復合地基加固法中的CFG樁的設計與應用

呂家云，李承萍

(1.云南省交通勘察設計研究院，昆明650101;2.云南交通職業技術學院，昆明650101)

隨著近年來社會經濟的發展，公路建設尤其是高等級公路建設的突飛猛進，遇到的各類巖土問題也日益增多，如軟土、濕陷性黃土、巖溶與紅粘土、膨脹土、凍土、采空區地基、以及各類地質災害等，使得公路建設對巖土工程的理論和技術提出了新的要求，特別是云南省多處于山嶺重丘區，工程地質情況復雜，在公路建設中經常遇到各類特殊路基需進行處治，比如在軟土地基處理中，針對不同的地基及建筑路基情況，可采用置換法、排水固結法、復合地基加固法、反壓法、強夯法等，其中復合地基加固法被廣泛應用于如碎石樁、砂樁、水泥土攪拌樁、旋噴樁和水泥粉煤灰碎石樁 (簡稱CFG樁)等，本文就復合地基加固法中的CFG樁對軟土地基進行加固處理以提高地基承載力，談一點認識。

1 加固機理及適應范圍

1.1 復合地基的概念

復合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強，或被置換，或在天然地基中設置加筋材料，加固區是由基體 (天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基［1］。復合地基與天然地基，兩者間有著內在聯系，同時又有本質的區別，由于復合地基中人工加固體的存在，使其區別于天然地基;而復合地基的人工加固體與基體共同承擔荷載的特性，又使其不同于樁基礎，復合地基屬于地基范疇，而樁基屬于基礎范疇，復合地基中的樁體與其承載體往往不是直接相連的，它們之間通常設有一定厚度的墊層;而樁基礎中樁體與其承載體是直接相連，兩者形成一個整體。因此，它們的受力特性也存在著明顯的差異，復合地基的主要受力層在加固體內，而樁基的主要受力層是在樁尖以下一定范圍內。復合地基理論的最基本假定為樁與樁周土的協調變形［1］。

1.2 復合地基的分類

根據復合地基中人工加固體的方向，復合地基可分為水平向加固體復合地基和豎向加固體復合地基。水平向加固體復合地基主要包括由各種加筋材料，如土工聚合物、金屬材料、格柵等形成的復合地基。豎向加固體復合地基通常稱為人工置入樁體復合地基。在樁體復合地基中，樁的作用是主要的，而地基處理中樁的類型較多，性能變化較大，因而復合地基按樁的類型劃分為:

(1)散體類樁，如碎石樁、砂樁等。

(2)半剛性類樁，如水泥土攪拌樁、旋噴樁等。

(3)剛性類樁，如CFG樁、無砂混凝土小樁、混凝土薄壁管樁等。

1.3 加固機理

復合地基都具備以下一種或多種作用。

(1)樁體作用。由于復合地基中人工置入樁體的材料模量與周圍土體的材料模量不一樣，樁體的剛度也比周圍土體的大，在剛性基礎下等量變形時，地基中應力將按材料模量進行分布。因此，樁體產生應力集中現象，大部分荷載由樁體承擔，樁間土應力相應減小。這樣就使得復合地基承載力較原地基有所提高，沉降量有所減少。隨著樁體剛度的增加，其樁體作用發揮得更加明顯。

(2)墊層作用。人工置入樁與樁間土復合形成的復合層，其性能優于原天然地基，它可起到類似墊層如軟土換填后均勻分布地基應力和增大散角等作用。在樁體沒有貫穿整個軟土層的地基中，這一作用尤其明顯。

(3)加速固結作用。除碎石樁、砂樁具有良好的透水特性，可加速地基的固結外，半剛性類樁和剛性樁在某種程度上也可加速地基的固結，地基固結不但與地基土的排水性能有關，而且還與地基土的變形特性有關。從固結系數CV的計算公式［CV=k(1+e0)/γa］來看，雖然半剛性類樁和剛性樁會降低地基土的滲透系數k，但它同樣會減少地基土的壓縮系數a，通常后者的減小幅度要比前者的大。

