CFG樁復(fù)合地基在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用探討

盛 超，石鵬程

（西北有色勘測(cè)工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710038）

CFG樁復(fù)合地基即為水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基（composite foundation with cement-fly ash-gravel piles）,由水泥、粉煤灰、碎石等混合材料加水拌和在土中灌注成豎向增強(qiáng)體,由豎向增強(qiáng)體和樁間土共同承擔(dān)上部荷載的復(fù)合地基[1]。

目前CFG樁復(fù)合地基的豎向增強(qiáng)體主要由混凝土灌注而成。可通過(guò)調(diào)整混凝土的強(qiáng)度等級(jí)使CFG樁復(fù)合地基的豎向增強(qiáng)體的強(qiáng)度發(fā)生變化。

CFG樁復(fù)合地基的主要工作機(jī)理為CFG樁豎向增強(qiáng)體和樁間土通過(guò)褥墊層的作用共同承擔(dān)上部建筑荷載。CFG樁復(fù)合地基工程造價(jià)比鋼筋混凝土樁略低。

1 CFG樁復(fù)合地基的工作機(jī)理

CFG樁復(fù)合地基的工作機(jī)理主要表現(xiàn)在置換、褥墊層、豎向增強(qiáng)體和樁間土互相約束[2]。

1.1 置換

目前CFG樁復(fù)合地基中豎向增強(qiáng)體主要由混凝土灌注而成。設(shè)計(jì)和施工中主要采用C20 及以上強(qiáng)度標(biāo)號(hào)的混凝土。故CFG樁豎向增強(qiáng)體的強(qiáng)度和壓縮模量是遠(yuǎn)大于樁間土的。在荷載作用下,豎向增強(qiáng)體樁頂沉降小于樁間土的沉降,基礎(chǔ)底面應(yīng)力在樁頂發(fā)生應(yīng)力集中,豎向增強(qiáng)體樁頂應(yīng)力比樁間土上部表面應(yīng)力大。豎向增強(qiáng)體承擔(dān)大部分上部荷載,而樁間土承擔(dān)小部分荷載。這樣,由于豎向增強(qiáng)體樁的作用使復(fù)合地基承載力提高,變形減小[3]。

1.2 褥墊層

褥墊層是CFG樁復(fù)合地基的重要組成部分。CFG樁復(fù)合地基中的褥墊層是在豎向增強(qiáng)體樁頂和建筑基礎(chǔ)之間由粒狀材料組成的散體材料墊層。褥墊層厚度一般為100 mm~300 mm,采用中砂、粗砂、級(jí)配良好的砂石或碎石、灰土等材料鋪設(shè),最大砂石粒徑不宜大于30 cm。

褥墊層的主要作用是調(diào)整CFG樁復(fù)合地基整體承擔(dān)上部荷載的狀態(tài)。當(dāng)CFG樁復(fù)合地基整體受荷載時(shí),豎向增強(qiáng)體的沉降變形比樁間土的沉降變形小,豎向增強(qiáng)體可以向上刺入褥墊層中,墊層材料不斷調(diào)整補(bǔ)充到樁間土上,也就能保證在任一荷載作用一下豎向增強(qiáng)體和樁間土始終共同承擔(dān)上部荷載。

1.3 增強(qiáng)體和樁間土互相約束作用

在CFG樁復(fù)合地基中,增強(qiáng)體對(duì)樁間土具有阻止土體側(cè)向變形的作用,樁間土向增強(qiáng)體提供樁體的側(cè)摩阻力。增強(qiáng)體強(qiáng)度越大,樁間土側(cè)向變形越小；樁間土強(qiáng)度越大,增強(qiáng)體的沉降變形越小。總體而言,CFG樁復(fù)合地基總體沉降變形是增強(qiáng)體和樁間土共同作用的結(jié)果。

2 CFG樁施工工藝和適用性

CFG樁復(fù)合地基常用施工工藝為長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注成樁、長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌成樁、振動(dòng)沉管灌注成樁、泥漿護(hù)壁成孔灌注成樁等[2]。

CFG樁復(fù)合地基方案主要適用于地基土為粘性土、粉土、素填土、砂土、碎石土等地層,穿越卵石夾層時(shí)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定實(shí)用性。

