CFG樁在某工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型中的應(yīng)用

楊鵬鵬

(山西建筑工程集團(tuán)有限公司，山西 太原 030002)

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基的簡(jiǎn)稱，由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，樁、樁間土和褥墊層（宜采用中砂、粗砂、級(jí)配砂石和碎石等，厚度宜為樁徑的0.4～0.6倍）一起構(gòu)成復(fù)合地基，樁土應(yīng)力比約為20～50%，樁間土承載力得到充分發(fā)揮，共同承擔(dān)基底壓力。按樁身材料，CFG樁可視作半剛性樁，實(shí)際上類似于低強(qiáng)度的素混凝土樁。常規(guī)情況下，CFG樁可僅布置在基底范圍內(nèi)，因?yàn)榛A(chǔ)荷載主要通過(guò)樁向下傳遞，而基礎(chǔ)外土層中的應(yīng)力不高。其不受場(chǎng)地的地下水位影響，適用于處理的地基土類型有粘性土、粉土、砂土和自重固結(jié)已完成的素填土地基，對(duì)于淤泥質(zhì)土應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性（文獻(xiàn)1認(rèn)為，CFG樁可處理樁端有硬土層且承載力特征值不低于70kPa的淤泥質(zhì)土）。

經(jīng)CFG樁處理的復(fù)合地基，具有地基承載力提高幅度大、地基變形小、施工速度快、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)及民用建筑中都有廣泛應(yīng)用。就適用的基礎(chǔ)形式而言，不僅適用于獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)，也可適用于筏形基礎(chǔ)（平板式、梁板式）、箱形基礎(chǔ)等。不僅可以處理承載力較低的地基，也可以處理雖然承載力較高但沉降變形較大（天然地基變形不滿足規(guī)范要求） 的地基。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

依據(jù)地勘報(bào)告，本工程地基土層分布如下：第1層雜填土：雜色，稍濕，稍密，粉質(zhì)粘土回填為主，含磚塊、碎石塊等；第2層粉質(zhì)粘土：黃褐色，可塑，中等壓縮性，位于第1層土之下，主要分布在場(chǎng)地西側(cè)；第2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰褐色～灰黑色，流塑狀，高壓縮性，局部含砂量較多，亦位于第1層土之下，主要分布在場(chǎng)地東側(cè)；第3層圓礫：雜色，稍密，卵石成分主要以石英砂巖與灰?guī)r為主，局部夾薄層粉質(zhì)粘土，充填物為粉質(zhì)粘土與中砂，位于第2、2層土之下；再往下第4～7層均為粉質(zhì)粘土：黃褐色～紅褐色，可塑～硬塑，中等壓縮性，各土層分布比較均勻，其中第7層土未揭穿。勘察期間地下水位穩(wěn)定在自然地面下3.70～4.20m之間，屬第四紀(jì)孔隙潛水，補(bǔ)給主要為大氣降水，排泄主要為蒸發(fā)與地下徑流，每年的7月中旬至10月上旬為豐水期，12月至來(lái)年2月為枯水期，抗浮設(shè)計(jì)水位為自然地面下1.5m。

場(chǎng)地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)影響工程穩(wěn)定的危巖、崩塌、采空區(qū)和活動(dòng)斷裂等不良地質(zhì)作用；本工程局部處位于古河道內(nèi)，該區(qū)域普遍為第2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，其力學(xué)性質(zhì)與河道外土層有明顯差異，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性處理后，方可認(rèn)為擬建場(chǎng)地位于地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定地段。建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類（土的類型為中軟土），場(chǎng)地土無(wú)濕陷性，可不考慮地震液化的影響。因位于古河道上，故將建筑場(chǎng)地劃分為對(duì)建筑抗震不利地段，本工程典型的巖土剖面詳見圖1。

圖1 典型的巖土剖面

1.2 結(jié)構(gòu)形式

本工程為某中學(xué)的學(xué)生宿舍樓，無(wú)地下室，平面輪廓、層數(shù)及房屋高度詳見圖2。因建筑平面呈“U”字型，平面不規(guī)則，層數(shù)及房屋高度也不同，故通過(guò)在適當(dāng)部位設(shè)置變形縫的方式，將建筑平面劃分為規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。具體來(lái)說(shuō)，設(shè)置變形縫（縫寬100mm，滿足建筑抗震縫的寬度要求）將建筑平面分成三部分（兩棟宿舍樓+一棟浴室），兩棟宿舍樓（結(jié)構(gòu)布置相同）采用抗震性能良好的鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，浴室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。依據(jù)現(xiàn)行建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，本工程的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類），應(yīng)按抗震設(shè)防烈度提高一度的要求采取抗震措施。

