CFG 樁在高擋土墻地基加固中的應用

劉 毅，蔡佳愿

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引 言

擋土墻是邊坡支護的一種主要形式，在土建工程中應用很廣。隨著我國建設的快速發展，擋土墻工程建設規模不斷擴大。隨著擋土墻高度的增加，其對地基承載力的要求也越來越高。一般的土質地基通常難以滿足地基承載力的要求。如何有效、安全、經濟地提高擋土墻下地基承載力，是一個非常有意義的課題。

當天然地基不滿足上部結構要求時，則需要進行地基處理，CFG 樁即是一種有效的地基處理方法。CFG 樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結強度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復合地基。CFG 樁可適用于堅硬、密實的土質地基，有效提高土質地基的承載力，與樁基相比，其可以摻入粉煤灰且無需配筋，還能充分發揮樁間土的承載能力，具有顯著的經濟和社會效益。

CFG 樁復合地基在工程中得到了廣泛的應用，促使了國內外專家對其的深入研究。閻明禮等［1－3］對 CFG 樁的作用機理、設計方法進行了全面的闡述和系統的研究，探討了 CFG 樁復合地基在水平荷載作用下的承載性狀。董必昌等［4］分析了 CFG 樁復合地基的變形模式，推導出全新的樁土應力比公式。鄧躍光等［5］探討了樁復合地基工程設計的問題，指出了 CFG 樁在設計過程中需要注意的事項。楊麗君等［6］對 CFG 樁復合地基中的褥墊層的主要作用進行了研究，并探討了墊層材料和厚度對加固作用的影響。

本文針對 CFG 樁復合地基在擋土墻地基加固的應用，以某擋土墻工程為應用實例，結合有限元模型，分析了其作為擋土墻地基的可行性和注意事項。

1 CFG 樁加固機理

CFG 樁復合地基的加固機理主要可概括為樁體的置換作用和褥墊層的調整均化作用。

由于 CFG 樁的壓縮性比樁間土小，因此基礎傳遞給地基的附加應力，隨著地層變形逐漸集中到樁體上，大部分荷載將由樁體承受，樁間土受力相應減小，以此提高地基承載力。CFG 樁身具有黏結強度，在荷載作用下不會出現壓脹變形，樁承受的荷載可通過樁周摩擦阻力和樁端阻力傳至深層地基中。

經張尚東等［7］進行的現場測試發現，CFG 樁復合地基的樁土應力比較大，為 37～55。為了充分地發揮樁間土的承載能力，宜采用疏樁設計。同時在設計中，應在樁頂與基礎之間設置褥墊層，不僅可以提供樁頂刺入的條件，也可以減少基礎底面的應力集中現象。隨著樁頂向上刺入褥墊層，墊層材料不斷調整補充至樁間土上，保證了樁和樁間土始終一起參與工作，這是 CFG 樁與樁基最明顯的差異。

與普通復合地基設計不同，在擋土墻工程中，墻后土體產生的主動土壓力將通過擋土墻身傳遞給地基，造成較大的偏心荷載和水平荷載，對地基設計有非常大的影響。當基礎受水平荷載時，樁、土將共同分擔水平荷載，分擔比例與褥墊層厚度有關。水平荷載傳遞如式（1）、（2）所示［8］。

式中：Q 為總水平荷載，kN；Qp為傳到樁上的水平力，kN；Qs為傳到樁間土上的水平力，kN；ps為樁間土分擔的荷載，kN；μ 為基礎和土之間的摩擦系數，通常為 0.25～0.45。

當褥墊層厚度為 0 時，上部荷載主要由樁承擔，因此 ps較小，Qs也很小，此時水平荷載主要由樁來分擔，樁承受較大的水平荷載。

當褥墊層厚度增大，褥墊層、樁體和樁間土可以整體作為土體來承受水平荷載?；A底部水平荷載通過褥墊層向下傳遞時，作用在樁頂和樁間土上的切應力相差不大，單根 CFG 樁頂受的剪力如式（3）所示。