CFG樁復(fù)合地基的施工工藝往往根據(jù)工程場(chǎng)地內(nèi)的地質(zhì)條件、施工條件、設(shè)計(jì)要求、當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ夹g(shù)配備條件等綜合確定。在西安市內(nèi)長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌成樁較為常見。

3 在濕陷性黃土地區(qū)的使用

由于常采用長(zhǎng)螺旋鉆孔的施工工藝,CFG樁復(fù)合地基不具備消除地基土濕陷性的能力。為滿足工程建設(shè)的需要,先進(jìn)行預(yù)處理消除地基土的濕陷性,再采用CFG樁復(fù)合地基提高地基土的承載力[4]。

4 存在問(wèn)題

根據(jù)規(guī)范《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50025-2018）要求,在濕陷性黃土場(chǎng)地,乙類、丙類建筑應(yīng)采取地基處理措施消除地基的部分濕陷量[5]。

4.1 濕陷性土層預(yù)處理的深度

現(xiàn)于濕陷性黃土場(chǎng)地?cái)M建1棟15 F公寓,設(shè)計(jì)基底荷載400 kPa,按《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》判定為乙類建筑,場(chǎng)地為自重濕陷場(chǎng)地,濕陷等級(jí)為級(jí)II中等,基底濕陷土層厚度約為10 m。為滿足規(guī)范（GB 50025-2018）第6.1.4 條第二款的規(guī)定,當(dāng)采用擠密樁預(yù)處理+CFG樁復(fù)合地基（采用長(zhǎng)螺旋鉆孔施工工藝）,應(yīng)確定濕陷性土層預(yù)處理的深度。

有兩種方案：①按規(guī)范要求處理濕陷性土層的2/3 厚度；②處理全部濕陷性土層。

①按規(guī)范要求處理濕陷性土層的2/3 厚度的理由：在采用擠密樁處理了全部濕陷性土層的上部2/3 后,已滿足規(guī)范的要求。在上部建筑采取結(jié)構(gòu)措施和檢漏防水措施后,上部水不會(huì)滲入下部濕陷性土層,地基不會(huì)濕陷變形。CFG樁復(fù)合地基在初步設(shè)計(jì)時(shí),下部未處理的濕陷性土層參數(shù)可采用土體飽和狀態(tài)下的,從而折減復(fù)合地基強(qiáng)度,留有安全儲(chǔ)備。

②處理全部濕陷性土層的理由：CFG樁復(fù)合地基不具備消除地基土濕陷性的能力且樁間土需要承擔(dān)部分上部荷載。不處理的濕陷性土層是潛在的質(zhì)量、安全隱患,應(yīng)消除地基土的全部濕陷量。

本工程建設(shè)中采用方案②。方案①雖滿足規(guī)范條文的要求,可仍然存在安全隱患,方案②更加穩(wěn)妥,能確保建筑的安全穩(wěn)定。

4.2 濕陷性土層預(yù)處理

現(xiàn)于濕陷性黃土場(chǎng)地?cái)M建1棟15 F公寓,設(shè)計(jì)基底荷載400 kPa,按《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》判定為乙類建筑,場(chǎng)地為非自重濕陷場(chǎng)地,濕陷等級(jí)為級(jí)I輕微,基底濕陷土層厚度約為5 m。按規(guī)范（GB 50025-2018）第6.1.4 條規(guī)定,在非自重濕陷性黃土場(chǎng)地,地基處理厚度不應(yīng)小于地基壓縮層深度的2/3,且下部未處理濕陷性土層的濕陷起始?jí)毫χ挡粦?yīng)小于100 kPa。

為滿足規(guī)范（GB 50025-2018）第6.1.4 條第一款的規(guī)定,當(dāng)采用CFG樁復(fù)合地基（采用長(zhǎng)螺旋鉆孔施工工藝）,應(yīng)確定濕陷性土層是否需要預(yù)處理。

仍有兩種方案：①不預(yù)處理；②采用擠密樁預(yù)處理。

①不預(yù)處理的理由：擬建場(chǎng)地為非自重濕陷地,濕陷等級(jí)為級(jí)I輕微（地基濕陷量小于100 mm）,在上部建筑采取結(jié)構(gòu)措施和檢漏防水措施后,水不會(huì)滲入下部濕陷性土層,地基已不再具有濕陷性。CFG樁復(fù)合地基在初步設(shè)計(jì)時(shí),未處理的濕陷性土層參數(shù)可采用土體飽和狀態(tài)下的,從而折減復(fù)合地基強(qiáng)度,留有安全儲(chǔ)備。地基處理方案更經(jīng)濟(jì)。