圖2 工程概況(室內(nèi)外高差0.25m)

根據(jù)本工程抗震不利地段的專家論證意見，應(yīng)提高上部結(jié)構(gòu)的抗震能力，需按水平地震影響系數(shù)最大值乘以增大系數(shù)的較大值（本工程采用1.4，抗震規(guī)范規(guī)定：應(yīng)根據(jù)不利地段的具體情況在1.1～1.6范圍內(nèi)采用）進(jìn)行抗震計(jì)算。經(jīng)計(jì)算分析可知，兩棟宿舍樓和浴室不存在薄弱部位，各項(xiàng)指標(biāo)及配筋結(jié)果均滿足規(guī)范要求；浴室為框架結(jié)構(gòu)，在罕遇地震作用下的薄弱層驗(yàn)算（樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)、彈塑性層間位移角）也滿足規(guī)范要求。同時(shí)，兩棟宿舍樓均采用鋼筋混凝土墻下條形基礎(chǔ)，浴室采用柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)并在首層地面的結(jié)構(gòu)標(biāo)高處設(shè)置雙向拉梁，三個(gè)結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)之間可靠拉結(jié)形成整體，確?；A(chǔ)的剛度較大和整體性較好，以利于下部基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，更加有效發(fā)揮結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2 基礎(chǔ)選型

2.1 場(chǎng)地分析

由于地震造成建筑物的破壞，除地震動(dòng)直接引起結(jié)構(gòu)破壞外，還有場(chǎng)地條件的原因，比如：地震引起的地表錯(cuò)動(dòng)與地裂，地基土的不均勻沉陷、滑坡和粉、砂土液化等。因此，選擇有利于抗震的建筑場(chǎng)地，是減輕場(chǎng)地引起地震災(zāi)害的第一道工序。

選擇建筑場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需要和地震活動(dòng)情況、工程地質(zhì)和地震地質(zhì)的有關(guān)資料，對(duì)抗震有利、一般、不利和危險(xiǎn)地段做出綜合評(píng)價(jià)。對(duì)不利地段，應(yīng)提出避開要求；當(dāng)無(wú)法避開時(shí)應(yīng)采取有效的措施。對(duì)危險(xiǎn)地段，嚴(yán)禁建造甲、乙類的建筑，不應(yīng)建造丙類的建筑。

因本工程位于抗震不利地段，故發(fā)函建議校方調(diào)整建筑場(chǎng)地，避開對(duì)建筑抗震不利地段。但校方回復(fù)，因工程整體規(guī)劃、建筑物面積大、河道影響范圍廣、建設(shè)工期緊等原因，無(wú)法滿足避開現(xiàn)有建筑場(chǎng)地的要求。為此，校方組織當(dāng)?shù)貙＜遥◣r土、結(jié)構(gòu)）、勘察、設(shè)計(jì)對(duì)本工程召開了專題評(píng)審會(huì)，與會(huì)專家對(duì)相關(guān)資料仔細(xì)分析、認(rèn)真討論，并提出論證意見。

本工程基礎(chǔ)持力層為第層雜填土（新近回填，土層成分復(fù)雜，物理力學(xué)性質(zhì)較差，為不均勻地基），天然地基承載力特征值為90kPa。依據(jù)現(xiàn)有建筑場(chǎng)地，首先排除天然地基（基礎(chǔ)持力層為雜填土）、換填墊層（淤泥質(zhì)土的最大厚度4.1m，大于換填墊層厚度宜為0.5～3.0m的規(guī)范要求）的可行性，嚴(yán)格執(zhí)行專家論證意見，重點(diǎn)對(duì)樁基（灌注樁、管樁）、CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行研究。

2.2 灌注樁

一般指鋼筋混凝土灌注樁，直接在所設(shè)計(jì)的樁位處開孔，然后加放鋼筋籠，再向孔內(nèi)澆筑混凝土而成。施工工藝的關(guān)鍵在于，施工時(shí)應(yīng)保證樁身成型和混凝土的澆筑質(zhì)量。由于具有施工簡(jiǎn)單、噪聲小、承載力高、樁徑大、適應(yīng)各類地質(zhì)條件等優(yōu)點(diǎn)，使得灌注樁基礎(chǔ)在土木工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，成為各類基礎(chǔ)類型中應(yīng)用最多的基礎(chǔ)形式之一。

