質(zhì)時代均為Q41，均為山前沖洪積堆積物。第②層粉土具輕微—強烈濕陷性，第③層粉質(zhì)黏土具輕微—中等濕陷性。

依據(jù)勘察報告，該場地的濕陷起始壓力在地表4.50 m以下均大于100 kPa；其濕陷系數(shù)隨深度的增加逐漸減小，整體上截止到地表8.0 m以下已不具濕陷性。②層粉土和③層粉質(zhì)黏土均不具自重濕陷性，場地屬非自重濕陷性場地。場地地基濕陷等級為Ⅱ級(見圖1)。

圖1 鴻翔美域項目地層分布及相關(guān)參數(shù)圖

勘察結(jié)果表明，該小區(qū)所處地基為非自重濕陷性黃土地區(qū)，對建筑十分不利，須進行地基處理或采用樁基礎(chǔ)方案[3]。

2 采用CFG樁技術(shù)可行性分析

場地地層和基礎(chǔ)埋深有以下特點：(1)基礎(chǔ)埋深超過了4.5 m，可以將不宜作為地基的土層挖走；(2)地表以下4.5 m至8.0 m，地層為非自重濕陷性黃土，濕陷起始壓力超過了100 kPa，這部分地層在提供不超過100 kPa承載力的情況下，不會發(fā)生濕陷，為地基處理采用CFG樁復(fù)合地基技術(shù)提供了條件，在進行CFG樁設(shè)計時，可以控制樁間土承載力不超過100 kPa，控制復(fù)合承載力達到建筑物要求，并進行沉降計算，確保承載力和沉降控制均符合要求[4]；(3)地表8.0 m以下的地層，不具備濕陷性，通過CFG樁能夠?qū)俄敽奢d向深部地層傳遞，從而減少樁間土荷載，提高承載力的同時，減少地層壓縮變形。

通過以上特點分析可以看出，在該場地采用CFG樁復(fù)合地基能夠利用CFG樁的優(yōu)點，發(fā)揮非自重濕陷性黃土在達到濕陷起始壓力前能夠承擔荷載的作用，在不專門消除濕陷性的情況下，滿足建筑物對承載力和沉降控制的要求[5]。

在設(shè)計計算時，首先設(shè)定樁間土承載力不超過非自重濕陷性黃土的濕陷起始壓力，通過調(diào)整樁間距、面積置換率以及褥墊層參數(shù)，將剩余設(shè)計荷載由樁體來承擔，從而控制樁間土承擔荷載不超過濕陷起始壓力。

以該項目1#樓CFG樁設(shè)計為例，該樓設(shè)計要求處理后復(fù)合地基承載力特征值不小于240 kPa，最大沉降量不大于100 mm，整體傾斜度不大于0.30%。CFG樁設(shè)計見圖2。CFG樁復(fù)合地基設(shè)計結(jié)果如下：

圖2 鴻翔美域項目CFG樁設(shè)計參數(shù)圖

(1)若基底埋深未超過4.5 m，施工前應(yīng)清除基底土層至地表下4.5 m，若局部含有雜填土層，應(yīng)全部清除，而后采用1∶9灰土分層夯實回填至設(shè)計樁頂標高，夯實回填土的壓實系數(shù)不小于0.95，夯實回填土的地基承載力特征值經(jīng)檢測不小于100 kPa，樁間土為夯實回填土層，地基承載力特征值按100 kPa考慮。

(2)若基底埋深超過4.5 m，則不換填，樁間土為原狀非自重濕陷性土層，地基承載力特征值按100 kPa考慮。

(3)樁端持力層為第④層全風(fēng)化砂礫巖或第⑤層強風(fēng)化砂礫巖，設(shè)計樁長15.3 m，保護樁長0.5 m，施工樁長15.8 m。當樁端遇到第⑤層強風(fēng)化砂礫巖層且施工樁長達不到15.8 m時,施工樁長應(yīng)控制在不小于12.42 m且樁端進入第⑤層強風(fēng)化砂礫巖不小于0.6 m?？紤]到地層起伏變化較大，采用不同樁端持力層、不同樁長控制。

(4)素混凝土樁樁徑600 mm，混凝土強度等級C20，單樁承載力特征值780 kN，面積置換率6.50%，樁數(shù)170根。

(5)樁頂鋪設(shè)300 mm厚碎石褥墊層，碎石粒徑0.5～1.0 cm，夯填度不大于0.9。

采用CFG樁復(fù)合地基技術(shù)的地基處理設(shè)計方案順利通過了設(shè)計文件審查，實施后順利通過檢測，檢測結(jié)果見表1、表2。

表1 單樁靜載荷檢測結(jié)果匯總表

表2 單樁復(fù)合靜載荷檢測結(jié)果匯總表

根據(jù)檢測結(jié)果，1#樓工程場地復(fù)合地基承載力特征值不小于240 kPa，單樁承載力特征值不小于780 kN，滿足設(shè)計要求。

本工程復(fù)合地基承載力及沉降量均達到了建筑物設(shè)計要求。主體結(jié)構(gòu)完工后，建筑物沉降檢測符合要求。工程實踐表明，將CFG樁復(fù)合地基技術(shù)應(yīng)用于非自重濕陷性黃土地層中，在實踐中能夠滿足建筑物對地基處理的要求，技術(shù)上可行。

3 采用CFG樁經(jīng)濟可行性分析

CFG樁不使用鋼材，所需材料造價相對較低，從經(jīng)濟角度考慮，與樁基礎(chǔ)高強度混凝土和鋼材相比，原材料成本和施工成本都有較大幅度的下降。

以該項目1#樓CFG樁設(shè)計為例，1#樓采用上述CFG樁設(shè)計方案造價為：樁徑0.6 m，樁長15.8 m，共170根樁，單價700元/立方，換填土1320 m3，單價60元/方，總造價約61萬元。

1#樓采用滿足建筑物設(shè)計要求的樁基礎(chǔ)方案造價為：樁徑0.6 m，樁長15.8 m，共203根樁，單價1300元/立方，總造價約118萬元。

通過比較，1#樓采用CFG樁復(fù)合地基處理非自重濕陷性地層的方案比樁基礎(chǔ)方案節(jié)約成本57萬元，成本降幅達到48%。

以本項目共計10棟樓統(tǒng)計，與樁基礎(chǔ)方案相比，地基基礎(chǔ)采用CFG樁復(fù)合地基技術(shù)比采用樁基礎(chǔ)節(jié)約成本約700萬元； CFG樁和樁基礎(chǔ)施工工期相比，CFG樁工期縮短約一半，潛在經(jīng)濟效益明顯。

4 結(jié)論

(1)在非自重濕陷性黃土地層中，可以發(fā)揮非自重濕陷性黃土地層達到濕陷起始壓力前能夠承擔荷載的特點，采用CFG樁復(fù)合地基技術(shù)，發(fā)揮樁、土協(xié)同承擔荷載的作用，滿足建筑物對地基承載力和沉降控制的要求，技術(shù)上可行。

(2)經(jīng)濟性方面，在非自重濕陷性黃土地層中，采用CFG樁復(fù)合地基技術(shù)能夠大幅縮短工期，大幅降低地基處理造價，具有一定的經(jīng)濟效益和應(yīng)用價值。