碎石樁與CFG樁二元復合地基在工程中的應用

鄭創(chuàng)新，曹成意，曾勇生

(四川準達巖土工程有限責任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

隨著工程建設的飛速發(fā)展，地基處理手段也日趨多樣化，復合地基由于充分利用樁和樁間土共同作用的特有優(yōu)勢和相對低廉的工程造價得到了越來越廣泛的應用。本工程根據(jù)場地實際地質(zhì)情況，采用了碎石樁和CFG樁二元復合地基，充分發(fā)揮了碎石樁的置換擠密作用和CFG樁的高承載力性能，并通過褥墊層的設置發(fā)揮樁間土的承載力，從而提高整體復合地基承載力。

2 基本原理

碎石樁是以置換作用為主、擠密作用為輔的取土式地基加強改良處理方法。其加強改良機理是:先采用取土器取土成孔，然后填入天然級配較好的砂、卵石(粒徑主要為20～80mm，大于100mm量控制在10%～25%)和外摻劑，利用夯錘自由落下的巨大沖擊能和所產(chǎn)生的沖擊波反復夯擊砂卵石，在沖擊力作用下，卵石可被擊成碎石。由于重錘沖擊擠密，不但在樁位處形成大于成孔直徑的高密度的砂卵石樁體，而且部分砂卵石擠入樁間土，提高了樁間土的承載力;同時砂卵石樁體可作為復合地基中孔隙水的消散通道，利于地基中孔隙水的消散;在巨大夯擊能作用下，土體產(chǎn)生沖擊波和動應力，致使土體出現(xiàn)微小裂隙形成排水通道，加速土體的排水固結(jié);由樁及樁間土形成的復合地基起應力擴散和均布作用，可顯著提高地基均勻性和穩(wěn)定性，減少沉降量，提高承載力。

CFG樁復合地基粘結(jié)強度樁是復合地基的代表，目前多用于高層和超高層建筑中。CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱(即 cement fIying－ash gravel pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復合地基。CFG樁復合地基通過褥墊層與基礎連接，無論樁端是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，樁體可利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，大大降低了工程造價。

在復合地基設計中，基礎與樁和樁間土之間設置一定厚度由散體粒狀材料組成的褥墊層，是復合地基的一個核心技術?；A下是否設置褥墊層，對復合地基受力影響很大。若不設置褥墊層，復合地基承載特性與樁基礎相似，樁間土的承載能力難以發(fā)揮，不能成為復合地基?；A下設置褥墊層，地基承載力的發(fā)揮就不單純依賴于樁的沉降，即使樁端落在好土層上，也能保證荷載通過褥墊層作用到樁間土上，使樁土共同承擔荷載。

碎石樁與CFG樁二元復合地基是由基體(天然地基土體)和兩種增強體三部分組成的人工地基，既能發(fā)揮CFG樁高承載力和良好的排水作用的特點，又因CFG樁的插入而使水泥土樁的側(cè)限約束作用得到增強。同時，由于設置了碎石樁，地基土的變形能力可得到有效改善，并提高了土體的抗剪強度，亦可使CFG樁避免產(chǎn)生刺入破壞的可能。

3 工程概況

3.1 工程地質(zhì)條件

本工程場地處于四川盆地中部地帶，從區(qū)域地質(zhì)資料看，場區(qū)位于揚子準臺地的二級大地構(gòu)造單元——四川臺拗成都凹陷盆地內(nèi)。擬建建筑物微地貌位于成都平原地區(qū)東北側(cè)，相當于岷江水系Ⅱ級階地，地層從上到下依次的物理力學性質(zhì)見表1。

3.2 施工簡介

某工業(yè)研發(fā)樓為9層框架結(jié)構(gòu)。原地形為低山洼地，場地平整后，因人工回填地層較厚，故地基采用碎石樁與CFG樁復合地基進行加固處理，兩種樁總數(shù)為2700余根。最終復合地基承載力的設計值為300kPa。兩種樁型均采用CK－150型沖擊鉆機施工。碎石樁采用沖錘低頻往土層重復沖擊碎石，將碎石導入到預定深度，使土層擠密，碎石隨重復填料而被連續(xù)沖搗成樁，且樁體密實度應達到中密以上。CFG樁采用沖擊成孔后回填C10素混凝土，樁身強度為10MPa;其復合地基褥墊層采用5～10mm碎石回填夯實，厚度為200mm。

表1 場地土層物理力學性質(zhì)

4 復合地基設計

4.1 總體設計

建筑設計基礎高程±0.000=499.968m，基礎埋深±0.000下－2.50m，基礎底標高為497.468m。因場地填土層較厚，設計基礎下的素填土天然承載力不能滿足設計基礎承載力要求，故設計要求將基礎下填土層或淤泥質(zhì)黏土采用人工地基處理方法，并要求處理后的復合地基承載力特征值 fspk≥300kPa、壓縮模量ES≥6MPa。根據(jù)設計地基要求，因場地填土層未完成自重固結(jié)沉降，故地基處理設計采用碎石樁、CFG樁二元復合地基對建筑設計基底標高下地基土進行處理。且先施工碎石樁對素填土進行擠密加固，然后再施工CFG樁。處理后樁頂與基礎之間鋪設200mm厚褥墊層，壓實系數(shù)不低于0.94。施工完成后按規(guī)范要求進行復合地基檢測。