②采用擠密樁預(yù)處理的理由：CFG樁復(fù)合地基不具備消除地基土濕陷性的能力且樁間土需要承擔(dān)部分上部荷載。不處理的濕陷性土層是潛在的質(zhì)量、安全隱患,應(yīng)按規(guī)范要求消除地基土的部分濕陷量,未處理的濕陷性土層參數(shù)采用土體飽和狀態(tài)下的,從而折減復(fù)合地基強(qiáng)度,留有安全儲(chǔ)備。

針對(duì)具體情況需要具體分析。當(dāng)擬建場(chǎng)地地基浸水可能性較大時(shí),應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求先處理地基土的濕陷性,而后再采用CFG樁方案。

4.3 方案比選。

西安市北郊某水利單位擬建1棟28 F公寓,三層地下室,框剪結(jié)構(gòu),筏板基礎(chǔ),基底荷載600 kPa,基礎(chǔ)埋深16.0 m。場(chǎng)地為自重濕陷性場(chǎng)地,濕陷等級(jí)為II級(jí)（中等）,地層情況大致為：①層自重濕陷性黃土,厚11.0 m,②層無(wú)濕陷性黃土,厚9.0 m；③層中砂,厚15.0 m；④層粉質(zhì)粘土,厚5.0 m；⑤層中砂,厚35.0 m。水位埋深15.0 m。該擬建建筑地基基礎(chǔ)方案可從CFG樁復(fù)合地基和鉆孔灌注樁中選取。

當(dāng)CFG樁的樁體強(qiáng)度為C30,樁距1.5 m等邊三角形布置,樁徑400 mm時(shí),按照規(guī)范（JGJ 79-2012）7.1.5條計(jì)算CFG樁復(fù)合地基承載力特征值fspk,CFG樁樁長(zhǎng)22.0 m可滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)鉆孔灌注樁樁徑為0.8 m時(shí),按規(guī)范（JG J94-2008）式5.3.5計(jì)算灌注樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值,樁長(zhǎng)為30 m可滿足設(shè)計(jì)要求。方案比選見表1。

綜上所述,CFG樁復(fù)合地基方案相較樁基礎(chǔ)有很多優(yōu)點(diǎn),但其仍存在一些問(wèn)題：

①CFG樁復(fù)合地基方案沉降較大。從CFG樁復(fù)合地基的檢測(cè)資料中發(fā)現(xiàn),當(dāng)荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),沉降一般為20 mm~30 mm,同荷載的樁基礎(chǔ)僅為10 mm~15 mm。對(duì)沉降變形極為敏感的建筑物應(yīng)優(yōu)先考慮樁基礎(chǔ),沉降大會(huì)導(dǎo)致建筑的變形等問(wèn)題[4]。

②CFG樁成樁質(zhì)量較難控制,易出現(xiàn)斷樁和縮頸樁的情況,從而影響建筑質(zhì)量。破樁頭時(shí),稍有不慎容易破壞CFG樁樁體,從而造成斷樁事故。

③CFG樁的抗震性差。CFG樁樁身的主料為素混凝土等材料,樁身水平抗剪能力差。雖在樁頂設(shè)有褥墊層,讓樁、土一起分擔(dān)水平荷載,減少上部主體建筑受震蕩影響,但下部樁體很可能會(huì)在水平荷載作用下發(fā)生剪切斷裂,降低整個(gè)地基土的承載能力,從而使主體建筑產(chǎn)生較大沉降變形及傾斜。

5 結(jié)語(yǔ)

CFG樁復(fù)合地基在濕陷性場(chǎng)地設(shè)計(jì)使用時(shí),應(yīng)首先考慮消除地基土的濕陷性。自重場(chǎng)地應(yīng)消除全部濕陷性,非自重場(chǎng)地應(yīng)按規(guī)范要求消除部分濕陷性。高層建筑在采取CFG樁符合地基時(shí),應(yīng)多方面考慮,不可僅從其經(jīng)濟(jì)性著眼。