CFG樁的參數(shù)β取值的理論分析

西安市第五建筑工程公司 王志強(qiáng)

CFG樁的參數(shù)β取值的理論分析

西安市第五建筑工程公司 王志強(qiáng)

CFG樁由水泥、碎石、砂和粉煤灰加水拌制而成，樁和樁間土通過褥墊層形成剛性復(fù)合地基 ，具有適應(yīng)性廣、承載力高、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前關(guān)于CFG樁復(fù)合地基承載力的計(jì)算方法還有許多不完善的地方，由于影響因素眾多，僅靠理論分析很難得出準(zhǔn)確的計(jì)算公式。通常，工程上對(duì)于CFG樁復(fù)合地基承載力的計(jì)算采用半理論半經(jīng)驗(yàn)的公式，其中，各種經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，合理確定復(fù)合地基承載力中各參數(shù)的值，就成為CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。

一、CFG樁復(fù)合地基承載力的計(jì)算公式

1.復(fù)合地基承載力特征值的計(jì)算公式。《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》建議通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗(yàn)來確定。筆者通過大量的理論計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，綜合考慮復(fù)合地基承載力的各個(gè)影響因素，得出CFG樁復(fù)合地基承載力的計(jì)算公式：

fspk=mRa/AP+β(1-m)fsK。 （1）

式中， fspk為承載力特征值復(fù)合地基，m為面積置換率，Ra為單樁承載力特征值，AP為樁的橫截面積，β為樁間土承載力折減系數(shù)，fsK為處理后的樁間土承載力特征值。

2．復(fù)合地基承載力特征值的計(jì)算公式的特點(diǎn)。由于概念清楚，參數(shù)m、Ra、AP、fsk都有比較精確的取值，因此，該公式在工程上應(yīng)用廣泛，唯一的不足是折減系數(shù)β的取值存在爭議。β受褥墊層、成樁工藝、樁間土性質(zhì)、樁端持力層性質(zhì)和樁土置換率等因素的影響，有不同的經(jīng)驗(yàn)值。

二、折減系數(shù)β的影響因素分析

1. 褥墊層的影響。褥墊層是復(fù)合地基的重要組成部分，它的厚度將直接影響墊層作用的發(fā)揮。當(dāng)褥墊層過薄時(shí)，樁頂應(yīng)力較大，樁的作用發(fā)揮明顯，但樁間土作用發(fā)揮不足，相應(yīng)的β值應(yīng)取較小值；反之，則會(huì)使土的承載力得到充分發(fā)揮，相應(yīng)的β值應(yīng)取較大值，但樁的承載力發(fā)揮不足，沉降不能得到很好的控制。因此，合理選擇褥墊層的厚度，有利于充分發(fā)揮樁和樁間土的承載力。

2.成樁工藝的影響。CFG復(fù)合地基承載力與成樁工藝密切相關(guān)，非擠土成樁工藝和擠土成樁工藝對(duì)樁間工藝的影響差別很大。在打樁過程中，由于土體受到振動(dòng)，原有結(jié)構(gòu)被破壞，但隨著時(shí)間的推移，土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)慢慢恢復(fù)。同時(shí)，土體因樁的打入被擠密，孔隙比變小，樁間土承載力提高，此工藝樁間土承載力折減系數(shù)β可取較大值。而對(duì)于土體強(qiáng)度較高、土體密實(shí)、砂層較厚的地基土，尤其是樁端持力層較硬的情況，常采用長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓法等非擠土成樁工藝，承載力提高主要與置換作用有關(guān)，β值可以取較小值。

3. 樁間土性質(zhì)的影響。地基土的力學(xué)性質(zhì)直接決定樁間土承載力的大小，進(jìn)而影響參數(shù)β的取值。對(duì)于具有剪縮性質(zhì)的土體，如松散粉土、砂土、正常固結(jié)土等，在擠壓和振動(dòng)作用下，可有效減少樁間土孔隙比，降低土的壓縮性，提高土體的密實(shí)度，進(jìn)而提高土的承載力，因此β值可以取較大值。而對(duì)于具有剪脹性的土體，如密實(shí)粉土、超固結(jié)軟土等，若采用振動(dòng)沉管法施工則會(huì)產(chǎn)生土體擠出現(xiàn)象，非但不會(huì)增加土體強(qiáng)度，還會(huì)使CFG樁遭到破壞，從而使復(fù)合地基承載力減小，因此β值可取較小值。另外，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，CFG樁復(fù)合地基承載力的發(fā)揮程度與天然地基承載力的大小有關(guān)。當(dāng)天然地基承載力高時(shí)，β值取較大值，反之取較小值。地基土的性質(zhì)直接影響施工工藝，因此在進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)樁間土的性質(zhì)選擇合適的β值。

