淺析CFG樁復合地基設計計算

高?春?卓志榮

（中化地質礦山總局河南地質勘查院，河南 鄭州 450000）

淺析CFG樁復合地基設計計算

高?春?卓志榮

（中化地質礦山總局河南地質勘查院，河南 鄭州 450000）

水泥粉煤灰碎石樁法在軟土地基處理中得到廣泛使用， 這種樁能充分利用工業廢渣廢料，且具有施工速度快、工期短、質量容易控制、工程造價低的特點，近年來隨著其理論和工藝的不斷提高，應用范圍愈來愈廣。本文主要介紹CFG樁特點、CFG樁單樁豎向承載力的確定、CFG樁復合地基承載力和CFG樁復合地基變形計算。

單樁豎向承載力；復合地基承載力 ；復合地基變形計算

水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）法適用于處理粘性土、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。水泥粉煤灰碎石樁應選擇承載力相對較高的土層作為樁端持力層。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，可適用于以承受豎向荷載為主的基礎，如條形基礎、獨立基礎、箱形基礎和筏板基礎等。

隨著CFG樁設計施工技術的成熟和推廣，該項成果在工程實踐中得到了廣泛的應用。具體特點如下：（1）具有承載力提高幅度大，地基變形小。（2）具有高粘結強度，屬于剛性樁。（3）經濟效益好，與樁基礎相比，由于CFG樁樁體材料可以摻入工業廢料粉煤灰，不配鋼筋以及充分發揮樁間土的承載能力，工程造價一般為樁基礎的1/3～1/2。（4）社會效益好，在有條件的地方應盡量利用工業廢料作為摻和料，廢料利用，社會效益非常顯著。（5）施工工藝簡單，施工速度快，工期短。（6）質量容易控制。

由于CFG樁設計施工技術在工程中的成熟和推廣，使得CFG樁的需求很大，而實際的工業廢料粉煤灰有限。因此，在實際工程中很多CFG樁的樁體材料被素混凝土代替，它在樁體材料配合比上比素混凝土樁更追求經濟效益的優點并沒有完全體現出來。

1 豎向荷載作用下樁、土受力特性

CFG樁、樁間土和褥墊層一起形成了復合地基，屬地基范疇。盡管有時CFG樁樁體強度等級與樁基中的樁的強度等級相同，但由于在CFG樁和基礎之間設置了褥墊層，在豎向荷載作用下，樁基中的樁、土受力和CFG樁復合地基中的樁、土受力有著明顯的不同。

對于CFG樁復合地基，當基礎承受豎向荷載時，樁和樁間土都要發生沉降變形。樁的模量遠比土的模量大，故樁比土的變形小；由于基礎下面設置了一定厚度的褥墊層，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，以保證在任一荷載作用下樁和樁間土始終參與工作。由于褥墊層的設置，隨著時間的變化，樁間土表面的變形不斷增加，但樁和土的荷載分擔均為一常值，它不隨時間的變化而改變。荷載較小時，土承擔的荷載大于樁承擔的荷載；隨著荷載的增加，樁間土承擔的荷載占總荷載的百分比逐漸減小，樁承擔的荷載占總荷載的百分比逐漸增大。CFG樁復合地基中，任一荷載下樁頂的沉降、樁間土表面的沉降以及基礎的沉降均不相同。由于褥墊層的設置，無論樁端落在軟土層還是硬土層上，CFG樁復合地基從加載一開始樁就存在一個負摩擦區。土對樁的負摩擦作用并非有害，它對提高樁間土的承載力、減少復合土層的變形起著有益的作用。剛性基礎下樁間土上的應力分布趨勢為，在基礎邊緣應力較大，在基礎中間部分應力較小。

2 CFG樁單樁豎向承載力特征值Ra的確定

單樁豎向承載力特征值Ra的取值，應符合下列規定：

（1）當采用單樁載荷試驗時，應將單樁豎向極限承載力除以安全系數2。

（2）當無單樁載荷試驗資料時，可按下式估算［3］：

式中，Up為樁的周長，n為樁長范圍內所劃分的土層數，qsi、qp為樁周第i層土的側阻力、樁端端阻力特征值，可按現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》GB50007 有關規定確定，li為第i層土的厚度。

3 CFG樁復合地基承載力特征值的計算

《建筑地基基礎設計規范》（GB5007—2002）對復合地基承載力給出了確定原則，即復合地基承載力特征值應通過現場復合地基載荷試驗確定，或采用增強體的載荷試驗結果和其周邊土的承載力特征值結合經驗確定。《建筑地基處理技術規范》（JGJ79—2002）同樣強調復合地基承載力特征值應通過現場復合地基載荷試驗確定，初步設計時可按下式估算［3］：

