CFG樁復(fù)合地基在高層住宅基礎(chǔ)中的應(yīng)用

徐 硌 上海鐵路局蚌埠土地房產(chǎn)管理所

在合肥鐵靜園二期安居工程中，其中二棟是32層框剪結(jié)構(gòu)住宅樓，根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，地貌單元為江淮丘陵，微地貌為崗地。主要由第四系（Q3）沖洪積粘性土構(gòu)成上覆土層，場地土層分布自上而下為：一層雜填土（Qml）[層厚1.50~3.00(m)]；二層粘土（Q3al+pl）[層厚3.00~4.20(m),是合肥地區(qū)較為典型的膨脹土]；三層粘土（Q3al+pl）[層厚20.00~21.50(m),干強度及韌性高]；四層粉質(zhì)粘土（Q3al+pl）[層厚8.00~9.00(m),該層底部為泥質(zhì)砂巖風(fēng)化殘積成分復(fù)雜]；五層強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（K）[層厚2.40~3.10(m),該層密實狀態(tài)，很濕，巖體破碎，結(jié)構(gòu)疏松，可見石英、云母等礦物]；六層中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（K）[未鉆穿,本次最大鉆深7.20m，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD較好，巖石天然單軸極限抗壓強度平均值小于5MPa]。地質(zhì)勘察單位根據(jù)鉆探結(jié)果，提供三種基礎(chǔ)方案：筏板基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)、復(fù)合地基。建設(shè)指揮部會同設(shè)計單位、勘察單位一起根據(jù)現(xiàn)場軟弱層厚度較均勻、層底平緩（坡度≤5%），無液化土層，建筑平面較規(guī)則等特點，并經(jīng)過對造價、工期以及施工場地處在居民區(qū)等條件的比選優(yōu)化后，最終確定采用CFG樁復(fù)合地基方案。

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁 (cement fIying-ash gravel pile)的簡稱。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌和形成的高粘結(jié)強度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基，無論樁端落在一般土層還是堅硬土層，均可保證樁間土始終參與工作。由于樁體的強度和模量比樁間土大，在荷載作用下，樁頂應(yīng)力比樁間土表面應(yīng)力大。樁可將承受的荷載向較深的土層中傳遞并相應(yīng)減少了樁間土承擔(dān)的荷載。這樣，由于樁的作用使復(fù)合地基承載力提高，變形減小，再加上CFG樁不配筋，樁體利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和料，大大降低了工程造價。CFG樁復(fù)合地基是目前應(yīng)用比較廣泛的地基處理方法之一，具有承載力提高幅度大，施工周期短，造價低廉，特別是當(dāng)CFG樁施工時采用長螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓CFG樁混合料施工工藝時，更具有施工無泥漿和噪音污染的優(yōu)點。

1 CFG樁設(shè)計復(fù)核驗算

1.1 樁徑

CFG樁樁徑的確定取決于所采用的成樁設(shè)備，一般設(shè)計樁徑為350～600(mm)。本工程采用長螺旋鉆機成孔管內(nèi)泵壓砼灌注樁的施工工藝，取樁徑d=410mm。

1.2 樁長

該場地主要為天然基礎(chǔ)持力層、受力層三層粘土的壓縮系數(shù)在0.07～0.177之間，為中低壓縮性土；前期固結(jié)壓力Pc為 380～880(kPa)，其超固結(jié)比 DCR 為 1.9～5.6，屬超固結(jié)土，且地基土分布均勻、厚度大是CFG樁良好的天然基礎(chǔ)持力層及樁端持力層，四層粉質(zhì)粘土埋深較深，為良好的下臥層及樁端持力層。規(guī)范要求：在軟土地區(qū)采用CFG樁復(fù)合地基方案時，樁端一般應(yīng)落在好的土層上（詳見圖1）。同時，按照公式Rk=[fsp-αβ(1-m)fk]Ap/m，求得Rk值后進行復(fù)核驗算。根據(jù)以上結(jié)果，選擇三層粘土層為持力層，有效樁長L=15m。

圖1 CFG樁剖面圖

1.3 樁距

樁距應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求的復(fù)合地基承載力、土性、施工工藝等確定。一般間距S=（3～5）d。當(dāng)樁距小于4d后，復(fù)合地基承載力的增長明顯下降，一般以4d間距為宜。綜合以上因素及施工時相鄰樁之間的影響，最終選定樁間距S=1.60m，沉降縫部位樁間距S=1.425m（詳見圖2）。

