CFG樁地基處理在緊鄰深基坑等環(huán)境中的應(yīng)用

姚國(guó)鵬

（北京巖土工程勘察院有限公司，北京 100086）

0 引 言

建筑地基處理技術(shù)有很多種，包括換填墊層、預(yù)壓地基、壓實(shí)地基和夯實(shí)地基、復(fù)合地基、注漿加固、微型樁加固等。復(fù)合地基又分為振沖碎石樁、沉管碎石樁、水泥土攪拌樁、灰土擠密樁、夯實(shí)水泥土樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、柱錘沖擴(kuò)樁等多種形式[1]。

CFG樁復(fù)合地基由樁、樁間土及褥墊層3部分構(gòu)成，其加固機(jī)理為褥墊層受上部基礎(chǔ)荷載作用產(chǎn)生變形后以一定的比例將荷載分?jǐn)偨o樁及樁間土，使二者共同受力。同時(shí)土體受到樁的擠密而提高承載力，而樁又由于周?chē)恋膫?cè)應(yīng)力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一個(gè)復(fù)合地基的受力整體，共同承擔(dān)上部基礎(chǔ)傳來(lái)的荷載[2]。

CFG樁復(fù)合地基處理技術(shù)具有以下的特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛：能發(fā)揮樁間土的承載作用，地基承載力提高幅度大；應(yīng)用的土質(zhì)類(lèi)型和基礎(chǔ)形式廣；可選擇成樁機(jī)械類(lèi)型多；施工簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、成樁質(zhì)量好、工期短、經(jīng)濟(jì)效果好。

1 CFG樁地基處理在本工程中應(yīng)用

1.1 工程概況

擬建工程分南北兩部分，南區(qū)為地上8層，地下3層，高度35.7 m；北區(qū)為地上6層，地下1層，高度27.0 m。兩者結(jié)構(gòu)外墻凈間距325 mm。南區(qū)基坑開(kāi)挖深度-14.80 m，與北區(qū)緊鄰區(qū)域采取樁錨支護(hù)方案。支護(hù)樁樁徑600 mm，樁間距1.20 m；鋼筋籠主筋 12Φ25，架力筋 Φ16@2 000，箍筋Φ8@200，樁體強(qiáng)度 C25；設(shè)置 3道錨桿，長(zhǎng)度分別為22 m、24 m、27 m。北區(qū)地下1層，基礎(chǔ)埋深-5.5 m。據(jù)勘察報(bào)告，基底位于②粉質(zhì)黏土層，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值90 kPa（局部基底位于①粉質(zhì)黏土-黏質(zhì)粉土素填土層，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值按50 kPa考慮）。

北區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求為：條形基礎(chǔ)，地基承載力不小于360 kPa，沉降不大于50 mm，建筑物最大傾斜不大于0.002?；A(chǔ)平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 基礎(chǔ)平面圖Fig. 1 Foundation plan

1.2 工程地質(zhì)情況

據(jù)勘察報(bào)告，各地層參數(shù)如表1。

表1 各地層土質(zhì)參數(shù)表Table 1 Soil parameters of each layer

1.3 地基處理的難點(diǎn)

據(jù)勘察報(bào)告，北區(qū)基底位于②粉質(zhì)黏土層，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值90 kPa（局部基底位于①粉質(zhì)黏土-黏質(zhì)粉土素填土層，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值按50 kPa考慮），天然地基承載力不滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，需要進(jìn)行地基處理。

本工程地基處理需考慮以下問(wèn)題：

（1）局部基底持力層為①粉質(zhì)黏土-黏質(zhì)粉土素填土層，需進(jìn)行換填處理。

（2）南北區(qū)結(jié)構(gòu)外墻凈間距325 mm，南區(qū)基坑緊鄰北區(qū)的支護(hù)結(jié)構(gòu)為混凝土灌注樁，該位置的樁處于北區(qū)基礎(chǔ)下方，且相應(yīng)部位肥槽也位于地基處理范圍內(nèi)。