式中，fspk為復合地基承載力特征值；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值；Ap為樁的截面積；β為樁間土承載力折減系數，宜按地區經驗取值，如無經驗時可取0．75～0．95，天然地基承載力較高時取大值；fsk為處理后樁間土承載力特征值，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。

實際工程中，有條件先在擬建場地做現場載荷試驗，可為設計提供可靠的設計參數。而很多情況下是在無試驗資料條件下按式（2）估算復合地基承載力，但要結合工程實踐經驗，合理確定Ra、fspk、β等的取值。出于對工程安全的考慮，希望公式計算值接近但不大于載荷試驗結果，而大量試驗結果表明，公式計算結果一般不大于載荷試驗結果。分析其原因，主要有以下三點［1～5］：

（1）地基中的單樁與自由單樁承載性狀不同：嚴格地說，式（2）中的Ra應為復合地基中單樁豎向承載力特征值，而在實際計算中，采用的是自由單樁豎向承載力特征值。復合地基中的單樁不同于自由單樁的一個重要特點是，由于樁間土應力在樁側土中產生一個較大的豎向應力增量，使得樁的承載特性與自由單樁不同。復合地基中單樁承載力要比自由單樁承載力大，用自由單樁試驗結果估算復合地基中單樁承載力是偏于安全的。

（2）復合地基中的樁間土和天然地基的承載特性不同。分析原因，主要由于樁和褥墊層的參與，一般認為有兩個方面：

1）樁的約束作用：復合地基中樁的存在，使樁間土的側向變形受到限制，從而使土的豎向變形減小。樁對樁間土的約束作用同樁的數量和置換率有關。單樁復合地基，樁的約束作用最小，群樁復合地基，樁數越多，置換率越大，則約束作用越大。

2）負摩擦區的影響：由于褥墊層的設置，復合地基中樁存在負摩擦區，如圖1。在該區，樁給樁間土一個向上的作用力，其作用是阻止樁間土的變形。

圖1 復合地基中樁的摩阻力示意圖

因此，如采用天然地基承載力特征值計算復合地基承載力，其結果也是偏于安全的。

(3）計算公式（2）引入了小于1的折減系數β。β與樁間土承載能力發揮程度有關，根據地區經驗取值，無經驗時可取0．75～0．95。由于β小于1，使公式計算結果偏于安全。

4 復合地基變形計算

對于復合地基的沉降變形有兩部分組成，第一部分是復合加固區的沉降變形S1，加固區的沉降變形從計算方法上有：復合模量法、應力修正法（Es法）、樁身壓縮量法（Ep法）等。第二部分是加固區以下下臥層的沉降變形S2，褥墊層的沉降變形在施工過程中基本完成，計算時可不考慮，計算方法采用等效作用分層總和法。其總沉降變形量s基本表達式為：S=S1+S2。地基土分層如圖2所示。

圖2 復合地基中地基土分層示意圖

（1）加固區的沉降變形［4～8］：加固區的沉降變形從計算方法采用規范推薦復合模量法，計算方法是將加固區中的樁體和樁間土作為復合體，復合體的壓縮模量采用分層復合模量（Espi），分層按天然土層劃分，采用分層總和法計算S1：

式中，△pi一第i層復合土附加應力增量；hi一第i層復合土的厚度；n一復合土分層總數；Espi—第i層復合土的復合模量。《建筑地基處理技術規范》（JGJ79—2002）規定應按分層總和法，復合土層的分層與天然地基相同，各復合土層的復合模量Espi按下式確定：

Esi一基礎底面下第i層土的壓縮模量；S一復合模量系數；fspk一復合地基承載力特征值；fak一基礎底面下天然地基承載力特征值。

當樁端未全部進入第⑤層土時，如圖2所示，樁端入土部分的土層屬于加固區土層，樁未達到的土層為下臥層土層，該層土上部采用復合模量，下部采用天然土的壓縮模量，計算時要注意。

（2）下臥層的沉降變形：加固區以下下臥層的沉降變形S2，采用應力擴散后的應力計算，用擴散后應力作用寬度作為計算寬度，采用分層總和法計算。其總沉降變形量s基本表達式為：S=S1+S2。

5 結論

本文主要介紹了CFG樁的特點、單樁承載力的確定、復合地基承載力及地基變形的計算。復合地基在我國地基處理中應用與發展了近40年，CFG樁復合地基是我國推廣的新樁法之一。CFG樁與樁間土共同通過與基礎間的柔性褥墊層始終與整個基礎底面接觸，形成了樁土協和體，顯著提高了地基承載力。同時使其地基承載力具有較強的變調性質，從而使其應用范圍的彈性較其他柔性樁或剛性樁大得多。因此，水泥粉煤灰碎石樁法復合地基在我國得到廣泛應用。

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2016-07-18