CFG樁在城市道路軟基處理中的設計及應用

鄭 平，王洪強

（華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

0 前言

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成的高粘結強度樁。CFG樁與素混凝土樁的區別僅僅在于樁體材料的構成不同，而在受力和變形特性方面沒有什么區別。它在樁體材料配比上比素混凝土樁更追求經濟效益，在有條件的地方應盡量利用工業廢料作為摻和料。

本文結合福建省莆田市某城市道路K0+580工點軟基處理，就CFG樁的設計過程作以簡要說明。

1 CFG樁復合地基工作原理及適用性

CFG樁復合地基由樁、樁間土及褥墊層三部分構成。樁與基礎通過褥墊層(如砂、碎石等)和基礎相聯系。褥墊層技術是CFG樁復合地基的一個核心技術，褥墊層將上部基礎傳來的基底壓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。同時土體受到樁的擠密而提高承載力，而樁又由于周圍土的側應力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一個復合地基的受力整體，共同承擔上部基礎傳來的荷載。

CFG樁由于自身的特點及加固機理，主要適用于處理粘性土、粉土、砂土和已自重固結的素填土等地基。對淤泥質土應按地區經驗或通過現場試驗確定其適用性。同時，CFG樁復合地基屬于剛性樁復合地基，具有承載力提高幅度大、地基變形小等優點，可適用于多種基礎形式，如條形基礎、獨立基礎、箱形基礎和筏板基礎等。

2 工程概況

莆田某大道為城市主干道，路幅寬度70m，雙向八車道外加輔道的斷面形式，設計速度80 km/h。由于沿線分布有深厚的淤泥及淤泥質土，軟基處理量較大。根據當地軟基處理經驗、施工工藝水平及本項目的進度安排，采用振動沉管CFG樁處理方案。

該工點樁號K0+580。區域的地貌類型屬海積平原，地勢高差較小，河道呈U型穿過此段落，該工點河道深約3m。場地內自上而下土層為：（1）淤泥，厚度約 7.6 m；（2）淤泥夾砂，厚約 0.7 m；（3）殘積砂質粘性土，厚約8 m。其中淤泥及淤泥夾砂具高壓縮性、易觸變、低強度等特點，屬高壓縮性土，工程性能極差。殘積砂質粘性土屬中壓縮性土，工程性能中等，可作為路基持力層。

3 設計步驟

3.1 設計參數的選取

CFG樁復合地基設計主要確定5個設計參數，分別為樁長、樁徑、樁間距、樁體強度、褥墊層厚度及材料。針對某一具體工程，樁長、樁徑及褥墊層厚度是明確的。設計時，可事先假定設計參數值，若承載力及沉降滿足要求，表明假設成立，否則，需調整樁間距、樁體強度或樁長。

（1）樁長l。CFG樁復合地基要求樁端落在好的持力土層上，這是CFG樁復合地基設計的一個重要原則。因此，樁長是CFG樁復合地基設計時首先要確定的參數。設計時根據勘察報告，分析各土層，確定樁端持力土層和樁長。本次設計要求樁端進入殘積砂質粘性土不少于0.5m。本工點包含河道回填厚度、淤泥層及淤泥夾砂層深度共11.3m，故樁長取12m。

（2）樁徑d。CFG樁的樁徑取決于所采用的成樁設備，一般為350～600 mm。根據莆田地區成樁工藝，本次樁徑取400mm。

（3）樁間距 s。一般樁間距 s=3 d～5 d，也有振動沉管成樁采用6 d間距。間距大小取決于設計要求的復合地基承載力和變形、土性與施工機具。一般設計要求的承載力大時s取小值，但必須考慮施工時相鄰樁之間的影響，就施工而言希望采用大樁距大樁長，因此的大小應綜合考慮。本次設計樁間距取4 d，正三角形布置。

（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150mm立方體）標準養護28 d立方體抗壓強度平均值，kPa；

Ra——單樁豎向承載力特征值，kN；

Ap——樁的截面積，m2。

本次樁體強度按C15混凝土強度等級設計。

（5）褥墊層厚度。褥墊層厚度一般取15～30 cm，材料科用粗砂、中砂、碎石、級配砂石（最大粒徑不大于30mm）。本次設計結合工程經驗、土性及樁間距，褥墊層厚度取60 cm。

