CFG桩在湿陷性黄土地区的应用

[摘 要]： 简介CFG桩复合地基承载机理和设计参数的确定；结合工程实例，介绍CFG桩在湿陷性黄土地区的设计及应用价值。

关键字：CFG桩；复合地基；沉降；检测

 

随着工程建设的飞速发展，地基处理手段也日趋多样化，复合地基由于其充分利用桩间土和桩共同作用的特有优势和相对低廉的工程造价得到了越来越广泛的应用。CFG桩复合地基，能充分发挥CFG桩的高承载力性能和抗变形性能，通过褥垫层的设置发挥桩间土的承载力。

 

一、基本原理

 

　　CFG桩复合地基粘结强度桩是复合地基的代表，目前多用于高层和超高层建筑中。CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称(即Cement-FIyash-Gravel pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，使之具有刚性桩的某些性状；一般情况下不仅可以全桩长发挥桩的侧阻作用，当桩端落在好土层时也能很好地发挥端阻作用，从而表现出很强的刚性桩性状；CFG桩和桩间士、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。由于桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间士表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上CFG桩不配筋，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺和料，大大降低了工程造价。

复合地基设计中，基础与桩和桩间土之间设置一定厚度散体粒状材料组成的褥垫层，是复合地基的一个核心技术。基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。若不设置褥垫层，复合地基承载特性与桩基础相似，桩间土承载能力难以发挥，不能成为复合地基。对于CFG桩复合地基，当基础承受竖向荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的模量远比土的模量大 ，故桩比土的变形小，由于基础下面设置了一定厚度的褥垫层，桩可以向上刺入。伴随这一变化过程，垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一荷载作用下桩和桩间土始终参与工作，使桩、土共同承担荷载。

 

二、设计参数

 

CFG桩复合地基设计主要确定以下5个设计参数，分别为桩长、桩径、桩间距、桩体强度、褥垫层厚度及材料。

1、桩长。CFG桩复合地基要求桩端落在好的土层上，这是CFG桩复合地基设计的一个重要原则。因此，桩长是CFG桩复合地基设计时首先确定的参数。取决于建筑物对承载力和变形的要求、土质条件和设备能力等因素。设计时应根据勘察报告分析各土层，确定桩端持力层和桩长、并计算单桩承载力。

2、桩径d。CFG桩桩径的确定取决于所采用的成桩设备，一般设计桩径为350mm~600mm。

3、桩间距s。一般桩间距s=（3-5）d，桩间距的大小取决于设计要求的复合地基承载力和变形、土性与施工机具。一般设计要求的承载力高时s取小值，但必须考虑施工时相邻桩之间的影响，就施工而言，希望采用较大的桩距和较长的桩长，因此s的大小应综合考虑。

4、桩体强度。原则上，桩体配合比按桩体强度控制，桩体试块抗压强度应满足下式要求：

fcu≥3Ra/Ap

式中：fcu-桩体混合料试块（边长150mm立方体）标准养护28d立方体抗压强度平均值（KPa）；

  Ra-单桩竖向承载力特征值（KN）；

  Ap-桩的横截面积（m²）。

5、褥垫层厚度及材料。褥垫层厚度一般取10~30cm为宜，当桩径和桩间距过大时，结合对土性的考虑，褥垫层厚度还可适当加大。褥垫层材料可用粗砂、中砂、碎石、级配砂石（最大粒径不宜大于30mm）。

 

三、工程概况

 

某锅炉房占地1075m²(43mx25m)，平面形状为长方形，主楼高26.5m，局部楼高30m，结构型式为框排架结构。该场地经过平整，地形较平坦，地貌单元属巴公盆地东部平缓黄土丘陵区，工程地质条件如表1所示。

 

表1 工程地质物理力学指标

 

土层名	厚度/m	承载力特征值fak(KPa)	极限侧阻力标准值qsk(KPa)	极限端阻力标准值qpk(KPa)
素填土	5.6~6.4		-15
黄土状粉质粘土	5.5~6.9	95	-10
粉质粘土	0.5~1.7	240	80	450
粉质粘土	0.9~1.8	170	50	400
粉质粘土	4.0~5.0	260	85	500
粉质粘土	2.1~3.8	190	60
粉土	4.0~5.6	300	90
全-强风化泥质页岩		400	115
中风化砂岩		900	350	2500

 

四、方案选择

 

拟建场地地表以下29m为中风化泥质页岩，岩层较深，上部无较好的持力层。三层以上的素填土和黄土状粉质粘土层较厚，总厚约13m，整个场地为自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为II级。场地虽然经过强夯，但处理深度不够，6~11m仍具湿陷性，剩余湿陷量大于150mm，且承载力不能满足设计要求。在设计过程中，经过多方案比较，最终采用CFG桩处理地基，桩径40cm，有效桩长不小于13m，桩身强度≥11.9MPa，设计要求复合地基承载力特征值fspk≥250KPa。考虑到场地已经过强夯处理，故CFG桩采用长螺旋钻成孔、管内泵送混合料灌注成桩，能有效挤密桩周土；褥垫层采用级配砂石（最大粒径不宜大于30mm），厚度为0.2m。