4. 樁端持力層性質(zhì)的影響。CFG樁應(yīng)選擇承載力相對(duì)較高的土層作為樁端持力層。但對(duì)于承載力相對(duì)較低的軟弱土層，當(dāng)其厚度較大時(shí)，很難使樁端到達(dá)硬土層，此時(shí)β的取值就會(huì)受樁端持力層的影響。若樁端土層是硬土層，則端阻效應(yīng)較大，荷載很大部分直接通過CFG樁傳遞至硬土層，致使樁間土承載力發(fā)揮不足，此時(shí)β值按理應(yīng)取較小值。反之，當(dāng)樁端土為軟土層時(shí)，端阻效應(yīng)發(fā)揮不明顯，樁間土承擔(dān)較大的荷載，β值應(yīng)取較大值。

5.樁土置換率的影響。通過有限元分析方法對(duì)CFG樁的研究表明，隨著復(fù)合地基中樁土置換率的增大，復(fù)合地基中的樁面積增加，相應(yīng)樁頂?shù)慕佑|應(yīng)力會(huì)降低，樁頂處的沉降變形也隨之減小。雖然整個(gè)復(fù)合地基承載力隨樁土置換率的提高而提高，但荷載分配傾向于向樁體轉(zhuǎn)移，因而樁體承擔(dān)的荷載比也隨之提高，樁間土的承載力減小，此時(shí)樁間土承載力折減系數(shù)β值也應(yīng)相應(yīng)取較小值。但兩者之間的變化關(guān)系并不是線性的。

三、工程背景及試驗(yàn)實(shí)例

1. 項(xiàng)目背景。本實(shí)驗(yàn)以楓和苑小區(qū)多層住宅樓為例，基礎(chǔ)采用CFG樁，共計(jì)325根，基礎(chǔ)處理后的承載力要求達(dá)到120 kPa。

2. 地質(zhì)狀況。住宅基礎(chǔ)表面為耕植土，厚度約為0.5～0.6m，上部為飽和黃土，厚度為1.2～4.6m，場地普遍分布，承載力特征值為100kPa；下部為卵石層，表面微風(fēng)化，顆粒呈圓狀，一般粒徑在30～80mm之間，最大粒徑可達(dá)400mm，骨架物含量約占70%，填充物為砂礫石，級(jí)配良好，卵石層厚度為2.4～5.9m，承載力特征值為400 kPa。

3. 試驗(yàn)情況。由于β取值受樁間土性質(zhì)、樁端土性質(zhì)、樁長以及成樁工藝等因素的影響，試驗(yàn)中選擇了一些與實(shí)驗(yàn)條件相近的樁基進(jìn)行試驗(yàn)。低應(yīng)變反射波檢測儀器采用中科院武漢巖土力學(xué)所研制的RSM-SY5型浮點(diǎn)工程動(dòng)測儀，并選取一些樁身完整，樁長、樁徑相近的樁基進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法進(jìn)行，單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)承壓板1.2m×1.2m，板底鋪設(shè)50mm厚級(jí)配碎石，置換率為0.096。使用電動(dòng)油壓千斤頂加載，工字鋼搭設(shè)堆載平臺(tái)，混凝土塊堆載提供反力，最大堆載重量1 500kN。

4. 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的地基承載力值，可由式（1）反演得到β的取值在0.99～1.2之間β=( fspk-m Ra/AP）/[(1-m) fsK]。計(jì)算過程中，處理后的樁間土承載力特征值依照規(guī)范中提供的方法，采用1.2倍的天然地基土的承載力，單樁承載力特征采用3根試驗(yàn)單樁承載力特征值的平均值。

四、結(jié)論

CFG樁的樁間土承載力折減系數(shù)β的取值影響因素較多，但其主要影響因素為褥墊層的厚度、成樁工藝、樁間土的性質(zhì)、樁端持力層的性質(zhì)以及樁土置換率等。在設(shè)計(jì)CFG樁復(fù)合地基時(shí)，可根據(jù)近不同的工況，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和安全方面因素，選取合理的β值。