3.2 復合地基承載力計算

3.2.1 單樁承載力特征值計算

當采用單樁載荷試驗時，應將單樁極限承載力除以安全系數2；當無單樁載荷試驗時，可按下式估算：

式中：μp——為樁的周長（m）；

n——樁長范圍內所劃分的土層數；

qp、Ap——樁周第層土的側阻力、樁端端阻力特征值（kPa）；

li——第層土的厚度（m）。

根據地質勘察報告，各土層參數見表1。

表1 各土層設計計算指標及有關參數

結合表1及設計參數，經計算Ra=249（kPa）。

3.2.2 復合地基承載力特征值計算

根據《建筑地基基礎設計規范》，CFG樁復合地基承載力特征值應通過現場地基載荷試驗確定，初步設計時也可按下式估算：

式中：fspk——復合地基承載力特征值（kPa）；

fsk——處理后樁間土承載力特征值（kPa），宜按當地經驗取值，如無經驗時，可取天然地基承載力特征值；

m——面積置換率；

Ra——單樁豎向承載力特征值（kN）；

Ap——樁的截面積（m2）；

β——樁間土承載力折減系數，宜按地區經驗取，如無經驗時可取0.75～0.95，天然地基承載力較高時取大值。

結合單樁承載力特征值，本工點范圍天然地基承載力平均約60 kPa，置換率為0.057，取0.8，可計算得出 fspk=158（kPa）。

樁體強度 fcu=5.95（MPa）

故樁體設計強度等級滿足要求。

3.2.3 承復合地基承載力的確定

復合地基承載力取值標準應考慮上部荷載大小，以確保上部荷載作用下地基穩定為原則。考慮到理論計算時取值參數的不精確性及土層性質不確定性，為確保工程質量的安全，并考慮施工過程中的諸多不可預見的對施工質量不利的影響因素，對理論計算結果進行折減，折減系數取0.85，得到樁間距1.6 m的CFG樁復合地基承載力特征值為134.5 kPa。本工點設計填土厚度約3.5m，考慮到本工點為橋頭段及路面荷載和安全儲備因素，因此設計樁間距1.6m的CFG樁復合地基承載力特征值不小于130 kPa為合格。

3.3 沉降計算

由于中分帶寬8 m，考慮到遠期交叉口車道拓寬的需要，可壓縮中分帶作為左轉及掉頭車道，本次設計進行全斷面布樁。

根據《建筑地基基礎設計規范》，復合地基沉降采用分層總和法進行計算。

地基土總沉降S由瞬時沉降Sd、主固結沉降Sc和次固結沉降Ss三部分組成，

由于瞬時沉降和次固結沉降的影響因素較復雜，實際計算時用沉降修正系數ms來反映瞬時沉降和次固結沉降的影響，地基土總沉降為主固結沉降Sc與沉降修正系數ms的乘積，即：

其中：Ei為各計算土層的土體壓縮模量，加固層采用復合土體模量Eci，下臥層采用天然地基壓縮模量Esi。復合土體模量Eci等于天然地基土體壓縮模量Esi與模量提高系數ξ的乘積，即Eci=ξ×Esi。模量提高系數ξ為復合地基承載力特征值fspk與天然地基承載力特征值fak之比，即ξ=fspk/fak。ΔPi、ΔHi為各計算土層的平均附加應力和土層厚度。

代入相關參數，經計算，該工點最終填土厚度與復合地基工后沉降量見表2。

表2 CFG樁處理前后地基工后沉降計算值

經過CFG樁處理后，地基承載力得到大幅提高，沉降量大幅減小。

4 CFG樁施工

（1）施工工藝及程序

本項目成樁工藝為振動沉管灌注樁施工工藝。CFG樁施工前應具備“三通一平”的條件，試樁完成后，施工順序如下：樁位放樣→樁靴埋設→樁機就位→沉管至設計深度→管內關注混合料→留振→樁管振拔至地表面→超灌成樁、樁封頂→樁機移位。

（2）施工時采取的措施

由于本工程土質大多為淤泥及淤泥質土，性能較差，為防止縮頸斷樁及竄孔現象，施工工程中嚴格控制拔管速度，采用靜壓振拔技術，即沉管時不啟動馬達，將沉管沉至預定標高，填滿料后再啟動馬達振動拔管，沉管過程中做好記錄。施工順序為隔樁跳打，并嚴格控制CFG樁的施工質量，注意觀測打樁時地面是否發生隆起,因為斷樁常常和地面隆起相聯系。

當CFG樁在鑿除浮漿后或由于1.5m以內的淺部斷樁造成樁體頂面標高低于設計樁頭底面標高時，應采用強度高出樁身一級的混合料進行接樁。接樁部分的樁徑應比設計樁徑大20 cm，與既有樁體的咬結長度不小于20 cm。

5 結語

（1）CFG樁復合地基不但可以使地基承載力得到大幅度的提高，而且具有沉降變形小、適用范圍廣、造價低、施工方便等優點，其社會和經濟效益非常明顯。

（2）結合大量工程實踐，往往工后一段時期承載力和沉降并沒有得到保證。從安全角度出發，建議計算的復合地基承載力進行折減，折減系數可取0.8左右。

（3）本工程針對淤泥質土厚度較大的特點采用靜壓振拔技術、適當增大樁間距等的做法是合理的，減少了竄孔及斷樁問題。

（4）對于中分帶較寬的道路，是否全斷面布樁應結合交通組織的需要進行考慮。

[1]閆明禮,張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[2]建筑地基基礎設計規范[S].北京:人民交通出版社,2002.

[3]建筑地基處理技術規范[S].北京:人民交通出版社,2002.