CFG樁復合地基在高層住宅基礎中的應用

徐 硌 上海鐵路局蚌埠土地房產管理所

在合肥鐵靜園二期安居工程中，其中二棟是32層框剪結構住宅樓，根據地質鉆探資料，地貌單元為江淮丘陵，微地貌為崗地。主要由第四系（Q3）沖洪積粘性土構成上覆土層，場地土層分布自上而下為：一層雜填土（Qml）[層厚1.50~3.00(m)]；二層粘土（Q3al+pl）[層厚3.00~4.20(m),是合肥地區較為典型的膨脹土]；三層粘土（Q3al+pl）[層厚20.00~21.50(m),干強度及韌性高]；四層粉質粘土（Q3al+pl）[層厚8.00~9.00(m),該層底部為泥質砂巖風化殘積成分復雜]；五層強風化泥質砂巖（K）[層厚2.40~3.10(m),該層密實狀態，很濕，巖體破碎，結構疏松，可見石英、云母等礦物]；六層中風化泥質砂巖（K）[未鉆穿,本次最大鉆深7.20m，巖石質量指標RQD較好，巖石天然單軸極限抗壓強度平均值小于5MPa]。地質勘察單位根據鉆探結果，提供三種基礎方案：筏板基礎、預應力管樁基礎、復合地基。建設指揮部會同設計單位、勘察單位一起根據現場軟弱層厚度較均勻、層底平緩（坡度≤5%），無液化土層，建筑平面較規則等特點，并經過對造價、工期以及施工場地處在居民區等條件的比選優化后，最終確定采用CFG樁復合地基方案。

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁 (cement fIying-ash gravel pile)的簡稱。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌和形成的高粘結強度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復合地基，無論樁端落在一般土層還是堅硬土層，均可保證樁間土始終參與工作。由于樁體的強度和模量比樁間土大，在荷載作用下，樁頂應力比樁間土表面應力大。樁可將承受的荷載向較深的土層中傳遞并相應減少了樁間土承擔的荷載。這樣，由于樁的作用使復合地基承載力提高，變形減小，再加上CFG樁不配筋，樁體利用工業廢料粉煤灰作為摻和料，大大降低了工程造價。CFG樁復合地基是目前應用比較廣泛的地基處理方法之一，具有承載力提高幅度大，施工周期短，造價低廉，特別是當CFG樁施工時采用長螺旋鉆孔管內泵壓CFG樁混合料施工工藝時，更具有施工無泥漿和噪音污染的優點。

1 CFG樁設計復核驗算

1.1 樁徑

CFG樁樁徑的確定取決于所采用的成樁設備，一般設計樁徑為350～600(mm)。本工程采用長螺旋鉆機成孔管內泵壓砼灌注樁的施工工藝，取樁徑d=410mm。

1.2 樁長

該場地主要為天然基礎持力層、受力層三層粘土的壓縮系數在0.07～0.177之間，為中低壓縮性土；前期固結壓力Pc為 380～880(kPa)，其超固結比 DCR 為 1.9～5.6，屬超固結土，且地基土分布均勻、厚度大是CFG樁良好的天然基礎持力層及樁端持力層，四層粉質粘土埋深較深，為良好的下臥層及樁端持力層。規范要求：在軟土地區采用CFG樁復合地基方案時，樁端一般應落在好的土層上（詳見圖1）。同時，按照公式Rk=[fsp-αβ(1-m)fk]Ap/m，求得Rk值后進行復核驗算。根據以上結果，選擇三層粘土層為持力層，有效樁長L=15m。

圖1 CFG樁剖面圖

1.3 樁距

樁距應根據設計要求的復合地基承載力、土性、施工工藝等確定。一般間距S=（3～5）d。當樁距小于4d后，復合地基承載力的增長明顯下降，一般以4d間距為宜。綜合以上因素及施工時相鄰樁之間的影響，最終選定樁間距S=1.60m，沉降縫部位樁間距S=1.425m（詳見圖2）。