（3）南區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨桿（共3道）進(jìn)入地基處理范圍內(nèi)，影響正常CFG樁施工。

2 CFG樁地基處理設(shè)計(jì)

2.1 地基處理設(shè)計(jì)思路

綜合考慮本項(xiàng)目場(chǎng)地情況，采取如下處理措施：

（1）人工填土層地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值按 50 kPa考慮。在 CFG樁施工前應(yīng)將此部位基底的填土全部清除，用2∶8灰土夯實(shí)換填后再施工CFG樁，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際填土深度和土質(zhì)確定換填深度。灰土壓實(shí)系數(shù)不小于0.95，地基承載力不小于90 kPa。

（2）南區(qū)基坑緊鄰北區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)樁樁徑600 mm，樁間距1.20 m，鋼筋籠主筋12Φ25，樁體強(qiáng)度C25，支護(hù)樁樁長(zhǎng)25.50 m。因南側(cè)基坑支護(hù)的需要，支護(hù)樁布置在地基處理段的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之下，若不破碎清除可能在地基處理后造成北區(qū)地基不均勻沉降，但現(xiàn)階段若全部破碎清除該段支護(hù)樁需要花費(fèi)很大成本。經(jīng)綜合考慮，決定對(duì)其進(jìn)行有效利用，北區(qū)地基處理擬全部采用CFG樁形式,并將支護(hù)樁替代該部位 CFG樁，通過(guò)布樁間距進(jìn)行置換率調(diào)整等使得兩者的復(fù)合地基承載力一致，能較好控制不同地基處理方式帶來(lái)的不均勻沉降。

支護(hù)樁截去北區(qū)基底標(biāo)高以上部分，有效樁長(zhǎng)20.85 m。南區(qū)的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到后期北區(qū)可能要進(jìn)行的地基處理，減小了本段地下結(jié)構(gòu)施工的工作面，將支護(hù)樁布置在條形基礎(chǔ)的下方，本段基坑的肥槽采用級(jí)配砂石分層回填處理。

（3）南區(qū)基坑完成回填后，再進(jìn)行北區(qū) CFG樁施工。南區(qū)3排支護(hù)錨桿深入北區(qū)地層內(nèi)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，旋挖鉆機(jī)成孔可以切割錨桿，結(jié)合旋挖鉆機(jī)成孔情況，本工程擬采取樁徑 800 mm的CFG樁、旋挖鉆機(jī)成孔的施工工藝成樁。

2.2 CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)取值

根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)情況，南區(qū)基坑緊鄰北區(qū)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)樁樁底位于⑤細(xì)砂、中砂層，較為合適；其余部位選?、芗?xì)砂、中砂層作為樁端持力層，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)19.5 m。CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 CFG樁設(shè)計(jì)參數(shù)取值表Table 2 Design parameters of CFG pile

2.3 單樁豎向承載力特征值的確定

（1）樁徑800 mm的CFG樁單樁豎向承載力選用樁徑Φ800，取有效樁長(zhǎng)19.50 m，單樁承載力由式（1）計(jì)算[3]：

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；up為樁的截面周長(zhǎng)，0.8×3.14=2.512 m；qsi為第i層樁周土的極限側(cè)阻力特征值，kPa；lpi為第i層土的厚度，m；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，這里取1；qp為樁端端阻力特征值，kPa；Ap為樁的截面面積，取0.502 655 m2；K為安全系數(shù)，取K=2。

結(jié)合土質(zhì)情況，選取勘察孔1號(hào)孔、6號(hào)孔和7號(hào)孔反映的土質(zhì)參數(shù)計(jì)算單樁豎向承載力特征值，見(jiàn)表3。

表3 單樁承載力特征值計(jì)算參數(shù)表Table 3 Parameters for the calculation of characteristic value of single pile bearing capacity

（2）樁徑600 mm的支護(hù)樁單樁豎向承載力支護(hù)樁樁徑Φ600，取有效樁長(zhǎng)12.00 m（南區(qū)開(kāi)挖范圍內(nèi)承載力折算），經(jīng)計(jì)算單樁承載力為571 kN（計(jì)算過(guò)程省略）。

