高層建筑深基坑CFG樁設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究★

李 治 文

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026;2.上海海洋地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)有限公司，上海 200120)

0 引言

CFG樁全稱為水泥粉煤灰碎石樁，它主要由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等加水拌和后，再用于各種成樁機(jī)具制成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，樁體強(qiáng)度等級(jí)一般在C5～C20之間[1-3]。CFG樁用于加固復(fù)合地基不但有施工速度快、工期短、質(zhì)量易控制等優(yōu)點(diǎn)，而且由于樁體不用配筋，并可摻入工業(yè)廢料粉煤灰，使得單樁承載力高，具有經(jīng)濟(jì)安全優(yōu)勢(shì)，因此CFG樁復(fù)合地基已廣泛應(yīng)用于我國(guó)地基處理技術(shù)[4，5]。本文擬在深基坑中應(yīng)用CFG樁解決高層建筑地基承載力不足的難題，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的CFG樁參數(shù)，并進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，分析其適用性和合理性。

1 工程概況及地質(zhì)條件

擬建建筑地上共15層，剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，設(shè)兩層地下室，基礎(chǔ)埋深－10.60m。本工程標(biāo)高±0相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高50.20m。基坑南北方向長(zhǎng)100m左右，東西方向?qū)捈s60m。場(chǎng)地內(nèi)表層為填土，其下為一般第四紀(jì)沖、洪積層，主要為粘性土和砂土交互沉積層。根據(jù)本次勘探現(xiàn)場(chǎng)勘探、原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)成果，按地層沉積年代、成因類型，將擬建場(chǎng)區(qū)內(nèi)本次最大勘探深度50.00m內(nèi)地層劃分為9大層。場(chǎng)地地層按自上而下簡(jiǎn)述如下:

①層素填土:黃褐色，濕、局部飽和，稍密，以粘粉土為主，含少量磚渣、灰渣、碎石等。局部為雜填土，以建筑垃圾為主。層厚0.8m ～2.5m，層底標(biāo)高 46.84m ～48.71m。②層砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土，②1層粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土:本層以②層砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土為主，上部為②1層粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土，總層厚2.80m～4.90m，層底標(biāo)高43.10m～44.58m。③層粘質(zhì)粉土:灰黃～褐灰色，可塑，飽和含有機(jī)質(zhì)、姜石云母，局部夾粘質(zhì)粉土薄層。本層呈中～中高壓縮性，層厚1.70m ～4.00m，層底埋深7.50m ～9.50m，層底標(biāo)高39.63m～41.78m。④層粉質(zhì)粘土:褐黃～黃褐色，可塑，飽和，含有機(jī)質(zhì)、姜石、云母，局部夾粘質(zhì)粉土、重粉土粘土薄層或透鏡體。本層呈中壓縮性，層厚3.20m～5.70m，層底埋深11.50m ～14.20m，層底標(biāo)高 35.20m ～ 37.78m。⑤層粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土，⑤1層砂質(zhì)粉土:本層以⑤層粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土為主，局部夾⑤1層砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土薄層及透鏡體。總層厚9.30m ～11.60m，層底埋深 22.60m ～ 23.50m，層 底 標(biāo)高25.48m～26.58m。⑥層粉質(zhì)粘土、⑥1層砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土:本層以⑥層粉質(zhì)粘土為主，局部夾⑥1層砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土薄層及透鏡體。總層厚10.3m ～14.20m，層底埋深33.50m ～37.00m，層底標(biāo)高12.55m～15.66m。⑦層粉土，⑦1層粉質(zhì)粘土:本層以⑦層細(xì)砂為主，下部為⑦1層粉質(zhì)粘土。總層厚2.00m～2.50m，層底埋深36.70m ～37.40m，層底標(biāo)高12.05m ～12.43m。⑧層卵石，⑧1層圓礫。總層厚3.00m ～3.30m，層底埋深 40.00m ～40.40m，層底標(biāo)高9.05m ～9.13m。⑨層粉質(zhì)粘土，⑨1層細(xì)砂，⑨2層圓礫:本層以⑨層粉質(zhì)粘土為主，與⑨1層細(xì)砂、⑨2層圓礫交互沉積，本次勘查未穿透該層。

2 深基坑CFG樁設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

1)基礎(chǔ)以下均采用同一種復(fù)合地基，即CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行加固處理。2)地基處理后其復(fù)合承載力特征值應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，復(fù)合地基承載力特征值不小于255kN/m2。3)地基變形應(yīng)滿足最終沉降量的相關(guān)規(guī)定，最大沉降控制在不大于50mm范圍內(nèi)。

2.2 CFG樁參數(shù)設(shè)計(jì)

1)樁長(zhǎng)(L)參數(shù)設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)樁時(shí)應(yīng)盡量使樁端落在承載力相對(duì)較高的土層上。假如樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)不等時(shí)，應(yīng)考慮建筑物對(duì)承載力和變形的要求、土質(zhì)條件和設(shè)備能力等因素來(lái)確定樁端在持力土層的厚度，從而確定樁長(zhǎng)。由地質(zhì)剖面圖和土的物理力學(xué)指標(biāo)可以看出，場(chǎng)地標(biāo)高12.4m以下存在密實(shí)的圓礫，層厚為3000mm～3 300mm，是較理想的樁端持力層，但該層埋深較深。若CFG樁樁端落在該層，樁長(zhǎng)為28m，施工難度較大。另外通過(guò)計(jì)算也可以看出，若樁端落在該層。計(jì)算時(shí)的樁間距較大，超過(guò)樁間距的合理范圍。若按合理樁間距布樁，布樁數(shù)必然增加，造成不必要浪費(fèi)。場(chǎng)地⑥層為可塑，中密，低壓縮性的粉質(zhì)粘土層，該層土的承載力特征值為210kPa，壓縮模量為16.5kPa，亦可作為持力層，初步確定樁端落在⑥層，樁長(zhǎng)為18.5m。