式中：m 為 CFG 樁復合地基置換率，%；A 為單根 CFG 樁所對應地基處理面積，m2；τp為基礎傳到復合地基頂部的切應力，kPa。

由此可見，樁體所受水平荷載的比例大體與面積置換率 m 相當，且隨著褥墊層厚度增大，該比例越接近于置換率 m 。此時樁受的水平荷載很小，水平荷載主要由樁間土承擔。

2 工程應用實例

2.1 工程概況

某擋土墻工程墻高 13.3 m，基礎寬度 5.07 m，埋深 1.5 m，采用毛石混凝土擋土墻進行支護，邊坡安全等級為一級。由于擋土墻高度較高，按規范計算每延米擋土墻基底所受總豎向力為 1 850 kN，總水平力為 517 kN，作用于基底的合力偏心距為 0.19 m。經驗算持力層地基承載力要求不應小于 396 kPa，天然地基難以滿足，因此采用 CFG 樁復合地基進行處理。

2.2 工程地質條件

根據鉆探揭示，地基土自上而下依次如下所示。

①素填土：主要以粉質黏土為主，含少量建筑垃圾、碎磚塊等，稍密狀，層厚 0.9～4.5 m。

⑤-2硬塑狀黏性土：主要為粉質黏土質，黏性較好，為砂巖、泥質砂巖、泥巖風化殘積土，層厚2.4～6.3 m。

⑥全風化砂巖、砂質泥巖，為紫紅色，泥質膠結，厚 0.5～6.7 m，差別大。

⑦-1 強風化砂質泥巖：粉砂質、泥質結構，中厚層狀構造，巖體基本質量等級為Ⅴ級。

2.3 地基處理方案

對地質較不利鉆孔進行分析，擋土墻基礎持力層為 ⑤-2 層硬塑狀黏性土，地基承載力特征值 250 kPa，無法滿足擋土墻對地基承載力的要求。通過對樁基和 CFG 樁復合地基進行比選，考慮其經濟性，采用了 CFG 樁進行地基加固。CFG 樁復合地基處理后樁間土的承載力特征值可取天然地基承載力特征值，因此可以有效地發揮原有地基土的天然承載力，在此基礎上發揮樁體的荷載傳遞效果，可以有效地提升地基承載力。

根據勘察報告，樁間土承載力特征值為 250 kPa。根據樁周土摩阻力和端承力計算單樁承載力特征值 為 682 kN。復合地基承載力計算公式如式（4）所示。

式中：fspk為復合地基承載力特征值，kPa；Ra為樁截面積，m2；λ 為單樁承載力發揮系數，可取 0.8；β 為樁間土承載力發揮系數，可取 0.9；fsk為樁間土承載力，kN。反算置換率 m 不應小于 0.07。

綜上所述，本工程地基處理設計方案為 CFG 樁復合地基，樁徑 500 mm，間距 1.7 m，置換率 7.8 %，單樁長度 9 m，樁端進入全風化泥巖或者強風化泥巖，正三角形布置，位于擋土墻下方，共布置 4 排。褥墊層材料采用級配碎石，厚度 300 mm。

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用有限元軟件 Plaxis 3D 建立的相關模型，結合軟件特點，進行以下假設。

1）在模擬計算中，采用摩爾-庫倫理想彈塑性本構關系，屈服準則為摩爾-庫倫強度準則。

2）邊界條件采用標準設置，即模型四周水平方向固定，底部水平和豎直方向均固定。

3）引入接觸單元，模擬樁與土層、褥墊層與土之間的接觸問題。

有限元建模過程中，墻后填土和褥墊層均采用土單元模擬，CFG 單樁的模擬采取軟件里“Embedded pile”單元，此單元需要賦予樁體側摩阻力及端承阻力，使得其模擬出來的情況最大化接近實際工程。建立計算模型時各土層采用的材料性質參數如表1 和表2 所示。

表2 “Embedded pile”單元參數表

3.2 計算過程

1）模擬地基初始應力狀態。此步產生的位移在下步計算時初始化為零。

2）施工 CFG 樁和鋪設 30 cm 厚碎石墊層。

3）澆筑擋土墻墻身，回填墻前覆土和部分墻后填土。

4）回填全部墻后填土，并激活擋土墻頂部使用期荷載。

3.3 計算結果

有限元計算模型網格劃分如圖1 所示。

圖1 計算模型有限元網格劃分

表1 土層和模擬材料參數表

采用天然地基和 CFG 樁復合地基，擋土墻施工完成至使用期的總位移等值云圖分別如圖2～3 所示。

圖2 天然地基擋土墻總位移云圖

圖3 CFG 樁復合地基擋土墻總位移云圖

由圖2 和圖3 可見，CFG 樁復合地基能有效地減少擋土墻墻身的位移，但對墻后填土的作用很小。主要原因是 CFG 樁位于擋土墻墻身下方，能有效地提高地基剛度，減小擋土墻的豎向位移。墻后填土的變形主要由擋土墻的水平位移引起，CFG 樁復合地基對此影響較小。