(4)擠密作用。散體類樁、半剛性類樁、剛性類樁等在施工過程中由于振動、擠壓、排土等原因，可使樁間土起到一定的擠密作用。

(5)加筋作用。各類樁土復合地基除了可提高地基的承載力外，還可提高土體的抗剪強度，增加土坡的抗滑能力。如軟弱層分布不均、處于斜坡或不是水平分布的均采用水泥土類樁及混凝土類樁來加固，這都是利用了復合地基中樁體的加筋作用。

1.4 CFG樁加固機理及適應范圍

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁 (Cement Flyash Gravel Pile)的簡稱，是在碎石樁的基礎上加上一些石屑、粉煤灰和少量的水拌和制成的一種具有一定強度的剛性類樁，成樁后CFG樁、樁間土和褥墊層組成復合地基。這種地基加固方法吸取了振沖碎石樁和水泥攪拌樁的優點，樁體強度C5～C25，CFG樁和素混凝土樁的區別僅在于樁體材料不同，而在其受力和變形特點等方面沒有什么區別。且施工工藝與普通的振動沉管灌注樁一樣，工藝簡單，與碎石樁相比單樁承載力是碎石樁的2～3倍，經其加固形成的復合地基承載力可比原地基承載力提高4倍以上，而采用碎石樁加固形成的復合地基承載力只可提高0.5～1倍。所以CFG樁復合地基具有承載力提高幅度大，變形小等特點，且適用范圍廣。就天然地基土性而言，適用于處理黏性土、粉性土、砂性土、和正常固結的素填土等地基，而僅對于淤泥質土才應通過現場試驗確定其適用性。CFG樁不僅可以處理承載力較低的地基，對于承載力較高但地基變形不能滿足要求的地基，也可采用CFG樁以減小地基變形。對一般粘性土、粉土、砂土，樁端具有較好的持力層，經處治后可以達到很高的承載力。對于可液化地基，可采用碎石樁和CFG樁多樁型復合地基，一般先施工碎石樁，然后在碎石樁中間打CFG樁。既可消除地基土的液化，又可獲得很高的復合地基承載力。目前CFG樁最長可達20m，復合地基承載力標準值可達到700kPa。

CFG樁具有較強的置換作用。其它參數相同，樁越長樁分擔的荷載越高。CFG樁是高粘結強度樁，需在基礎和樁頂之間設置一定厚度的褥墊層。褥墊層具有如下作用:

(1)保證樁、土共同承擔荷載。

(2)通過改變褥墊層的厚度，調整樁垂直荷載的分擔，通常褥墊層越薄，樁承擔的荷載比例越大。

(3)減少復合地基頂面的應力集中。

(4)調整樁土水平荷載的分擔比例，褥墊層越厚，樁分擔的水平荷載比例越小。一般來說，墊層粒徑越大，樁土應力比越小［2］。

2 CFG樁的設計計算

2.1 CFG樁復合地基的設計原則

(1)滿足建筑物荷載對復合地基承載力的要求。

(2)變形滿足規范對建筑物地基變形的要求或滿足設計對建筑物變形的特殊要求。

(3)滿足樁、樁間土變形協調的要求，并應選擇承載力相對較高的土層作為樁端持力層。

(4)滿足環境條件對地基處理的要求。

2.2 設計參數

2.2.1 樁徑

CFG樁常采用振動沉管法施工，其樁徑的大小應根據樁管大小而定，一般為35～60cm，樁徑過小，成樁質量不易控制;樁徑過大，施工較困難。

2.2.2 樁距

根據建筑物對地基產生的應力，要求復合地基應變應滿足因建筑物而產生的應力對地基變形的要求，因此，設計的樁距首先應滿足承載力和地基變形的要求。對于擠土成樁和不可擠密土宜采用較大的樁距;對于擠密性好的土如砂性土、粉土、松散填土等，樁距可采用小樁距。CFG樁在滿足承載力和變形要求的前提下可以通過調整樁長來調整樁距，樁越長，樁距可以越大。