圖2 樁位布置圖

1.4 樁體強度

原則上樁體配比按樁體強度控制，樁體試塊抗壓強度應(yīng)滿足下式要求：式中：

fcu--樁體混合料試塊（邊長1500mm立方體）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28天立方體抗壓強度平均值（kPa）；

Ra--單樁承載力特征值（kPa）；

Ap--樁體橫截面積（m2）；

設(shè)計確定樁的設(shè)計抗壓強度為C25，滿足實際要求。

1.5 樁數(shù)

np--理論布樁數(shù)；

A--基礎(chǔ)底面積（m2）；

Ap--樁體橫截面積（m2）。

1.6 褥墊層設(shè)置

褥墊層材料采用硬質(zhì)巖破碎碎石，粒徑在5～16mm。褥墊層厚度一般為100～300(mm)。如厚度過小，樁對基礎(chǔ)將產(chǎn)生很顯著的應(yīng)力集中，需考慮樁對基礎(chǔ)的沖切，勢必導(dǎo)致基礎(chǔ)加厚。如果基礎(chǔ)承受水平荷載作用，可能造成復(fù)合地基中樁發(fā)生斷裂。由于褥墊層厚度過小，樁間土承載力不能充分發(fā)揮，要達到實際要求的承載力，必然要增加樁的數(shù)量或樁的長度，造成經(jīng)濟上的浪費。唯一帶來的好處是建筑物的沉降量小。褥墊層厚度過大，會導(dǎo)致樁、土應(yīng)力比等于或接近于1，此時樁承擔(dān)的荷載太少，復(fù)合地基中樁的設(shè)置就失去了意義，這樣設(shè)計的復(fù)合地基承載力不會比天然地基有較大的提高，而且建筑物的變形也大。在考慮到技術(shù)上的可靠和經(jīng)濟上的合理基礎(chǔ)上，確定厚度為200mm。褥墊層壓實度為0.87～0.90，施工時先鋪225mm厚再壓至200mm。

褥墊層的加固范圍要比基底面積大，其四周寬出基底的部分不宜小于褥墊層的厚度，因此要求每邊超出基礎(chǔ)部分不小于200mm。

1.7 泵送砼配合比

泵送砼配合比計算和試配除按普通砼配合比設(shè)計的計算與試配的規(guī)定外，還應(yīng)符合以下規(guī)定：

⑴砼的可泵性，10s時的相對壓力泌水率S10不宜超過40%；

⑵泵送砼的水灰比宜為0.4～0.6；

⑶泵送砼的砂率宜為35%～45%；

⑷泵送砼的最小水泥用量（含礦物摻合料取代水泥）宜為300kg/m3；

⑸泵送砼應(yīng)摻和泵送劑或減水劑，摻引氣型外加劑時，砼含氣量不宜大于4。

2 復(fù)合地基承載力驗算

fspk--復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；

Ra--單樁承載力特征值（kPa）；

Ap--樁體橫截面積（m2）；

fsk--天然地基承載力特征值，按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗取值，如無經(jīng)驗時可取天然地基承載力特征值（kPa）；

β--樁間土承載力折減系數(shù)，β=0.75～0.95，本工程中取0.8；

當(dāng)采用單樁荷載試驗時，應(yīng)將單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)k，一般取k=2。

up--樁截面周長（m）；

n--樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

qsi--樁周第i層土的側(cè)阻力極限值（kPa）；

qp--樁端阻力極限值（kPa）；

Ap--樁體橫截面積（m2）；

li--第 i層土的厚度（m）。

計算得Ra=[2.575×(34×0.6+38×16)+850×0.132]/2=865.165(kN);

fspk=0.064×865.165/0.132+0.8(1-0.064)×320=659.086(kPa)。

3沉降驗算

一般情況下CFG樁復(fù)合地基沉降由三部分組成（詳見圖3）。一是加固深度范圍內(nèi)的壓縮變形S1；二是下臥變形S2；三是褥墊層變形S3。由于S3數(shù)量很小可忽略不計，則有：

復(fù)合地基的分層與天然地層相同，各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ倍。

按復(fù)合模量法計算加固區(qū)和下臥層的變形：

式中：

ψs--變形計算經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)爻两涤^測資料及經(jīng)驗確定，也可根據(jù)規(guī)范查表確定；