2)樁徑(d)設(shè)計(jì):CFG樁樁徑的確定取決于所采用的成樁設(shè)備。由于場(chǎng)地土強(qiáng)度較高，且存在粉土，粉砂層，不宜采用擠土的振動(dòng)沉管工藝，擬采用非擠土的長(zhǎng)螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓CFG樁施工工藝，確定樁徑為400mm。

3)樁間距(s)設(shè)計(jì):在樁長(zhǎng)，樁徑確定后，計(jì)算樁間距之前需確定天然地基承載力fak，計(jì)算出單樁承載力Ra和復(fù)合地基承載力特征值fspk。

確定天然地基承載力特征值fak:建筑物基礎(chǔ)底面在粉質(zhì)粘土④層，該層承載力特征值fak=170kPa。計(jì)算單樁承載力是根據(jù)規(guī)范確定各土層的CFG樁的側(cè)阻力特征值為:④層粉質(zhì)粘土32.5kPa;⑤層粘質(zhì)粉土 32.5kPa;⑥層粉質(zhì)粘土 32.5kPa。樁端落在粉質(zhì)粘土⑥層，端阻力特征值取500kPa。

其中，up為樁的周長(zhǎng)，m;qsi，qp分別為樁周第i層土的側(cè)阻力，樁端端阻力特征值，kPa;li為第i層土的厚度，m。

計(jì)算得單樁承載力特征值Ra=840kPa。

4)計(jì)算置換率:條件給出復(fù)合地基承載力fspk≥255kPa。

在已知天然地基承載力特征值的基礎(chǔ)上，單樁承載力特征值及復(fù)合地基承載力特征值可按式fspk=mRa/Ap+αβ(1－m)fak求得置換率m，計(jì)算時(shí)取樁間土折減系數(shù)β=0.95，樁間土強(qiáng)度提高系數(shù)

初步確定樁間距為2，此時(shí)復(fù)合地基承載力特征值fspk=366kPa。

6)驗(yàn)算變形是否滿足要求:樁長(zhǎng)，樁徑和樁間距初步確定后，需驗(yàn)算是否滿足復(fù)合地基承載力，按下式計(jì)算:

進(jìn)行驗(yàn)算是否滿足復(fù)合地基變形要求。

在變形計(jì)算時(shí)，由式p0=pk－r0d。

pk≤fa=fspk+rm(d－0.5)，fspk≥pk－ rm(d －0.5)確定基底平均附加應(yīng)力p0=256.5kPa。

在計(jì)算模量提高系數(shù)時(shí)，復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)取試驗(yàn)值，在這里近似地取計(jì)算值，模量提高系數(shù)為:

計(jì)算得最大變形量為45mm，平均變形量為40mm，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果滿足55mm的要求。

3 CFG樁的檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析

3.1 CFG樁的檢測(cè)

試驗(yàn)采用慢速維持法[6，7]，本文在該樓S1號(hào)，S2號(hào)，S3號(hào)及S4號(hào)共計(jì)4個(gè)試點(diǎn)進(jìn)行了復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)滿足下列條件之一時(shí)終止加荷:1)在某級(jí)荷載作用下，樁的沉降量為前一級(jí)加載下沉降量5倍時(shí);2)在某級(jí)荷載作用下，樁的沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍;且經(jīng)過(guò)24h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。之后根據(jù)測(cè)試樁的荷載—沉降曲線來(lái)分析其加固效果。

S1號(hào)，S2號(hào)，S3號(hào)及S4號(hào)四根測(cè)試CFG樁的沉降量見(jiàn)圖1，從圖1可知設(shè)計(jì)比較合理。

3.2 CFG樁檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

按照規(guī)范 GJ 7-89地基土載荷試驗(yàn)規(guī)定，分析測(cè)試樁間土P—S的曲線，考慮地基土變化特征，樁間土承載力標(biāo)準(zhǔn)值取400kPa。再按規(guī)范JGJ 94-94單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)規(guī)定，分析測(cè)試樁P—S曲線特征，得到 PUK=715kN。根據(jù)《水泥、粉煤灰、碎石樁(CFG)復(fù)合地基技術(shù)規(guī)定》:單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值RK=ηPUK(η=0.57～0.67)。從單樁載荷試驗(yàn)P—S曲線中發(fā)現(xiàn)四個(gè)測(cè)試樁存在比例界限，平均值為512.5kN，最小值為450kN，因此從工程安全考慮η取0.57，單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值取407.6kN，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

從工程設(shè)計(jì)和檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明:高層建筑深基坑復(fù)合地基加固采用CFG樁，其施工工藝及技術(shù)措施是可行的，CFG樁復(fù)合地基加固效果明顯。

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