2.2.3 樁體布置

CFG樁的平面布置應根據上部建筑物的基礎形式布置成等邊三角形或正方形。為了充分發揮樁間土的承載能力，可分區段采用不同的樁距，布樁時樁的面積置換率不宜超過10%。

CFG樁的豎向布置應根據地質條件及設計要求分區段采用不同樁長。

2.2.4 承載力及樁體強度

目前復合地基承載力計算公式較多，但較為普遍是把樁間土的承載力和單樁承載力進行合理的疊加組合，必須指出:復合地基承載力不是樁間土的承載力和單樁承載力的簡單疊加，應考慮如下因素:①施工時樁間土產生擾動、擠密，對樁間土的承載力的影響;②成樁后樁與樁間土的相互約束作用;③復合地基中樁的承載力比自由單樁要高;④樁和樁間土承載力的發揮都與變形及褥墊層厚度有關。

綜合考慮以上情況，結合工程實踐經驗，CFG樁復合地基承載力特征值可用下式計算:

式中:fspk為復合地基承載力特征值 (kPa);m為面積置換率;Ra為單樁豎向承載力特征值 (kN);Ap為樁的截面積 (m2);β為樁間土承載力折減系數;fsk為處理后樁間土承載力特征值 (kPa)。

其中:①β取值范圍為0.75～0.95，天然地基承載力較高時取大值。②fsk的取值，對不可擠密土，若施工速度較慢可取天然地基承載力，即fsk=fak，若施工速度較快，宜通過現場試驗確定;對可擠密的一般粘性土，可取fsk= (1.1～1.2)fak，塑性指數小、孔隙比大時取高值;對擠密效果好的土，由于承載力提高的幅值大，fsk應通過現場試驗確定。③單樁豎向承載力特征值Ra的取值可采用單樁荷載試驗確定，取1/2豎向極限承載力的系數作為單樁承載力特征值。如無荷載試驗資料，可按公式 (2)計算:

式中:up為樁的周長 (m);n為樁長范圍內所劃分的土層數;qsi、qp為樁周第i層土的側阻力、樁端阻力特征值 (kPa);li為第i層土的厚度 (m)。

樁體試塊抗壓強度平均值應滿足公式 (3)要求:

式中:fcu為樁體混合料試塊 (邊長為15cm立方體)標準養護28d抗壓強度平均值 (kPa)。

2.2.5 水泥粉煤灰碎石樁 (CFG樁)的材料要求

碎石:碎石粒徑為20～50mm，為使級配良好，摻加石屑填充碎石空隙。

水泥:一般采用32.5級普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰:采用Ⅱ級、Ⅲ級粉煤灰。

2.2.6 水泥粉煤灰碎石樁 (CFG樁)的材料配合比設計

因CFG樁混凝土現場攪拌，需事先由實驗室出具有關配合比，施工時嚴格按照配合比進行。利用公式 (4)可進行施工配合比設計。

混合料中石屑與碎石的組成比例用石屑率表示:

式中:λ為石屑率;G1為單方混合料石屑用量(kg);G2為單方混合料碎石用量 (kg)。

根據試驗研究結果，λ值取0.25～0.33為合理的石屑率。

式中:fcu為混合料28d立方體抗壓強度 (MPa);為水泥強度等級;C為單方水泥用量 (kg);W為單方用水量 (kg)。

混合料坍落度按3cm控制，水灰比W/C和粉灰比F/C(F為單方粉煤灰用量)有如下關系:W/C=0.187+0.79F/C，混合料密度一般為2.2～2.3g/cm3。

2.2.7 褥墊層

褥墊層的合理設置能夠充分發揮樁間土的承載力。若褥墊層厚度過大時，會導致樁、土應力比等于或接近于1.0。此時復合地基中樁的設置已失去了意義，而且很不經濟。因此，褥墊層厚度的設置一定要考慮到技術上可靠、經濟上合理，一般取150～300mm為宜，樁距大時取高值。褥墊層材料宜采用中粗砂、級配碎礫石，最大粒徑不宜大于3cm，如考慮到水平向加固可在褥墊層中設置土工織物。