2.4 地基處理設(shè)計(jì)成果

通過(guò)計(jì)算置換率確定樁間距，確定樁身強(qiáng)度，驗(yàn)算復(fù)合地基承載力（計(jì)算過(guò)程省略）[1]，本工程地基處理設(shè)計(jì)成果見(jiàn)表4。

表4 地基處理設(shè)計(jì)成果表Table 4 Design results of foundation treatment

樁徑800 mm的CFG樁樁端位入第④層細(xì)砂-中砂層，有效樁長(zhǎng) 19.50 m，單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值981 kN；南區(qū)基坑支護(hù)樁代替相應(yīng)位置CFG樁，有效樁長(zhǎng)20.85 m，單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值571 kN，樁體材料均為C25混凝土。

本工程深基坑段與地基處理段相對(duì)位置關(guān)系及CFG樁設(shè)計(jì)布置情況見(jiàn)圖2，南區(qū)3排支護(hù)錨桿深入北區(qū)基底地層內(nèi)。南區(qū)基坑回填后開(kāi)挖北區(qū)地基處理段基坑，支護(hù)樁清理后作為 CFG樁，施工照片見(jiàn)圖 3。樁間土清理、樁頭鑿平施工照片見(jiàn)圖4，鄰近結(jié)構(gòu)為南區(qū)地上結(jié)構(gòu)。

圖2 深基坑段與地基處理段相對(duì)位置及CFG樁布置圖Fig. 2 Relative position of deep foundation pit section and foundation treatment section and layout of CFG pile

圖3 支護(hù)樁清理后作為CFG樁的位置圖Fig. 3 Position drawing of CFG pile after support pile cleaning

圖4 樁間土清理、樁頭鑿平Fig. 4 Clearance of soil between piles and chiseling of pile head

褥墊層厚度300 mm，材料為粒徑不大于30 mm的碎石，褥墊層夯填度不大于0.90。鋪設(shè)范圍為墊層頂面每邊超出基礎(chǔ)底邊緣300 mm。

2.5 沉降量驗(yàn)算及傾斜驗(yàn)算

采用“理正巖土工程計(jì)算分析軟件”——地基處理計(jì)算模塊——CFG樁法（水泥粉煤灰碎石樁法）計(jì)算（計(jì)算過(guò)程省略），結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 沉降驗(yàn)算結(jié)果表Table 5 Settlement checking results

基礎(chǔ)寬度21.95 m，傾斜計(jì)算（6.53-2.14）/21 950=0.000 2≤0.002，傾斜滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

本工程因南側(cè)基坑支護(hù)的需要，支護(hù)樁布置在本次地基處理段的基礎(chǔ)下，而 CFG樁復(fù)合地基中的樁視為天然土體的增強(qiáng)體，樁與土體共同承受上部荷載，支護(hù)樁替換的CFG樁與一般區(qū)域的CFG樁的單樁承載力不同，通過(guò)布樁間距進(jìn)行置換率調(diào)整等，使得兩者的復(fù)合地基承載力一致，且因鋪設(shè)褥墊層的作用，能有效調(diào)整樁土荷載的分擔(dān)，減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中，能較好控制不同地基處理方式帶來(lái)的不均勻沉降。

3 樁檢測(cè)和建筑物沉降觀測(cè)

3.1 樁檢測(cè)

CFG樁施工完成28 d后，本工程進(jìn)行了復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)和單樁靜載荷試驗(yàn)，并用低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試樁身完整性。

（1）靜載荷試驗(yàn)

本工程兩種樁型各完成3個(gè)點(diǎn)的復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和單樁載荷試驗(yàn)，分別在基礎(chǔ)的北段、中段和南段隨機(jī)選取樁位為測(cè)點(diǎn)。

