不同工程地質條件下CFG 樁的設計問題

黃建國 馬玉龍

(1.浙江華匯巖土勘測有限公司，浙江紹興 312000; 2.浙江土力工程勘測院，浙江紹興 312000)

1 加固原理

在CFG樁樁身材料由混凝土材料中摻入一定量的粉煤灰而組成的一種樁型，是復合地基處理的一種地基處理方法，主要由樁體、褥墊層和樁間土組成，其中CFG樁復合地基中樁體主要起置換作用，褥墊層起調整均化作用，對于部分土層還具有擠密作用。CFG樁因其樁身具有一定的粘結強度，在垂直荷載作用下，樁頂不出現壓脹變形，樁頂集中的荷載通過樁周摩擦力傳至深層土中。故復合地基承載力大，變形小。

1)樁體的置換作用。CFG樁中的水泥經水解和水化反應以及與粉煤灰的凝硬反應，生成了主要成分為鋁酸鈣水化物、硅酸鈣水化物和鈣鋁黃長石水化物等不溶于水的穩定的結晶化合物。這些物質不斷生長延伸充填到碎石和石屑的孔隙中，相互交織形成空間網狀結構，將骨料緊緊纏繞粘結在一起，使樁體變形模量大大提高。隨著樁體剛度增加，樁體作用發揮更加明顯。

2)褥墊層的變形協調作用。CFG樁在豎向荷載作用下，由于褥墊層的作用，樁體模量大，樁體逐漸向褥墊層中刺入，同時褥墊層材料在受壓縮的同時，向周圍發生移動。墊層材料的移動補償使樁間土與基礎底面始終保持接觸，同時使樁間土的壓縮量增大，從而使樁間土的承載力充分發揮，樁、樁間土共同作用得到保證。

墊層材料的移動補償，使樁間土的承載力得到充分發揮，樁體承擔的荷載相對減少，從而使地基的接觸壓力得到了均化和調整。地基中的豎向應力分布得到均化，地基的變形狀況得到明顯改善，復合地基的承載力得到大大提高。此外，隨著作用在樁間土上豎向荷載的增大，樁間土的壓密程度提高，使樁身側摩阻力增加，同時樁體的承載力得到提高，從而使復合地基的承載能力得到提高。

3)樁的擠密作用。在粉土、砂土和塑性指數較低的粘性土地基中，采用非排土法施工時，施工對土體的振動或擠壓使側摩擦阻力得到增加，樁體的承載力得到加強，進而提高了復合地基的承載力。

4)復合地基的加速固結作用。除散體材料樁具有良好的透水特性，可加速地基的固結外，水泥土類和混凝土類等剛性樁在某種程度上也可加速地基固結。因為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的計算式可以反映出來，雖然剛性樁會降低地基土的滲透系數，但它同樣會減小地基土的壓縮系數，而通常后者的減小幅度要比前者大，同樣可起到加速固結的作用。為此，增大樁與樁間土的模量之比對加速地基固結是有利的。

5)復合地基的加筋作用。各種樁、土復合地基除了可提高地基的承載力外，還可用來提高土體的抗剪強度，剛性樁復合地基效果更為明顯。

該樁適應土層為砂土、粉土、粘土、淤泥質土、雜填土等地基。

2 工程實例

2.1 工程實例A

四川雙馬集團職工住宅小區位于綿陽市經濟技術開發區，10棟6層住宅樓地貌單元為涪江右岸河漫灘向一級階地過渡地段。地層為上覆人工填土，其下為第四系全新統沖積層。地基土構成主要有:第①層:耕填土;第②層:沖洪積粉土和砂土;第③層:沖洪積砂卵石層;地基土物理力學參數見表1。

表1 土的物理力學參數表(一)

2.2 工程實例B

西藏自治區人民政府駐成都辦事處醫院門診、住院大樓地基，該擬建物為地上9層，地下設1層人防地下室，擬建場地地貌單元屬成都平原岷江水系Ⅱ級階地。場地上覆人工填土，其下由第四系中下更新統河流沖積成因的粉質粘土、粉土、砂及卵石組成，下伏白堊紀上統灌口組粉砂質泥巖。地基土構成:①雜填土、②素填土、③粉質粘土、④粉土、⑤細砂、⑥卵石和⑦粉砂質泥巖。

地基土物理力學參數見表2。

表2 土的物理力學參數表(二)

2.3 工程實例C

百子灣1號院住宅小區位于北京市朝陽區百子灣1號院內，擬建場地地貌單元屬于永定河沖洪積扇的中下部。地基土構成:①人工填土、②粘質粉土、砂質粉土、③粉砂、細砂、④粉質粘土、⑤粉質粘土、粘質粉土、⑥細砂、中砂、⑦粉質粘土、粘質粉土和⑧粉質粘土。地基土物理力學參數見表3。