由于該中學(xué)已處于正常使用階段，本工程為因校方需要而增加的新建工程，因此建設(shè)場(chǎng)地和施工條件受周邊環(huán)境影響較大。結(jié)合地勘巖土剖面，整個(gè)建筑場(chǎng)地大面積存在厚度約2m的圓礫土層（第層土），如采用灌注樁，施工至該土層范圍將因塌孔導(dǎo)致樁身無(wú)法成型。若想樁身成型：1）采用泥漿護(hù)壁，此工藝的施工需在建設(shè)場(chǎng)地的附近設(shè)置泥漿池（會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成一定的污染），由于建設(shè)場(chǎng)地受限，無(wú)設(shè)置泥漿池的空余場(chǎng)地，不具備灌注樁成型的施工條件；2）設(shè)置鋼套筒，由于沿樁身設(shè)置長(zhǎng)度較長(zhǎng)、且樁數(shù)較多，將會(huì)增加施工工序及難度，進(jìn)而導(dǎo)致施工工期和工程造價(jià)的增加。

還有，樁基計(jì)算一般不考慮樁間土受力，上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)荷載全部有樁身承擔(dān)。按現(xiàn)有地勘報(bào)告，勘探孔點(diǎn)深度無(wú)法滿足樁基承載力計(jì)算的要求，需要地勘單位二次進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)充勘察，一方面將延長(zhǎng)建設(shè)周期，另一方面也將間接增加工程造價(jià)。

2.3 管樁

通常指預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC），由于施工速度快、周期短，發(fā)展迅猛。管樁由專業(yè)廠家生產(chǎn)，樁身質(zhì)量容易得到保證，施工過(guò)程中不存在縮頸、夾泥等質(zhì)量問題。但也存在以下不足：1）限于運(yùn)輸條件，樁長(zhǎng)一般不超過(guò)12m，需分節(jié)制作，然后在沉樁過(guò)程中加以接長(zhǎng)，接樁處多是樁身的薄弱部位；2）沉樁過(guò)程中的擠土效應(yīng)常常導(dǎo)致接頭處斷樁、樁端上浮、沉降增大，對(duì)周邊建筑物和市政設(shè)施造成破壞等；3）管樁一般不能穿透硬夾層，往往使得樁長(zhǎng)過(guò)短，樁端持力層不理想，導(dǎo)致沉降過(guò)大；4）管樁的樁徑、樁長(zhǎng)、單樁承載力可調(diào)范圍小，不能或難于按變剛度調(diào)平原則優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，管樁的使用需要因地、因工程對(duì)象制宜。

若采用管樁，當(dāng)沉樁施工至圓礫土層時(shí)，將會(huì)遇到樁壓不下去而無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)的施工問題。雖然可采用引孔工藝施工，但整個(gè)場(chǎng)地范圍內(nèi)大多數(shù)樁位都需引孔施工，引孔數(shù)量較多，勢(shì)必會(huì)增加施工難度及工程造價(jià)，也會(huì)加長(zhǎng)施工周期。管樁作為樁基礎(chǔ)，同樣面臨現(xiàn)有地勘報(bào)告勘探孔點(diǎn)深度不滿足樁基承載力計(jì)算的問題。

2.4 CFG樁

設(shè)計(jì)時(shí)將基底外擴(kuò)2m的基槽范圍內(nèi)雜填土全部挖除至原狀土層，原土碾壓后，采用素土（如局部遇地下水，可在降水完成后，采用級(jí)配砂石換填至方便施工素土換填的標(biāo)高處）分層壓實(shí)至施工樁頂標(biāo)高處（壓實(shí)系數(shù)不小于0.94），然后采用CFG樁進(jìn)行地基處理。

專家論證意見建議，采用CFG樁復(fù)合地基時(shí)：1）應(yīng)對(duì)古河道內(nèi)、外按不同參數(shù)分別計(jì)算，古河道內(nèi)適當(dāng)增加樁長(zhǎng)，以第層粉質(zhì)粘土作為樁端持力層；2）可參考現(xiàn)行建筑樁基技術(shù)規(guī)范中變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念，古河道內(nèi)、外差異化的設(shè)計(jì)CFG樁；3）按各勘察孔點(diǎn)分別采用計(jì)算參數(shù)，計(jì)算地基變形并控制地基變形允許值；4）在古河道內(nèi)，除基礎(chǔ)范圍內(nèi)按計(jì)算布置CFG樁外，基礎(chǔ)外側(cè)各加一排樁，以增強(qiáng)建筑場(chǎng)地的整體性和抗震性能。