2.2.8 沉降計算

CFG樁復合地基沉降由三部分組成:一是加固深度范圍內土的壓縮變形S1;二是下臥層變形S2;三是褥墊層變形S3。S3數量很小可以忽略不計，則:SC=S1+S2。

加固區的變形按復合模量計算，將加固區中樁體和土體視為一個統一的整體，采用復合壓縮模量來評價其壓縮性，用分層總和法計算其壓縮量，復合土層的模量取該天然土層模量的ξ倍，ξ=fspk/fak。由于CFG樁復合地基置換率較低和褥墊層的設置，同時考慮到樁尖處應力集中范圍有限，因此假定作用在褥墊層底面的壓力為均勻分布，根據Boussinesq半無限空間解求出復合體底面以下的附加應力，由此計算下臥層的沉降。綜上所述，CFG樁復合地基的最終沉降量可按公式 (6)計算:

式中:n1為加固區范圍內土層分層數;n2為沉降計算范圍內土層總的分層數;p0為對應于荷載效應準永久組合時基礎底面處的附加應力;Esi為基礎底面下第層土的壓縮模量;zi、zi－1為基礎底面至第i層土、第i－1層土底面的距離;、為基礎底面計算點至第i層土、第i－1層土底面范圍內的平均附加應力系數;Ψ為沉降計算修正系數，根據地區沉降觀測資料及經驗確定，也可采用表1數值。

表1 沉降計算修正系數表Tab.1 Correction coefficient of settlement calculation

注:Es=Esi為第i層土的壓縮模量，樁長范圍的復合土層按復合土層的壓縮模量取值;Ai為第i層土附加應力系數沿土層厚度的積分。

復合地基變形計算深度必須大于復合土層的厚度，并應符合公式 (7)要求。

式中:Δs'i為在計算深度范圍內，第i層土的計算變形量;Δs'n為在計算深度向上取厚度為Δz的計算變形量，由表2確定。

表2 Δz的計算變形量Tab.2 Scale deformations ofΔz

應繼續計算到確定的計算深度下無較軟土層。

3 施工工藝

根據建筑物荷載和對地基變形的要求，以及地基土條件、地下水條件、周邊環境條件共同確定CFG樁的施工工藝。目前CFG樁的施工工藝有洛陽鏟成孔，人工灌注CFG樁工藝;長螺旋成孔，人工灌注CFG樁工藝;長螺旋成孔，管內泵壓混合料CFG樁工藝;振動沉管CFG樁工藝;夯擴成孔CFG樁工藝等。

3.1 洛陽鏟成孔—人工灌注CFG樁工藝

該工藝屬于非擠土樁，采用人工洛陽鏟成孔，孔深一般小于6m，樁端位于地下水位以上，在灌注CFG混合料前應采用重錘夯實孔底，消除孔底虛土，該工藝施工速度較快，造價低，適用于6m范圍內有良好的樁端持力層且建筑物對地基承載力及變形要求不高的建筑物。

3.2 長螺旋成孔—人工灌注CFG樁工藝

該工藝屬于非擠土樁，采用長螺旋成孔，樁端位于地下水位以上時，在灌注CFG混合料前應采用重錘夯實孔底，消除孔底虛土，該工藝施工速度較快，適用于在一定范圍內有良好的樁端持力層的地基。

3.3 長螺旋成孔—管內泵壓混合料CFG樁工藝

該工藝屬于非擠土樁，采用長螺旋成孔，適用的地層范圍比較廣且不受地下水位的影響，成孔后，泵送混凝土，該工藝最大的優點是噪音小，施工速度較快，可穿透砂層等相對較硬的土層，缺點是造價相對較高。

3.4 夯擴成孔CFG樁工藝

該工藝屬于擠土樁，采用重錘夯擴成孔，孔內灌注干硬性CFG樁混合料，夯擊干硬性混合料成樁。該工藝優點是單樁承載力較高，對樁間土有一定的擠密，缺點是成孔較淺 (小于10m)，有可能造成地面隆起［3］。

3.5 振動沉管CFG樁工藝

該工藝屬于擠土樁，采用振動沉管成孔，灌注CFG混合料，邊拔管邊成樁，該工藝適用于有良好的樁端持力層的地基，不受地下水位的影響，缺點是噪音大，很難穿過密實的砂層，有可能造成地面隆起。