復(fù)合地基試驗(yàn)點(diǎn)最大加載壓力為 720 kPa，其p-s曲線均為平緩的光滑曲線（見(jiàn)圖5）。在最大加載壓力作用下，累計(jì)沉降量最大為11.8 mm。試驗(yàn)組中1號(hào)點(diǎn)進(jìn)行卸載試驗(yàn)，回彈量為3.0 mm，殘余量為8.8 mm，回彈率為25.4%，以上情況說(shuō)明在最大加載壓力作用下未達(dá)到極限狀態(tài)。

圖5 復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)p-s曲線圖Fig. 5 p-s curve of static load test of composite base

（2）低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試

經(jīng)低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)，檢測(cè) 76根樁，均樁身完整，其中I類(lèi)樁63根，II類(lèi)樁13根，為輕微縮徑和擴(kuò)徑情況，沒(méi)有III類(lèi)和IV類(lèi)樁。檢測(cè)時(shí)域曲線圖如圖6。

圖6 低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試時(shí)域曲線圖Fig. 6 Time domain curve of low strain dynamic test

通過(guò)靜載荷試驗(yàn)和樁身完整性檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，本工程 CFG 樁布置滿(mǎn)足本工程的承載力要求，施工方的現(xiàn)場(chǎng)管理效果較好，沒(méi)有出現(xiàn)III、IV類(lèi)樁，從而進(jìn)一步縮短工期，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 沉降觀測(cè)

在主體施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)封頂前每層測(cè)1次，結(jié)構(gòu)封頂后每3個(gè)月測(cè)1次，沉降量和差異沉降滿(mǎn)足要求?？⒐ず竺堪肽暧^測(cè)1次，觀測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)匯總，最大沉降點(diǎn)沉降量為8.7 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的最大沉降要求，平均沉降量為6.5 mm，滿(mǎn)足要求。

4 CFG樁等復(fù)合地基在荷載作用下的變形機(jī)理分析

復(fù)合地基處理可采用多種方法，形成的復(fù)合地基在荷載作用下的變形機(jī)理也有較大差異，一般剛、柔性樁作為增強(qiáng)體區(qū)別主要是樁體剛度不同，除了樁體的材料模量外，樁的長(zhǎng)徑比L/d及樁土模量比都會(huì)影響增強(qiáng)體承受荷載的性狀[4-5]。

對(duì)于復(fù)合地基，一般柔性樁樁體材料為散粒（如砂樁、碎石樁等）時(shí)，樁身黏聚力很小，依靠周?chē)馏w的約束力形成樁體，一般情況下，碎石樁在樁頂2～3 d區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū)，會(huì)產(chǎn)生較大側(cè)向變形，即使增加樁長(zhǎng)，荷載也很難通過(guò)樁身傳遞到深層土體，故柔性樁對(duì)地基承載力提高幅度不大[6]。當(dāng)復(fù)合地基樁身為水泥土樁等時(shí)，樁體模量變化對(duì)承載力影響較大，隨著水泥摻量的提高，樁身黏結(jié)強(qiáng)度的增大，樁身承擔(dān)的荷載逐漸增大，樁間土承擔(dān)的荷載比例逐漸減小，當(dāng)樁為半剛性樁或剛性樁時(shí)，樁體模量的增大對(duì)樁間土所承擔(dān)應(yīng)力的影響變得很小。剛性樁樁身承擔(dān)的荷載通過(guò)樁表面的摩擦力和樁端阻力傳遞到地基土中去，也使得上部荷載能傳到更深廣的土層中區(qū)，能更好提高復(fù)合地基承載力并控制地基變形。

王飛等[7]試驗(yàn)研究，在保持荷載不變的情況下，樁體豎向位移隨樁體模量的增大而減小。樁體模量較小時(shí)，樁頂位移大，樁端位移小，也就是樁體變形較大，隨著樁體模量的增大，樁頂位移逐漸減小，而樁端位移逐漸增大，樁體變形越來(lái)越小，當(dāng)樁體模量較小時(shí)，隨著樁體模量的增加，樁土應(yīng)力比增加的幅度比較大，當(dāng)樁體模量較大時(shí)，隨著樁體模量的增加，樁土應(yīng)力比的增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，最后趨向于一個(gè)定值。研究表明，樁體模量在5×109～2.2×1010Pa時(shí)，樁土應(yīng)力比隨著樁體模量的增加而增加，當(dāng)樁體模量超出上述范圍時(shí)，繼續(xù)增加樁體模量對(duì) CFG樁復(fù)合地基受力和變形的影響已不明顯。本工程CFG樁樁身材料為C25混凝土，彈性模量為2.8×1010Pa，可以判定為剛性樁，與支護(hù)樁替代的 CFG樁在復(fù)合地基中的作用機(jī)理會(huì)較為一致。