此外，上述兩種工況對應的整體穩定系數分別為 1.255 和 1.380，可見 CFG 樁復合地基對提升邊坡擋土墻的整體穩定性具有一定的作用，但效果并不明顯。然而根據崔哲［9］等對某發生了嚴重滑塌事故擋土墻的分析，當采用 CFG 樁進行基底處理設計時，應確認是否存在潛在的滑動面穿過 CFG 樁樁身，如存在，則應慎重考慮 CFG 樁的抗剪能力，當樁基基礎需要考慮抗剪設計時，不建議采用 CFG 樁。因此，出于安全保守考慮，擋土墻進行整體穩定性考慮的時候，可不考慮 CFG 樁的作用。如有必要，應通過試驗以取得復合地基的黏聚力和內摩擦角。

每跨計算單元分布有 4 根 CFG 樁，由墻趾向墻踵方向依次編號。其單樁受力情況如表3 所示，不同位置單樁受力情況略有差異，靠墻趾一側單樁豎向荷載最大 411.5 kN，墻踵位置荷載最小。每跨計算單元內 CFG 樁承受豎向總荷載 1 582.1 kN，上部基礎傳遞的總荷載為 1 850×1.7=3 145 kN，樁體受力占總荷載的 50.3 %，大大減小了樁間土承受的豎向荷載，因此能有效地提高地基承載力。

表3 CFG 樁頂荷載計算結果

擋土墻下 CFG 樁剪力的分布形式如圖4 所示，最大剪力發生于樁頂，其值即為樁頂的水平荷載。為研究褥墊層厚度對樁頂水平荷載的影響，在有限元分析中，采用了不同碎石墊層厚度對其進行了模擬，結果如圖5 所示。

圖4 CFG 樁樁身剪力模擬分布圖

圖5 樁頂水平荷載與碎石墊層厚度關系圖

由圖5 可見，褥墊層厚度對樁頂所受的水平荷載有較大的影響。當褥墊層厚度較小時，樁頂水平荷載與褥墊層厚度近似呈反比線性關系，隨著褥墊層厚度增大而減小。這一點與閻明禮等的研究相符。而在褥墊層厚度為 0 時，數值計算得出的作用于樁頂水平荷載之和還是明顯小于總水平荷載，即在不設置褥墊層的條件下，樁土依然共同承受水平荷載，比例接近于 1∶1，并非完全由樁體承擔。當褥墊層厚度超過 30 cm 以后，其厚度對樁頂水平荷載影響逐漸減小，此時單樁頂水平荷載為 35.3 kN，占總水平荷載的 16.1 %，其值大于 CFG 樁復合地基置換率，經驗算水平承載力滿足安全要求。

4 結 論

通過對工程實例的分析介紹，運用有限元 Plaxis 3D 軟件對擋土墻下 CFG 樁復合地基進行數值模擬，分析了 CFG 樁對擋土墻地基加固的作用與樁體受力情況，得出如下結論。

1）CFG 樁復合地基能有效地提高地基承載力，可滿足高擋土墻對地基承載力的要求，與此同時還能有效地減少擋土墻墻身的豎向沉降，但對水平位移作用不大。

2）CFG 樁復合地基能提高擋土墻邊坡的整體穩定性，但效果有限，在進行擋土墻支護設計中，不建議考慮 CFG 樁的作用。如需考慮，應通過試驗以取得復合地基的黏聚力和內摩擦角。

3）對于擋土墻下的 CFG 樁復合地基，褥墊層厚度對其所受水平荷載有至關重要的影響。隨著褥墊層厚度的增大，樁體所受水平荷載迅速減小，為防止 CFG 樁被剪壞，褥墊層厚度不宜小于 20 cm。