圖2 樁位布置圖

1.4 樁體強度

原則上樁體配比按樁體強度控制，樁體試塊抗壓強度應滿足下式要求：式中：

fcu--樁體混合料試塊（邊長1500mm立方體）標準養護28天立方體抗壓強度平均值（kPa）；

Ra--單樁承載力特征值（kPa）；

Ap--樁體橫截面積（m2）；

設計確定樁的設計抗壓強度為C25，滿足實際要求。

1.5 樁數

np--理論布樁數；

A--基礎底面積（m2）；

Ap--樁體橫截面積（m2）。

1.6 褥墊層設置

褥墊層材料采用硬質巖破碎碎石，粒徑在5～16mm。褥墊層厚度一般為100～300(mm)。如厚度過小，樁對基礎將產生很顯著的應力集中，需考慮樁對基礎的沖切，勢必導致基礎加厚。如果基礎承受水平荷載作用，可能造成復合地基中樁發生斷裂。由于褥墊層厚度過小，樁間土承載力不能充分發揮，要達到實際要求的承載力，必然要增加樁的數量或樁的長度，造成經濟上的浪費。唯一帶來的好處是建筑物的沉降量小。褥墊層厚度過大，會導致樁、土應力比等于或接近于1，此時樁承擔的荷載太少，復合地基中樁的設置就失去了意義，這樣設計的復合地基承載力不會比天然地基有較大的提高，而且建筑物的變形也大。在考慮到技術上的可靠和經濟上的合理基礎上，確定厚度為200mm。褥墊層壓實度為0.87～0.90，施工時先鋪225mm厚再壓至200mm。

褥墊層的加固范圍要比基底面積大，其四周寬出基底的部分不宜小于褥墊層的厚度，因此要求每邊超出基礎部分不小于200mm。

1.7 泵送砼配合比

泵送砼配合比計算和試配除按普通砼配合比設計的計算與試配的規定外，還應符合以下規定：

⑴砼的可泵性，10s時的相對壓力泌水率S10不宜超過40%；

⑵泵送砼的水灰比宜為0.4～0.6；

⑶泵送砼的砂率宜為35%～45%；

⑷泵送砼的最小水泥用量（含礦物摻合料取代水泥）宜為300kg/m3；

⑸泵送砼應摻和泵送劑或減水劑，摻引氣型外加劑時，砼含氣量不宜大于4。

2 復合地基承載力驗算

fspk--復合地基承載力特征值（kPa）；

Ra--單樁承載力特征值（kPa）；

Ap--樁體橫截面積（m2）；

fsk--天然地基承載力特征值，按當地經驗取值，如無經驗時可取天然地基承載力特征值（kPa）；

β--樁間土承載力折減系數，β=0.75～0.95，本工程中取0.8；

當采用單樁荷載試驗時，應將單樁豎向極限承載力除以安全系數k，一般取k=2。

up--樁截面周長（m）；

n--樁長范圍內所劃分的土層數；

qsi--樁周第i層土的側阻力極限值（kPa）；

qp--樁端阻力極限值（kPa）；

Ap--樁體橫截面積（m2）；

li--第 i層土的厚度（m）。

計算得Ra=[2.575×(34×0.6+38×16)+850×0.132]/2=865.165(kN);

fspk=0.064×865.165/0.132+0.8(1-0.064)×320=659.086(kPa)。

3沉降驗算

一般情況下CFG樁復合地基沉降由三部分組成（詳見圖3）。一是加固深度范圍內的壓縮變形S1；二是下臥變形S2；三是褥墊層變形S3。由于S3數量很小可忽略不計，則有：

