CFG樁復合地基的基本原理及工程應用

李 培

（山西省地質勘查局二一七地質隊水工環技術中心，山西 大同 037008）

近年來，隨著地基處理技術的發展，復合地基技術在工程中得到了越來越多的廣泛應用。特別是CFG樁復合地基是近幾年來出現的一種新型的地基加固技術，因其費用低、施工工藝簡單、施工速度快和適應性強等優點而得到廣泛的推廣和應用。其樁體材料采用碎石、砂（石屑）、粉煤灰、水泥等材料加水配合而成，目前常采用螺旋鉆機或振動沉管樁機等設備進行成孔。樁體與樁間土及褥墊層三部分構成的承載力較高的 CFG樁復合地基。

CFG樁適應于多層建筑、高層建筑的地基處理，處理的地基土包括：雜填土、素填土、新近沉積土、淤泥、淤泥質土及一般承載力較低的黏性土、粉土、砂土、黃土等。對高層建筑除了上述土層外，還包括一些承載力較高，但不能滿足上部結構要求的黏性土、粉土、砂土或者用于控制高層建筑與裙房之間的差異沉降（高層與裙房基礎不設沉降縫），在高層建筑地基中也常采用CFG樁復合地基。

1 CFG樁復合地基原理

在CFG樁復合地基中，上部結構傳來的荷載是由CFG樁體、樁間土和褥墊層共同承擔的。褥墊層將上部基礎傳來的基底壓力或水平力通過適當的變形以一定的比例分配給樁及樁間土使二者共同受力，同時樁間土由于樁的擠密作用提高了承載力，而樁又由于周圍土體的側應力的增加而改善了受力性能。下面就CFG樁復合地基中的樁體、樁間土和褥墊層的作用機理進行分析討論。

1.1 樁的加固作用

1.1.1 對地基土具有一定的擠密作用

對于填土、松散粉細砂、粉土，由于振動沉管CFG樁的振動和側向擠壓作用使樁間土孔隙比減小，含水量降低，土的干密度和內摩擦角有所增加，土的物理力學性能得到改善，從而提高樁間土的承載力。

1.1.2 樁體的排水作用

CFG樁復合地基在成樁初期，因樁孔內和周邊充填過濾性較好的粗顆粒填料，在地基中形成了滲透性能良好的人工豎向排水、減壓的通道，使孔隙水沿樁體向上排出，可以有效地消散和防止振沖產生的超孔隙水壓力的增高，加速地基的排水，這種排水作用不但不會降低樁體強度，而且可以使土體強度恢復并超出原土體天然承載力。

1.1.3 預震效應

CFG樁復合地基成樁過程中，振沖器以一定的振動頻率或沖擊水平向加速激振土體，使填料和地基土在提高相對密實度的同時獲得強烈的預震。提高了砂土抗液化能力。

1.1.4 樁的置換作用

CFG樁中的水泥經水解和水化反應以及與粉煤灰的凝硬反應，生成不溶于水的穩定結晶化合物，它能使樁體的抗剪強度和變形模量大大提高，所以在荷載作用下，CFG樁的壓縮性明顯比樁間土小，因此，基礎傳給復合地基的附加應力，隨地層的變形逐漸集中到樁體上，出現了應力集中現象。大部分荷載將由樁周和樁端承受，樁間土應力相應減小，于是復合地基的承載力比原有地基承載力有所提高。

1.2 褥墊層的作用

1.2.1 減小和減緩基礎底面的應力集中

當樁頂與基礎間不設褥墊層，樁頂直接與基礎接觸的 CFG樁對基礎的應力集中和鋼筋混凝土對承臺或樁上基礎應力集中現象類似，設計時需要考慮樁對基礎的沖切破壞，造成基礎尺寸的增加，如果設置一定厚度的褥墊層，由于褥墊層產生應力擴散作用，使基底的應力擴散范圍增大，相應應力集中減小。有試驗研究表明：當厚度等于零時，樁對基礎的沖切相當明顯，隨著褥墊層厚度的增加 CFG樁對基礎的沖切逐漸減小，當厚度大于300 nm時應力集中已經很小，設計時不考慮樁對基礎的集中應力。

1.2.2 保證CFG樁共同承擔荷載

在CFG樁復合地基中，由于基礎是通過褥墊層與樁和樁間土進行聯系。故當基礎承受荷載時先傳給褥墊層，通過褥墊層傳給樁和樁間土，由于褥墊層的存在，樁可以向上刺入。樁頂上的墊層材料在受壓的同時會擠向周圍樁間土，以保證在任一荷載下樁和樁間土始終參與工作，樁間土首先承受較多荷載并發生沉降變形。隨著樁間土沉降的增大，樁間土會不斷地將荷載通過樁側摩阻力傳遞給樁。因此，褥墊層能保證樁間土在任意荷載作用下都始終參與工作，并最大限度地發揮其承載力。

