CFG樁復合地基的實用設計與工程應用

莫志剛

（貴州省工程技術質量監督站貴州貴陽550003）

CFG樁復合地基的實用設計與工程應用

莫志剛

（貴州省工程技術質量監督站貴州貴陽550003）

目前，隨著經濟的發展，土木工程建設規模的擴大，對原有軟弱地基的處理成為建筑設計和施工越來越被關注的環節。本文在現有CFG樁復合地基研究成果的基礎上對CFG樁復合地基承載特性作了系統的分析，并對其中數據和設計方法進行了較為全面的研究。

CFG樁復合；地基設計；方案設計；承載力

引言

隨著科學技術的日新月異，工程建設規模日益擴大，現代土木工程建設對地基的要求越來越高。地基土層的分布及工程性質復雜，且多具有區域性，導致地基設計不僅要針對不同的地質條件、不同的結構物特征來選擇最合適的基礎型式、尺寸和布置方案。地基處理的最佳方案，關系到整個工程質量，投資和進度的重點和難點問題。

1　CFG樁復合地基的定義

CFG樁（Cement Flyash Gravel Pile）如圖1所示，全稱為水泥粉煤灰碎石樁，由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，通過機械成樁制成的可變強度樁，調整水泥摻量及配比（強度等級在C5～C30之間變化）。在CFG樁和樁間的混合下，褥墊層將與CFG樁復合地基共同工作，所以可根據復合地基性狀及計算進行工程設計。CFG樁一般不采用計算配筋，并且再次利用工業廢料——粉煤灰和石屑作摻和料，從而降低工程的造價。

圖1　CFG樁復合地基示意圖

2　CFG樁復合地基理論探討

2.1CFG樁樁體材料及其性狀

大量實驗結果表明，混合料坍落度對樁體強度有影響，前者越小，則后者越高。但是當CFG樁復合地基設計與應用研究是使用長螺旋壓灌施工時，情況便會不同。混合料坍落度的增大到一定數值，可能造成混合料分解，造成施工時的堵管。混合料坍落度倘若過小則會導致泵不能正常使用。綜合以上因素，CFG樁混合料坍落度的數值最好為16～20cm，而施工當中盡量避免取低值。

2.2垂直荷載作用下CFG樁復合地基的性狀

CFG樁、樁間土和褥墊層一起形成復合地基，在垂直荷載作用下，樁和樁間土都要發生變形。雖然樁的模量遠比土的模量大，樁比土的變形小，但是由于在基礎下面設置了褥墊層，樁可以向上刺入，伴隨這一變化過程，墊層材料不斷調整補充到樁間土上，以保證在任一荷載下樁和樁間土始終參與工作。

CFG樁復合地基由于設置了褥墊層，在一定荷載作用下，隨著時間的變化，樁間土表面的變形不斷增加，單樁和土的荷載分擔均為一常值，它不隨時間變化而變化。CFG樁復合地基隨著荷載的增加，樁承擔的荷載占總荷載的百分比逐漸增加，土承擔的荷載占總荷載的百分比逐漸減小。剛性基礎下的CFG樁復合地基在荷載一定時，隨樁長增加而增大，隨樁距減小而增大。土的強度越低，荷載的百分比越大；褥墊層越薄，總荷載的百分比越大；剛性基礎下的CFG樁群樁復合地基，樁所處的位置不同，受力的大小也不同，一般是角樁受力最大，邊中樁次之，中心樁最小。

CFG樁、樁間土和褥墊層一起形成復合地基，在垂直荷載作用下，樁和樁間土都要發生變形。雖然樁的模量遠比土的模量大，樁比土的變形小，但是由于在基礎下面設置了褥墊層，樁可以向上刺入，伴隨這一變化過程，墊層材料不斷調整補充到樁間土上，以保證在任一荷載下樁和樁間土始終參與工作。

CFG樁復合地基在剛性基礎下樁間土的應力分布為：在基礎邊緣應力較大，在基礎中間部分比較小。

2.3垂直荷載作用下CFG樁復合地基的變形特性

在通常情況下，樁體的模量越大，軸向力引起樁的壓縮變形越小，其可忽略不計。但樁任一斷面處的位移，可看為與樁頂的位移相等，而在此基礎上建立CFG樁復合地基，呈現變形模式。復合或天然地基變形的差異主要緣于樁的影響，其原因為：①在復合地基中，樁間土的變形受到樁的制約，其側向變形受到限制，這樣導致土的垂向變形減小。②因為褥墊層的設置，在復合地基中，樁存在負摩擦區，而樁給樁間土一個向上的作用力，使得其產生阻止樁間土的變形。

2.4邊載對CFG樁復合地基承載特性的影響

大量地基實驗研究了邊載對CFG樁復合地基承載性狀的影響，其中分析了CFG樁復合地基承載力和變形性狀、CFG樁復合地基中樁的承載性狀、CFG樁復合地基樁間土性狀和CFG樁復合地基樁、土荷載分擔。

（1）CFG樁復合地基承載力和變形性狀中，邊載作用讓CFG樁復合地基承載力大為提高，在同一荷載下，有邊載條件的沉降量要較低。其原因為，邊載作用抑制了基礎外側土體向上隆起，使得同一深度處的變形趨于平穩。