 

五、复合地基承载力的计算

 

结合工程实践经验，CFG桩复合地基特征值可用下面的公式进行估算：

fspk=mRa/Ap+β（1-m）fsk

式中：fspk-复合地基承载力特征值（KPa）；

      m-面积置换率；

      Ra-CFG单桩竖向承载力特征值（KN）；

      Ap-CFG单桩的横截面积（m²）；

      β-桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取（0.75~0.95），天然地基承载力较高时取大值；

      fsk-处理后桩间土承载力特征值（KPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。

单桩竖向承载力特征值Ra的取值，应符合下列规定。

1、当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2；当无单桩载荷试验资料时，可按下式估算：

 

Ra=up∑qsili+qpAp

式中：up-桩的周长（m）；

      n-桩长范围内所划分的土层数；

      qsi-桩周第i层土的侧阻力特征值（KPa）,与土性和施工工艺有关，可按地区经验确定，当无经验值时，可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定确定；

      li-第i层土的厚度（m）；

      qp-桩端端阻力特征值（KPa），与土性和施工工艺有关，可按地区经验确定，当无经验值时，可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定确定；

      Ap-桩的截面积（m²）。

2、经CFG桩处理后的地基，当考虑基础宽度和深度对地基承载力特征值进行修正时，一般宽度不作修正，即基础宽度的地基承载力修正系数取零，基础埋深的地基承载力修正系数取1.0。经深度修正后CFG桩复合地基承载力特征值fa为

fa=fspk+r₀(d-0.5)

式中：r₀-基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度；

      d –基础埋置深度（m），一般自室外地面标高算起。

CFG桩复合地基承载力计算时需满足建筑物荷载要求，当承受轴心荷载时：

Pk≤fa

承受偏心荷载时，除满足上式外，尚应满足下式要求：

Pkmax≤1.2fa

式中：pk-相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（KPa）；

      pkmax –相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值（KPa）。

 

六、复合地基沉降计算

 

在工程中，采用的沉降计算方法是复合模量法。沉降计算采用《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中的方法（沉降计算公式略），计算时复合土层分层与天然地基相同，复合土层的模量取该层天然地基模量的ξ倍，如下图所示。

ξ复合地基的模量提高系数，ξ=fspk/fak

 

   沉降量计算从略

 

七、检测结果分析

 

1、复合地基静载荷试验

　　根据设计要求和相关规范，复合地基静力载荷试验3点；复合地基检测点所布置区域为长方形布桩，压板边长为1.4mx1.45m。载荷试验的最大荷载取设计承载力特征值的2倍，即复合地基取500KPa。从Q-S曲线可以看出，复合地基静载荷试验曲线均为缓变形曲线，无明显拐点。根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003），取s/b=0.012(b为方形压板的宽度)对应的荷载，其值均超过最大加荷量的一半，因此取最大加荷量的一半作为CFG桩复合地基承载力特征值。从3个试验点的检测结果看，CFG桩复合地基承载力特征值均大于250kpa，复合地基承载力提高近1倍，满足设计要求。

2、单桩竖向抗压静载荷试验结果

　　试验进行了3根CFG桩单桩静荷试验。CFG桩单桩极限承载力不小于600KN，满足设计要求。所有单桩在压至总加载量时，均未出现沉降急骤增大、桩体破坏及累计的沉降量大于60mm的现象。

3、低应变桩身完整性检测

本工程低应变检测CFG桩桩身完整性40根桩，检测比例为10%。所测的40根CFG桩，Ⅰ类桩34根，Ⅱ类桩6根，无Ⅲ类和Ⅳ类桩。

 

八、 结论

 

1、CFG桩属高粘结强度桩，它与素混凝土桩的区别仅仅在于桩体材料的构成不同，而在受力和变形特性方面没有什么区别，从复合地基静压结果数据看，CFG桩复合地基的承载力得到大幅度的提高，地基变形得以降低和控制。

2、复合地基中由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，其受力和变形类似于素混凝土桩，具有地基承载力高、变形小、稳定快、施工简单易行、工程质量易保证等优点，工程造价一般为桩基的1/3~1/2，经济效益和社会效益非常显著。

3、是否设置褥垫层以及垫层的材料和厚度，直接影响复合地基的桩和桩间土强度的发挥，合理的垫层厚度对提高复合地基承载力和减少沉降变形是非常有利的。

4、由该工程证明此种地基处理方案，质量易控制，造价低，经济、社会、环境效益明显，在湿陷性黄土地区具有极大的发展潜力。

 

 

[参考文献]

[1] GB50007-2002 建筑地基基础设计规范

[2] JGJ79-2002 建筑地基处理技术规范