當樁頂與基礎間不設褥墊層，樁頂直接與基礎相接觸時，樁與樁間土的變形相同，由于樁的變形模量遠大于土的變形模量，受荷載后，絕大部分荷載由樁承擔，樁間土承擔的荷載很少，隨著荷載的增加，樁的沉降增加，此時，樁間土也承擔了一定的荷載增量。

基礎和樁之間設置一定厚度的褥墊層，在上部荷載作用下，樁間土的抗壓強度小于樁的抗壓強度，樁頂出現應力集中，由于褥墊層在受壓時具有塑性，褥墊層中與樁接觸的部分產生壓縮量，其他部分也向下移動，壓縮樁間土，使其發揮作用。褥墊層的作用就在于使基礎傳遞的荷載通過其塑性調節作用將荷載傳到樁間土，達到共同承擔荷載的目的。

1.3 樁間土的作用

（1）承擔豎向、水平荷載。

（2）對樁具有約束的作用，可以提高樁的承載力。CFG樁復合地基由于樁間土承受荷載，產生的正向壓力，增大了樁周的摩阻力；從而樁端處圍壓增加，樁承受荷載的能力增加。

2 CFG樁基在工程中的應用

CFG樁復合地基設計主要依據場地工程地質條件及復合地基承載力標準值要求，確定樁長、樁徑、樁間距、樁體材料強度等有關參數極為重要，試用實體工程作以下闡述：

2.1 工程地質條件

某小區住宅樓18層，基礎埋深5.0 m，在勘察深度范圍內，地層由上到下可分為：①雜填土：褐黃、褐灰色，以粉土、建筑垃圾為主，層厚0.5～1.5 m，承載力為90 kPa；②粗砂：褐黃色，中密，層厚5.0～6.0 m，承載力為220 kPa；③粉土：褐黃色，稍密，層厚1.5～2.5 m，承載力為160 kPa；④中砂：褐黃色，中密，層厚1.0～2.0 m，承載力為180 kPa；⑤粉質黏土：褐黃色，可塑，層厚8.0～10.0 m。

2.2 地基處理方案

天然地基：基底持力層為②粗砂，滿足上部荷載要求，但軟弱下臥層③粉土不滿足設計要求。樁基采用鉆孔灌注樁、預制樁或其他樁型，不考慮天然地基承載力，造成天然地基承載力的浪費，這樣造價也很高，最終決定采用CFG樁進行地基處理。

2.3 CFG樁的設計與計算

2.3.1 單樁極限承載力標準值

式中：u：樁的周長，m；

n：樁長范圍內所劃分的土層數；

qsik、qpk：樁周第i層土的側阻力、樁端端阻力標準值，kPa；

li：第i層土的厚度，m；

Ap：樁的截面面積。

2.3.2 處理后CFG樁復合地基承載力標準值滿足設計要求

fspk＝mRa/Ap＋αβ（1－m）fsk＝502 kPa＞320 kPa

式中：fspk：復合地基承載力標準值，kPa；

Ra：單樁極限承載力標準值，kN；

α：樁間土強度提高系數，通常α＝1；

β：樁間土強度發揮系數，取0.8；

m：面積置換率；

fsk：處理后樁間土承載力標準值，kPa。

2.3.3 設計參數的選取

（1）樁徑：一般取350～600 mm。本工程選用400 mm單樁極限承載力標準值計算，根據地質情況，選取第⑤層的粉質黏土層作為持力層，按照公式計算單樁承載力標準值為492 kPa。

（2）樁長：由于持力層為⑤粉質黏土，樁端井入持力層不宜小于二倍的樁徑。樁長實際是6～8 m。

（3）面積置換率m及樁間距s：由m＝d2/de2＝0.087式中，d：樁徑；

樁間距一般為3～6倍樁徑，根據樁土面積置換率計算樁間距公式如下：

本工程三角形布樁，樁間距為1.2 m。

（4）樁體強度：

樁頂應力 δp＝Ra/Ap＝492/3.14×0.22＝3917 kN/m2

樁體強度按≥3倍樁頂應力確定，即

（5）褥墊層：褥墊層虛鋪0.23 m，夯實至0.20 m。

2.4 CFG樁的施工

本工程采用長螺旋樁機成樁工藝，待樁檢測合格后，進行人工清槽，同時進行樁頭剔鑿處理。清槽時，嚴格監控樁頂標高。清土和截樁時，不得造成樁頂以下樁身斷裂和擾動樁間土。

3 結束語

（1）通過對CFG樁復合地基基本原理的闡述和論證，得出結論：CFG樁在地基加固方面是一種行之有效的方法。

（2）通過工程實例進行分析，在CFG樁復合地基工程設計中，必須根據工程的地質條件和環境因素來合理選取參數。

（3）CFG樁和樁基相比，可明顯節約工程造價，因此是值得推廣的好方法，為在軟弱地基土建設不同類型的多層工業與民用建筑及水工建筑開創了廣闊前景。

1 楊軍等.CFG樁復合地基在高層建筑地基處理中的應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，1998

2 《建筑樁基技術規范》（JGJ94－2008）