由于目前大量的CFG樁采用振動沉管機施工，下面簡要介紹振動成樁工藝。

(1)樁機進入現場，根據設計樁長、沉管入土深度確定機架高度和沉管長度。

(2)樁機就位，調整沉管與地面垂直，確保垂直度偏差不大于1%。

(3)啟動馬達沉管到預定標高，停機。沉管過程中做好記錄，每下沉1m記錄電流表電流一次。停機后立即向管內投料，直到混合料與進料口齊平，按混合料設計配比經攪拌機加水拌和，拌和時間不得少于1min，如粉煤灰用量較多，拌和時間還要適當放長。坍落度要求30～50mm，成樁后浮漿厚度以不超過200mm為宜。

(4)啟動馬達，留振5～10s，開始撥管，撥管速度為1.2～1.5m/min(拔管速度為線速)。如遇淤泥或淤泥質土，拔管速率還可放慢。撥管過程中不允許反插，如上料不足，須在撥管過程中空中投料，以保證成樁后樁頂標高達到設計要求。成樁后樁頂標高應考慮計入保護樁且樁頂浮漿厚度不宜超過200mm。

(5)沉管撥出地面，確認成樁符合設計要求后，用粒狀材料濕粘土封頂，然后移機進行下一根樁的施工。

(6)清理場地。清理場地和截樁時，不得造成樁頂標高以下樁身斷裂和擾動樁間土。樁頭適當高出樁間土10～20mm，對于過高的樁頭應予鑿除。

(7)鋪設褥墊層。為了調整CFC樁和樁間土的共同作用，宜在基礎下鋪設一定厚度的褥墊層。褥墊材料多為粗砂、中砂或級配砂石，限制最大粒徑不超過3cm。褥墊層厚度一般為10～30cm，由設計設定。虛鋪厚度按公式 (8)控制:

式中:h為褥墊層虛鋪厚度 (m);ΔH為褥墊層設計厚度 (m);γ為夯填度，一般取0.87～0.9。

虛鋪后多采用靜力壓實，當樁間土含水量不大時亦可夯實。樁間土含水量較高時，特別是高靈敏度土，要注意施工擾動對樁間土的影響，以避免產生橡皮土。

4 質量檢驗

施工質量應符合《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》的要求。

(1)施工質量檢驗主要應檢查施工記錄、混合料坍落度、樁數、樁位偏差、褥墊層厚度、夯填度和樁體試塊抗壓強度等［4］。

(2)CFG樁地基竣工驗收時，承載力檢驗應采用復合地基載荷試驗。

(3)CFG樁地基檢驗應在樁身強度滿足試驗荷載條件時進行，一般為施工結束28d后。試驗數量為總樁數的0.5%～1%，且每個單體工程的試驗數量應不少于3個點。

(4)應抽取不少于總樁數10%的樁進行低應變動力試驗，檢測樁身完整性。

5 結束語

CFG樁施工工藝簡單，所用材料是在碎石樁的基礎上加入少量的水泥和粉煤灰，受力特性與水泥攪拌樁類似。它可用于雜填土、飽和及非飽和粘性土、粉土、砂性土及濕陷性黃土地基中，以提高地基承載力和減少地基變形。筆者在省道320線佛雙橋至打洛二級公路設計中就嘗試采用過CFG樁對K3+620～K3+720、K3+810～K3+920、K3+810～K3+920、K7+300～K7+500段軟土路基進行處置，并通過專家評審。總體來說CFG樁適應范圍是很廣的，只是當原地基承載力標準值fk≤50kPa時其適用性值得考慮。若以擠密或消除液化為目的時，采用CFG樁是不經濟的。

［1］黃生文.公路工程地基處理手冊［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］羅曉輝.基礎工程設計原理［M］.武漢:華中科技大學出版社，2007.

［3］顧曉魯，錢鴻縉，汪時敏.地基與基礎［M］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［4］丁 科，謝忠球.樁身質量的定性與定量分析法［J］.森林工程，2005，21(5):51 －53.