復合地基的分層與天然地層相同，各復合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ倍。

按復合模量法計算加固區和下臥層的變形：

式中：

ψs--變形計算經驗系數，根據當地沉降觀測資料及經驗確定，也可根據規范查表確定；

Esi--第i層土的壓縮模量；

ΔPoi--荷載Po在第i層土中產生的平均附加應力；

hi--第i層土的分層厚度；

n1--加固區分層數；

n2--總的分層數；

fspk--復合地基承載力特征值（kPa）；

fak--基礎底面下天然地基承載力特征值（kPa）。

圖3 復合地基沉降計算示意圖

變形計算經驗系數ψ根據規范查表確定：

Ai--第i層土附加應力系數沿土層厚度的積分值；

Esi--基礎底面下第i層的壓縮模量值（kPa），樁長范圍內的復合土層按復合土層的壓縮模量取值。

以上經過驗算顯示，經CFG樁處理后的場地地基能夠滿足規范要求。

4 CFG樁施工工藝

4.1 樁定位放樣

CFG樁施工前應將場地開挖至-5.60m處，并且應當壓實、平整。依據施工平面圖、規劃控制點復核測量基線、水準點及樁位、CFG樁的軸線定位點。軸線控制點埋設標志：控制建筑物總體尺寸的軸線引出木樁用混凝土固定80cm深。對樁位先用圓鋼釬打孔深度不小于300mm、孔中灌入石灰粉末，后插入竹簽作為樁定位標志。主軸線控制網允許偏差小于20mm，樁位偏差不得大于60mm。

4.2 鉆孔

鉆孔前用1：1水泥砂漿潤滑砼泵送管及鉆桿內壁。鉆頭對準樁位，成樁偏差控制在規范要求范圍內，并保證鉆架垂直度偏差在1%以內。根據施工圖紙和地質資料，制定可行的進尺、速度，不斷地觀察各種變化，掌握好鉆進深度，注意鉆桿的傾斜度，若發生斜孔時應采取相應的措施進行處理，鉆機下鉆的速度及鉆進過程中的地質情況應做好記錄，發現異常立即上報。在鉆至設計樁底標高后，經監理工程師和質檢員復核無誤后，可進行下步工序施工。

4.3 混凝土灌注成樁

采用管內泵壓工藝，鉆桿提升與灌注同時進行。鉆桿提升與砼輸送速度同步，并使鉆頭保持在砼內尺寸1.0m以上（即鉆桿內始終保持砼高度大于1.5m），防止提空，保證砼澆注質量，充盈系數控制在1.1以上。

4.4 樁頭處理

打樁棄土和保護土層清至設計標高后，用大錘沿水平方向兩兩相對同時擊打鋼釬，將樁頭截斷，嚴禁用鋼釬向斜下方或單向擊打樁身。樁頂標高若低于設計標高，先將樁頂修平鑿毛，用比樁身材料強度高一個等級的素砼（C30）接樁至設計樁頂標高。

4.5 砼試塊制作

根據工程樁施工特點，每天每班隨機取樣三次，每次做試塊1組（每組3塊）；且試塊應注明砼強度等級、成型日期及代表樁號；試塊做好后現場養護28天時送到指定的材料試驗室做強度試驗。

4.6 質量檢驗

復合地基檢測應在樁體強度滿足試驗荷載條件時進行，一般宜在施工結束2-4周后，隨機抽測總樁數的0.5～1%且不少于3個點做復合地基靜載試驗，檢測復合地基承載力特征值。靜載試驗的壓板尺寸按1600×650確定，加載值不應小于2倍的特征值，加載等級可分為10級。因本工程為高層建筑，應抽取總樁數的10%進行底應變動力檢測，檢驗樁身結構完整性。

5 結束語

本工程的實踐證明，高層建筑采用CFG復合地基技術后，大幅度提高了地基承載力，縮短了工期，降低了造價，特別是當CFG樁施工時采用長螺旋鉆孔管內泵壓CFG樁混合料施工工藝時，更具有無泥漿和噪音污染的優點。它與傳統的樁基設計相比，樁的數量可以大大減少，加上CFG樁不配筋，樁體利用工業廢料粉煤灰作為摻和劑，降低了工程造價，使工程基礎造價降低1/3～1/2；工期也僅用22天就全部完成樁基工程，為集資建房工作目標的實現打下了堅實的基礎，取得了非常顯著的經濟效益和社會效益。