3 分析不同工程地質條件下設計問題

在本文中第2部分提出在三個地區的工程中，每個地區都有各自的地基土的工程特點。A地區，大部分地貌單元是涪江一級階地或河漫灘向一級階地過渡地段，不良地質作用不發育，土的物理力學性質見表1，地基土性質為中雜填土，堆積時間短，該層主要以舊房基礎殘留物、糞池、沼氣池、碎磚、混凝土塊、瓦塊、石灰渣等建筑垃圾及砂、卵石組成，分布凌亂，結構松散，屬不良地基土層，不應作為基礎持力層。第四系全新統沖積層上段層中的粉土、粉砂及細砂層:根據工程勘探、坑探揭示，該層由上至下多呈現出顆粒由細變粗的河流相沉積韻律。據現場原位測試和室內土工試驗結果綜合分析，粉土為中～稍密狀態，屬中壓縮性土。粉砂和細砂呈松散狀態，屬高壓縮性土。該層屬力學性質相對較差的地基土層。而卵石層屬于低壓縮性土，且穩定。從整個地基土來分析，A區具有上部的地層軟，下面的地層較硬的特點。

B地區，地貌單元屬成都平原岷江水系Ⅱ級階地，不良地質作用不發育。場地上覆人工填土，其下由第四系中下更新統河流沖積成因的粉質粘土、粉土、砂及卵石組成，下伏白堊紀上統灌口組粉砂質泥巖。其地質結構上也比較簡單。土的物理力學性質見表2。地基土的力學性質都比A區高，且也有下面地層較上面的硬的特點。

C地區，第四紀以來受新構造運動的影響，山區不斷抬升，平原強烈下降，并接收了巨厚的河流沉積物。土的物理力學性質見表3。根據勘察分析，這個場地可以直接作為持力層也能滿足13層～16層的樓房建筑。可見，地基土的天然承載力很高，且有幾個地層都可以作為天然地基的持力層。如②2層、③層、第四紀沉積砂質粉土③2層，第四紀沉積砂質粘土、粘質粉土⑤層，細砂、粉砂⑥2層。

表3 土的物理力學參數表(三)

通過分析得出:樁體模量的增大可以增加復合地基的承載力、增加樁土應力比、減小沉降，結果對樁體的要求很高，大部分荷載由樁體承擔，基地應力集中增加，這樣，就不能充分將樁間土的承載特性發揮出來。而復合地基的目的就是要充分利用樁間土的承載特性。因此，首先在選取樁體模量時要考慮各方面的因素，選取合適模量的樁體既能夠滿足上部荷載的承載力，也能滿足沉降變形的要求，又能夠充分發揮樁間土的作用。其次，通過墊層厚度和墊層模量的變化來調整樁土應力比，減小樁體的荷載分擔比。鑒于對A，B，C三個地區的地基土的工程地質特性對CFG樁復合地基的設計參數提出建議:

1)持力層的選擇。A地區將持力層放在承載力較大的稍密卵石層上。因卵石層厚度勘探4 m～6 m未見底，可見，選在該層上是比較合理的。B地區端阻力和側阻力都要大于A區，其地下結構也相對簡單，上面已經提到在卵石層下是微風化的白堊紀粉砂質泥巖，持力層一般選在稍密卵石層上，如果變形不能滿足設計要求時，可以將樁體延伸到粉砂質泥巖里，樁體進入卵石層內1倍樁徑。C地區的工程地質條件相對復雜，其土層力學性質來講比A區和B區的要好，在進行復合地基處理上根據上部荷載的要求和考慮基礎總沉降及沉降差異較大，因此將持力層放在第⑧層的粘質粉土層上。本工程B樓基礎位于第③層上，埋深大約8 m。CFG樁復合地基處理時，持力層選擇在第⑧層上，根據勘察資料計算得樁體長度大約在13 m。

2)樁體模量的選擇。根據基礎設計要求，A區樁體強度要求不高，B區樁體強度稍大些，C區的樁體強度要求最高。在進行樁體設計上，A區的地基土壓縮性高，因此，設計上要充分考慮負摩阻力對樁體產生的影響;C區樁體側阻力特征值比較大，設計中也要將其考慮在設計之內。

3)墊層厚度的選擇。由于A區樁間土的壓縮性高，且承載力低的特性，在設計中就要求增大樁土應力比，使更多的荷載由樁體來承擔。因此，墊層厚度就不能選的過厚，建議選擇20 cm左右，不宜大于25 cm。B區樁間土的壓縮性相對要低些，且承載力高些，這樣，就要充分利用天然土體的性質，墊層的厚度相對厚一些，建議選擇25 cm厚的墊層。C區樁間土的壓縮性低，承載力高，樁體側阻力值最大，墊層厚度應選的更大一些，建議為25 cm～30 cm;在進行設計時，通過前面分析可知，墊層是引起復合地基負摩阻力的因素，故而在增大墊層厚度時就要考慮負摩阻力對設計參數的影響。

4)樁間距的選擇。根據三個地區的工程特性，A區的樁間距要設計的小些，置換率要高，B區樁間距介于A區和C區之間，C區樁間距要求最大。

4 結語

通過對A，B，C三個工程進行地基土的工程分析，根據各地工程地質特點對其設計參數進行選取是不同的:

1)A地區處于一級階地或河漫灘向一級階地過渡地段，地基土的力學性質很差，所以，在進行CFG樁復合地基時，墊層厚度要比B區和C區的薄些。其目的是要使樁體承擔大部分荷載;

2)B區處于二級階地地段，地基土的力學性質相對A區要好，因此，在設計中，墊層厚度要比A區厚。目的是充分利用地基土的承載特性;

3)C區是沖洪積扇的中下部，地基土力學性質很好，在設計上，墊層厚度可以達到30 cm，樁間距比較大。

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