4.2 碎石樁設計

因場地內(nèi)分布的素填土未完成自重固結(jié)，為提高CFG樁間土地基承載力，故先采用用碎石樁方法進行置換擠密處理。碎石樁按等邊三角形布置。碎石樁布置為按建筑平面范圍內(nèi)擴大1排樁內(nèi)滿堂布置。根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》中公式(7.2.8－1、2、3)、公式(8.2.2 －4、5、6)計算各參數(shù)。

經(jīng)過計算，碎石樁樁間距為1.26m，根據(jù)場地實際情況間距可適當調(diào)整。故碎石樁的樁間距取1.20m施工，深度為穿透填土層進入下臥層0.5～1.0m即可。

4.3 CFG樁設計

本工程CFG樁根據(jù)成都地區(qū)的施工經(jīng)驗，直接采用沖擊成孔后回填C10素混凝土，樁身強度為10MPa。布樁范圍僅在建筑基礎底部按等邊三角形布置即可，樁間土承載力按照碎石樁處理后地基承載力、經(jīng)基礎下土層厚度加權(quán)平均后取值計算。根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》中公式(9.2.5)、公式(9.2.6)、公式(9.2.7)、公式(9.2.8－1)計算各參數(shù)。

經(jīng)計算，本工程 CFG樁間距應達到1.15～1.25m，施工按1.10m控制，樁端以黏土或粉質(zhì)黏土作為樁端持力層，同時設計最短樁長不小于6.0m，且進入黏性土層不小于1.5m，以提高CFG樁的單樁承載力。

5 施工質(zhì)量檢測

5.1 樁身質(zhì)量檢測

針對本工程采用不同樁型及施工順序，在首先施工完碎石樁后，抽取不少于碎石樁總數(shù)2%的樁體進行超重型動力觸探檢測。根據(jù)檢測結(jié)果，碎石樁樁體N120擊數(shù)達到7.5～16.5擊/10cm。由此可見，樁體密實度達到中密以上，滿足設計要求。對CFG樁采用施工中取混凝土試塊及施工后抽取不少于CFG總樁數(shù)的10%進行低應變動力測試。根據(jù)檢測結(jié)果，CFG樁混凝土強度及樁身完整性均滿足設計及規(guī)范要求。

5.2 復合地基載荷試驗

目前對于復合地基承載力檢測最可靠的方法仍是現(xiàn)場載荷試驗。為了更好地檢驗復合地基處理效果，復合地基載荷試驗所用的載荷板面積選擇與檢測樁所承擔的處理面積相同。受現(xiàn)場條件限制，試驗采用根據(jù)施工順序?qū)Σ煌瑯缎蛷秃系鼗休d力按單樁處理面積分別加載試驗，以評價碎石樁和CFG樁前、后處理后的地基承載力。試驗分前、后兩組復合地基載荷試驗，每組試驗各按碎石樁和CFG樁總數(shù)的5%抽取試驗點。通過兩組碎石樁與CFG樁復合地基靜載荷試驗P－S曲線可以看出，復合地基靜載荷試驗曲線基本屬于漸近型的光滑曲線，不存在陡降點。取s/b=0.01(s為樁間距，b為方形壓板的寬度)對應的荷載，其值均超過最大加荷量的一半，因此取最大加荷量的一半作為碎石樁與水泥土樁的單樁復合地基承載力設計值。通過數(shù)值分析可知，碎石樁和CFG樁復合地基承載力分別不小于165kPa和350kPa，滿足設計要求。

6 結(jié) 論

(1)從復合地基靜壓結(jié)果數(shù)據(jù)看，本工程所采用的組合型復合地基，可最大程度地發(fā)揮這兩種樁的優(yōu)點，使復合地基的承載力得到大幅度的提高，地基變形得以降低和控制。

(2)復合地基中CFG樁體的材料根據(jù)四川施工經(jīng)驗，待取土成孔后，直接采用C10素混凝土樁，具有地基承載力高、變形小、穩(wěn)定快、施工簡單易行、工程質(zhì)量易保證等優(yōu)點，工程造價一般為樁基礎的1/3～1/2，經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著。

(3)碎石樁處理地基針對高填土地層，是一種效果明顯的處理方法。根據(jù)其自身的置換擠密機理，用碎石樁加固后的復合地基變形模量比原地基的有較大增長，抗變形能力有明顯提高。

(4)設置褥墊層以及墊層的材料和厚度，直接影響復合地基的樁和樁間土強度的發(fā)揮，合理的墊層厚度對提高復合地基承載力和減少沉降變形是非常有利的。

(5)該工程證明此種二元復合地基處理方案，質(zhì)量易控制，造價低，經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益明顯，有極大的發(fā)展?jié)摿Α＝窈罂舍槍Σ煌刭|(zhì)情況，選擇不同地基處理方法，優(yōu)勢互補也是當前工程實踐方向，值得多加研究。

［1］鄭創(chuàng)新，等.成都龍?zhí)豆I(yè)集中發(fā)展區(qū)啟源興業(yè)科技園巖土工程勘察報告［R］.成都:四川準達巖土工程有限責任公司，2009.

［2］JGJ79－2002《建筑地基處理技術規(guī)范》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［3］GB50007－2002《建筑地基基礎設計規(guī)范》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［4］DB51/5026－2001《成都地區(qū)建筑地基基礎設計規(guī)范》［S］.成都:四川省建設廳川建廳發(fā)布，2001.

［5］GB 50202－2002《建筑地基基礎工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.