（2）CFG樁復合地基中樁的承載性狀實驗表明，CFG樁復合地基中的單樁承載力要比自由單樁大的多，同時還表明，無邊載條件下復合地基中樁的荷載差別較小，這些都說明邊載對復合地基中單樁承載力的影響不大。

（3）CFG樁復合地基樁間土性狀的研究表明，邊載對復合地基樁間土承載力的提高具有明顯的作用，有邊載條件下樁間土的承載力遠大于無邊載條件下樁間土的承載力，可見，邊載對復合地基中單樁承載力的影響不大，復合地基承載力的提高，主要是邊載使樁間土承載力提高所引起的。

（4）CFG樁復合地基樁、土荷載分擔的研究表明，在同一荷載水平時，有邊載條件下樁頂受力比無邊載條件下的小，樁土應力比也小，而樁間土則不同，有邊載條件下樁間土受力比無邊載條件下樁間土受力大。

2.5CFG樁復合地基褥墊層作用

褥墊層，如圖2所示，其設置為CFG樁復合地基在受荷后提供了樁上、下刺入的條件，保證了樁與樁間土始終是共同承擔荷載。褥墊層的作用主要表現在以下四個方面，即保證樁與樁間土始終是共同承擔荷載、調整樁和土荷載分擔比、減小基礎底面的應力集中、調整樁和土水平荷載分擔。

圖2　CFG樁復合地基褥墊層

其中，褥墊層的設置厚度不宜太小，如果厚度太小，不宜充分發揮樁間土的承載能力；同樣，褥墊層的設置厚度也不宜太大，如果厚度太大，不宜充分發揮樁的作用，通過大量工程實踐的總結，褥墊層的設置厚度一般宜為20～30cm。

3　CFG樁復合地基設計計算

3.1CFG樁復合地基承載力計算

復合地基是樁間土和樁共同承載，其計算是根據樁間土承載力和單樁承載力進行組合相加。CFG樁復合地基承載力用如下公式估算：

fsp.k——復合地基的承載力標準值（kPa）；

式中：m——面積的置換率；

Ap——樁截面的面積（m2）；

fs.k——天然地基土的承載力標準值（kPa）；

η——樁間土強度的提高系數，其值為加固后樁間土承載力與加固前樁間土承載力標準值之比。η=0；

λ——樁間土強度的利用度，一般取λ=0.9～0.95；變形要求高的工程則取λ=0.75～0.9；

R28——樁體28d的立方體試塊強度。

倘若使用單樁靜載荷試驗來求得單樁極限承載力Ru后，留可按如下式：

地基在經CFG樁處理后，可考慮基礎寬度和深度對地基承載力標準值的修正問題，其中寬度不作修正，且深度地基承載力修正系數一般取1.0，CFG樁復合地基在深度修正后，其地基承載力標準值fa為：

fa=fsp.k+γ0（d-1.5）

式中：γ0——底面以上土的平均重度，地下水位以下取有效重度；

d——基礎埋置的深度，m，一般以自室外地面的標高算起。

CFG樁復合地基承載力的計算，需滿足建筑物荷載要求，當承受軸心荷載時，應為：

PK≤fa

式中：PK——荷載標準所組合基礎底面處的平均壓力值。

當承受偏心荷載時，除滿足上式外，還應滿足下式要求：

PKMax≤1.2fa

式中：PKMax——相應于荷載效應標準組合基礎底面邊緣的最大壓力值。

3.2CFG樁復合地基設計

在CFG樁復合地基設計之前，首先要對施工場區巖土進行勘察，其次在此基礎上提出建筑結構設計報告，并確定其設計的五個參數：

（1）樁長l：CFG樁復合地基要求其端持力層需選擇較好的土層，樁長l受建筑物對地基承載力是否變形、土質條件和設備能力等因素影響。樁長確定后，可按如下公式計算樁的承載力。

式中：Up——樁的周長；

qsik——第n層土與土性和施工工藝有關的極限側阻力標準值：

hi——第n層土厚度；

qpk——與土性和施工工藝有關的極限端阻力標準值；

K——安全系數，取2.0。

（2）CFG的樁徑d，一般根據常用的施工設備來選取，一般樁徑的設計為350～600mm之間。

（3）樁間距s及其布樁原則：樁間距取值由地基承載力和變形、土質條件和施工設備等因素決定，設計時一般要求地基承載力取大，s取小值，但其中必須考慮相鄰樁之間的影響。

（4）樁體的強度：樁體試塊抗壓強度需滿足如下公式：

fcu≥3Rk/Ap

式中：fcu——樁體混合料試塊，其標準為養護28d立方體抗壓強度平均值（邊長為150mm立方體）；

Rk——豎向單樁承載力的標準值，kN；

Ap——樁的截面積，m2。

（5）褥墊層厚度及材料：褥墊層設置厚度一般20～30cm為宜，褥墊層材料可用粗砂、中砂來配以較好的砂石、碎石作為原料。

4　結論

本文對CFG樁復合地基的設計方法及工程中的實際應用進行了較為系統深入的研究，通過敘述了復合地基的發展與研究現狀、較全面地闡述了CFG樁復合地基的承載特性、加固機理、設計方法，說明了CFG樁復合地基法具有其它地基處理方法不可比擬的優勢。

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TU473.1

A

1673-0038（2015）16-0062-03

2015-3-25

莫志剛（1973-），男，漢族，河南西平人，高級工程師，碩士研究生，主要從事建設工程勘查設計工作。