考慮到場(chǎng)地條件的特殊性，以及本工程為重點(diǎn)設(shè)防類，故將地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)確定為甲級(jí)。確定古河道內(nèi)、外的有效樁長(zhǎng)時(shí)，采用承載力與沉降變形雙指標(biāo)控制。CFG樁采用正三角形布置，樁徑0.4m，樁間距1.2m，古河道內(nèi)有效樁長(zhǎng)9.0m（樁端持力層為第層粉質(zhì)粘土，承載力特征值為160kPa），古河道外有效樁長(zhǎng)5.5m（樁端持力層為第層粉質(zhì)粘土，承載力特征值為150kPa），樁端均穿透對(duì)抗震不利的第2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（承載力特征值為90kPa，大于文獻(xiàn)1要求的70kPa）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的試樁結(jié)果，選用合適的施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)，樁體試塊28d的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不小于20.0N/mm，地基處理后要求古河道內(nèi)、外的單樁承載力特征值達(dá)到170kN，復(fù)合地基承載力特征值達(dá)到180kPa。

按照專家論證提出的要求，對(duì)本工程地基進(jìn)行了沉降變形的計(jì)算與分析，以合理控制地基變形的大小和沉降差。由計(jì)算結(jié)果得出，上側(cè)宿舍樓古河道內(nèi)最大沉降量為29.48mm，古河道外最大沉降量為39.26mm，沉降差為0.0014L；下側(cè)宿舍樓古河道內(nèi)最大沉降量為35.45mm，古河道外最大沉降量為26.60mm，沉降差為0.0013L；浴室柱基的最大沉降量為10.32mm，相鄰柱基最大沉降差為0.0007L；上述沉降差計(jì)算中，L為相鄰柱基的中心距離（mm）。各結(jié)構(gòu)單元的沉降量較小，最大沉降量不超過(guò)40mm，且沉降差均小于0.002L，滿足現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的沉降變形要求。為控制浴室獨(dú)基與兩棟宿舍樓條基的沉降差，獨(dú)基拉梁與宿舍樓連接部位，應(yīng)在宿舍樓相應(yīng)部位預(yù)留鋼筋，待宿舍樓沉降穩(wěn)定后再進(jìn)行施工。

此外，對(duì)本工程位于古河道內(nèi)、外區(qū)域的CFG樁分別進(jìn)行試樁和驗(yàn)收；適當(dāng)增加建筑物沉降觀測(cè)點(diǎn)（古河道內(nèi)、外均有）、施工及使用期間的觀測(cè)頻率和周期（基礎(chǔ)施工完成進(jìn)行一次，主體結(jié)構(gòu)每施工一層做一次，施工完畢后一年內(nèi)每隔三個(gè)月觀測(cè)一次，以后每隔六個(gè)月觀測(cè)一次，直至沉降穩(wěn)定），嚴(yán)格按照現(xiàn)行建筑變形測(cè)量規(guī)范的要求進(jìn)行沉降觀測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型，是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要組成部分，直接關(guān)系到工程造價(jià)、施工難度和工期。一般來(lái)說(shuō)，建筑地基基礎(chǔ)選型的優(yōu)先順序?yàn)樘烊坏鼗?、換填墊層、復(fù)合地基、樁基等，相應(yīng)的工程造價(jià)也依次由低到高。由于建筑場(chǎng)地具有地域性和特殊性，因此應(yīng)認(rèn)真研究地基的巖土性質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和周邊環(huán)境的實(shí)際情況，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后方可確定。

本文結(jié)合工程實(shí)例，考慮各種不利因素，對(duì)比分析灌注樁、管樁、CFG樁在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型中的應(yīng)用。研究得出，本工程選用CFG樁是合適的，不僅結(jié)構(gòu)安全可靠，而且經(jīng)濟(jì)效益明顯，更是得到了校方的認(rèn)可；同時(shí)表明，即使不同時(shí)期、不同地域的同一工程，選用何種地基基礎(chǔ)形式，都不是絕對(duì)的，而安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、因地制宜才是地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型的標(biāo)準(zhǔn)。