Esi--第i層土的壓縮模量；

ΔPoi--荷載Po在第i層土中產(chǎn)生的平均附加應(yīng)力；

hi--第i層土的分層厚度；

n1--加固區(qū)分層數(shù)；

n2--總的分層數(shù)；

fspk--復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；

fak--基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值（kPa）。

圖3 復(fù)合地基沉降計算示意圖

變形計算經(jīng)驗系數(shù)ψ根據(jù)規(guī)范查表確定：

Ai--第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值；

Esi--基礎(chǔ)底面下第i層的壓縮模量值（kPa），樁長范圍內(nèi)的復(fù)合土層按復(fù)合土層的壓縮模量取值。

以上經(jīng)過驗算顯示，經(jīng)CFG樁處理后的場地地基能夠滿足規(guī)范要求。

4 CFG樁施工工藝

4.1 樁定位放樣

CFG樁施工前應(yīng)將場地開挖至-5.60m處，并且應(yīng)當(dāng)壓實、平整。依據(jù)施工平面圖、規(guī)劃控制點復(fù)核測量基線、水準(zhǔn)點及樁位、CFG樁的軸線定位點。軸線控制點埋設(shè)標(biāo)志：控制建筑物總體尺寸的軸線引出木樁用混凝土固定80cm深。對樁位先用圓鋼釬打孔深度不小于300mm、孔中灌入石灰粉末，后插入竹簽作為樁定位標(biāo)志。主軸線控制網(wǎng)允許偏差小于20mm，樁位偏差不得大于60mm。

4.2 鉆孔

鉆孔前用1：1水泥砂漿潤滑砼泵送管及鉆桿內(nèi)壁。鉆頭對準(zhǔn)樁位，成樁偏差控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)，并保證鉆架垂直度偏差在1%以內(nèi)。根據(jù)施工圖紙和地質(zhì)資料，制定可行的進尺、速度，不斷地觀察各種變化，掌握好鉆進深度，注意鉆桿的傾斜度，若發(fā)生斜孔時應(yīng)采取相應(yīng)的措施進行處理，鉆機下鉆的速度及鉆進過程中的地質(zhì)情況應(yīng)做好記錄，發(fā)現(xiàn)異常立即上報。在鉆至設(shè)計樁底標(biāo)高后，經(jīng)監(jiān)理工程師和質(zhì)檢員復(fù)核無誤后，可進行下步工序施工。

4.3 混凝土灌注成樁

采用管內(nèi)泵壓工藝，鉆桿提升與灌注同時進行。鉆桿提升與砼輸送速度同步，并使鉆頭保持在砼內(nèi)尺寸1.0m以上（即鉆桿內(nèi)始終保持砼高度大于1.5m），防止提空，保證砼澆注質(zhì)量，充盈系數(shù)控制在1.1以上。

4.4 樁頭處理

打樁棄土和保護土層清至設(shè)計標(biāo)高后，用大錘沿水平方向兩兩相對同時擊打鋼釬，將樁頭截斷，嚴(yán)禁用鋼釬向斜下方或單向擊打樁身。樁頂標(biāo)高若低于設(shè)計標(biāo)高，先將樁頂修平鑿毛，用比樁身材料強度高一個等級的素砼（C30）接樁至設(shè)計樁頂標(biāo)高。

4.5 砼試塊制作

根據(jù)工程樁施工特點，每天每班隨機取樣三次，每次做試塊1組（每組3塊）；且試塊應(yīng)注明砼強度等級、成型日期及代表樁號；試塊做好后現(xiàn)場養(yǎng)護28天時送到指定的材料試驗室做強度試驗。

4.6 質(zhì)量檢驗

復(fù)合地基檢測應(yīng)在樁體強度滿足試驗荷載條件時進行，一般宜在施工結(jié)束2-4周后，隨機抽測總樁數(shù)的0.5～1%且不少于3個點做復(fù)合地基靜載試驗，檢測復(fù)合地基承載力特征值。靜載試驗的壓板尺寸按1600×650確定，加載值不應(yīng)小于2倍的特征值，加載等級可分為10級。因本工程為高層建筑，應(yīng)抽取總樁數(shù)的10%進行底應(yīng)變動力檢測，檢驗樁身結(jié)構(gòu)完整性。

5 結(jié)束語

本工程的實踐證明，高層建筑采用CFG復(fù)合地基技術(shù)后，大幅度提高了地基承載力，縮短了工期，降低了造價，特別是當(dāng)CFG樁施工時采用長螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓CFG樁混合料施工工藝時，更具有無泥漿和噪音污染的優(yōu)點。它與傳統(tǒng)的樁基設(shè)計相比，樁的數(shù)量可以大大減少，加上CFG樁不配筋，樁體利用工業(yè)廢料粉煤灰作為摻和劑，降低了工程造價，使工程基礎(chǔ)造價降低1/3～1/2；工期也僅用22天就全部完成樁基工程，為集資建房工作目標(biāo)的實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)，取得了非常顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。