另外，復(fù)合地基由于存在褥墊層的作用，上部荷載由樁土共同承擔(dān)，當(dāng)上部荷載較小時(shí)，樁土應(yīng)力比較小，樁頂?shù)纳洗倘肓看笥跇抖说南麓倘肓?，表明樁周土體承擔(dān)了較多的荷載發(fā)生了沉降，而樁承擔(dān)荷載較小。當(dāng)上部荷載持續(xù)增大時(shí)，剛性樁承擔(dān)的荷載會(huì)快速增大，樁體會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，樁端的下刺入量的發(fā)展速度明顯大于樁頂?shù)纳洗倘肓康陌l(fā)展速度。接近樁的最大承載力時(shí)，樁的沉降快速增大，樁的下刺入量會(huì)遠(yuǎn)大于樁頂?shù)纳洗倘肓?，下刺入量占加固層壓縮的主導(dǎo)地位。當(dāng)超過(guò)極限荷載時(shí)，樁身的側(cè)阻和端阻已完全發(fā)揮，達(dá)到極限承載力后，樁身發(fā)生急劇沉降，樁間土承擔(dān)荷載達(dá)到土體的極限承載力，從而發(fā)生復(fù)合地基破壞[8-9]。

一般來(lái)說(shuō)，荷載作用下，復(fù)合地基的承載力和變形與其本身的結(jié)構(gòu)形式和增強(qiáng)體材料性質(zhì)有較大關(guān)系。CFG樁樁長(zhǎng)較長(zhǎng)、樁體剛度大，有利于調(diào)動(dòng)和發(fā)揮樁側(cè)土體的承載性能，能提高地基承載力，減小變形，但如果過(guò)大就不能充分發(fā)揮樁間土的承載作用[10]，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，一般根據(jù)設(shè)計(jì)要求和地層性質(zhì)選擇合適的樁長(zhǎng)、樁徑和樁間距。

5 結(jié)論和展望

通過(guò)靜載荷試驗(yàn)確定，本項(xiàng)目復(fù)合地基和單樁承載力均滿(mǎn)足要求，CFG樁的成樁質(zhì)量也較好。結(jié)合施工方法的選擇及質(zhì)量動(dòng)態(tài)控制，CFG復(fù)合地基處理技術(shù)在本工程應(yīng)用是合適的。本工程采用樁徑800 mm的 CFG樁和將部分原支護(hù)樁代替該部位CFG樁的組合地基處理形式，工程效果較好，希望可作為鄰近深基坑等周邊環(huán)境復(fù)雜的地基處理工程實(shí)例借鑒。

復(fù)合地基在荷載作用下的變形機(jī)理隨條件不同而改變。如剛性樁的長(zhǎng)度及模量和樁間距的變化、褥墊層的厚度及模量的改變、加固層及下臥層的土體性質(zhì)的不同、基礎(chǔ)的寬度和剛度的不同等，它們對(duì)復(fù)合地基承載力的影響程度也不同。

現(xiàn)階段，隨著 CFG樁應(yīng)用越來(lái)越多，采用變徑 CFG樁、多種處理方法組合使用等工程也逐漸出現(xiàn)，另外，研究樁、土、承臺(tái)相互作用，改進(jìn)復(fù)合地基承載力和變形計(jì)算理論與方法，也是地基處理優(yōu)化設(shè)計(jì)新的發(fā)展和研究方向，希望隨著相關(guān)研究和工程實(shí)踐的展開(kāi)，CFG樁地基處理的應(yīng)用前景越來(lái)越廣闊。